STM32红外循线小车

橘子不是唯一的水果
原创
发布时间: 2026-01-09 09:43:45 | 阅读数 0收藏数 0评论数 0
单片机
循迹
红外
stm32
封面
本项目基于 STM32 微控制器，设计并实现了一款 红外循线智能小车。小车通过红外循迹传感器实时检测地面黑白线路信息，结合 STM32 的高速数据处理能力与电机驱动控制，实现了稳定、可靠的自动循线行驶功能。 系统以 STM32 作为核心控制单元，负责红外传感器数据采集、电机驱动信号输出以及系统逻辑控制。小车采用 红外反射原理 判断行进路线，通过对左右循迹信号的分析，动态调整电机转速与方向，使小车始终沿既定轨迹平稳前进。同时，系统预留了串口通信、SWD 调试、电源扩展等接口，便于功能扩展与参数调试。

准备工作:

材料:

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  1. 芯片型号：STM32F103RCT6
  2. 红外模块：TCRT5000
  3. 电机驱动模块：L298N
  4. 11v充电电池
  5. 亚克力车架
  6. 直流电机
  7. 适用于F103RCT6的智能小车拓展板
  8. 杜邦线
  9. ST-Link烧录器
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项目介绍

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“本项目实现一款能够在无人工干预下自主行驶的巡线小车。小车基于红外传感阵列实时识别白底黑线赛道，结合闭环控制算法精确纠正行驶轨迹，实现高速度与高稳定性的动态平衡。在抵达终点后，小车将执行原地掉头指令，并利用路径规划算法完成精准倒车入库。”

场地如图所示

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组装

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一、前期硬件搭建方案

在系统搭建初期，整车采用 6 节 1.5V 干电池串联 作为主电源，为整车提供较高的输入电压。同时，小车配置 两路红外循迹模块 用于基础的路径识别。

由于电池串联后电压较高，无法直接为 STM32 单片机供电，因此电源首先接入 L298N 电机驱动板。L298N 驱动板板载稳压模块可将输入电压 降压至 5V，再由该 5V 电源为 STM32 单片机及其扩展板供电。整体供电结构如下图所示。


二、供电架构说明

系统的供电架构可分为两部分：

  1. 控制部分供电
  2. L298N 驱动板的一部分接口与 STM32 单片机（及其扩展板）相连，为单片机提供稳定的工作电源，并通过使能端口实现对电机驱动的控制。
  3. 执行部分供电
  4. L298N 驱动板的另一部分直接为四个直流电机供电，用于驱动车轮运动，实现小车的前进、后退及转向功能。

此外，红外循迹传感器通过信号线与 STM32 扩展板上对应的 GPIO 引脚相连，单片机通过读取传感器状态实现循迹控制。


三、前期组装与问题分析

在前期组装与调试过程中，系统能够完成基础循迹功能，但在复杂赛道或弯道场景下，两路循迹模块存在明显不足：

  1. 对复杂路径的识别能力有限；
  2. 无法精确反映小车相对于轨道中心的偏航状态；
  3. 在急弯或交叉路段容易出现误判。


四、后期改进方案

针对前期存在的问题，系统在后期进行了如下优化改进：

  1. 电源升级
  2. 将原有的干电池供电方案更换为 11V 可充电锂电池，提高供电稳定性并减小维护成本。
  3. 循迹模块升级
  4. 将原有的 两路红外循迹模块升级为七路循迹模块。
  5. 多通道循迹模块能够提供更丰富的路径信息，使单片机可以更准确地判断小车偏航程度，从而实现更加平滑、精准的循迹控制。


五、最终成品结构说明

最终完成的小车整体结构如图所示，各部分功能说明如下：

  1. [1] 四驱直流电机：为小车提供动力，实现灵活运动；
  2. [2] 可充电电池：为系统提供稳定电源；
  3. [3] 扩展板 + STM32 主控板：作为系统核心，负责数据处理与控制逻辑；
  4. [4] L298N 电机驱动板：实现电机驱动与电源分配；
  5. [5] 七路红外循迹模块：用于高精度路径检测与循迹控制。


3

原理图

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原理图说明

由于项目时间较为紧张，前期并未自行设计 PCB 电路板，而是直接采用了常规的智能小车 STM32 拓展板作为控制核心。该拓展板在设计时预留了大量功能接口，因此板上包含了部分本项目中未实际使用的排针接口。

在本系统中，循迹模块采用的是七路红外循迹传感器，需要至少七路 GPIO 输入引脚用于采集传感器状态。由于拓展板原有的循迹接口数量不足，设计中复用了拓展板上其他功能模块对应的排针引脚，以满足七路循迹信号的接入需求。


拓展板原理图说明

拓展板整体电路基于 STM32 最小系统进行设计，并在此基础上集成了电机驱动、电源分配以及多种外设接口。由于使用的是成熟的成品拓展板，其原理图中包含了多种功能模块的接口定义，但本项目仅使用其中与电机驱动、循迹传感器及调试接口相关的部分。


引脚复用及调试问题分析

在小车连接 ST-Link 进行在线调试（未连接 USB 通信接口）时，发现系统运行存在异常，部分功能会受到影响。经过分析，推测该问题与 STM32 引脚复用冲突 有关。

ST-Link 在调试过程中需要连接 SWDIO 引脚，而该引脚与 PA13 引脚复用。当 ST-Link 连接到开发板时，其内部调试芯片可能会对 PA13 引脚的电平状态产生影响，从而干扰系统中基于该引脚的正常功能。

为避免该问题，在程序烧录完成后，断开 ST-Link 与开发板的连接，再对小车进行功能测试，可有效消除调试接口对系统运行的影响。


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电机编码

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定时器 PWM 初始化函数

/**
* @brief TIM4 PWM 初始化
* @param autoReload: 自动重装载值（ARR）
* @param prescaler : 预分频系数（PSC）
* @note PWM 用于控制左右电机转速
*/
void TIM4_PWM_Init(uint16_t autoReload, uint16_t prescaler)
{
TIM_TimeBaseInitTypeDef timBaseConfig;
TIM_OCInitTypeDef timOcConfig;
GPIO_InitTypeDef gpioConfig;

/* 使能外设时钟 */
RCC_APB1PeriphClockCmd(RCC_APB1Periph_TIM4, ENABLE);
RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOB | RCC_APB2Periph_GPIOC, ENABLE);

/* ========== 电机方向控制引脚（普通 GPIO 输出） ========== */

// 左电机方向 IN1（PB10）
gpioConfig.GPIO_Pin = GPIO_Pin_10;
gpioConfig.GPIO_Mode = GPIO_Mode_Out_PP;
gpioConfig.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
GPIO_Init(GPIOB, &gpioConfig);

// 左电机方向 IN2（PC2）
gpioConfig.GPIO_Pin = GPIO_Pin_2;
GPIO_Init(GPIOC, &gpioConfig);

// 右电机方向 IN3（PB12）
gpioConfig.GPIO_Pin = GPIO_Pin_12;
GPIO_Init(GPIOB, &gpioConfig);

// 右电机方向 IN4（PB13）
gpioConfig.GPIO_Pin = GPIO_Pin_13;
GPIO_Init(GPIOB, &gpioConfig);

/* ========== PWM 输出引脚（复用推挽输出） ========== */

// 左电机 PWM ENA（PB6 -> TIM4_CH1）
gpioConfig.GPIO_Pin = GPIO_Pin_6;
gpioConfig.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AF_PP;
GPIO_Init(GPIOB, &gpioConfig);

// 右电机 PWM ENB（PB9 -> TIM4_CH4）
gpioConfig.GPIO_Pin = GPIO_Pin_9;
GPIO_Init(GPIOB, &gpioConfig);

/* ========== 定时器时基配置 ========== */

timBaseConfig.TIM_Period = autoReload;
timBaseConfig.TIM_Prescaler = prescaler;
timBaseConfig.TIM_ClockDivision = TIM_CKD_DIV1;
timBaseConfig.TIM_CounterMode = TIM_CounterMode_Up;
TIM_TimeBaseInit(TIM4, &timBaseConfig);

/* ========== PWM 输出比较配置 ========== */

timOcConfig.TIM_OCMode = TIM_OCMode_PWM1;
timOcConfig.TIM_OutputState = TIM_OutputState_Enable;
timOcConfig.TIM_Pulse = 0; // 初始占空比为 0
timOcConfig.TIM_OCPolarity = TIM_OCPolarity_High;

TIM_OC1Init(TIM4, &timOcConfig); // 左电机
TIM_OC4Init(TIM4, &timOcConfig); // 右电机

TIM_OC1PreloadConfig(TIM4, TIM_OCPreload_Enable);
TIM_OC4PreloadConfig(TIM4, TIM_OCPreload_Enable);

TIM_ARRPreloadConfig(TIM4, ENABLE);
TIM_Cmd(TIM4, ENABLE);
}


左右电机速度控制函数

说明：
本函数只负责 速度大小
电机方向由方向控制函数决定


/**
* @brief 设置左电机转速
* @param speed: 0~100（仅表示速度大小）
*/
void Motor_Left_SetSpeed(int8_t speed)
{
uint16_t pwmValue;

if (speed > 100)
speed = 100;
if (speed < 0)
speed = 0;

pwmValue = speed * 72; // 100 → 7200
TIM_SetCompare1(TIM4, pwmValue);
}

/**
* @brief 设置右电机转速
* @param speed: 0~100（仅表示速度大小）
*/
void Motor_Right_SetSpeed(int8_t speed)
{
uint16_t pwmValue;

if (speed > 100)
speed = 100;
if (speed < 0)
speed = 0;

pwmValue = speed * 72;
TIM_SetCompare4(TIM4, pwmValue);
}


基础运动控制函数


1. 前进


void Car_MoveForward(int8_t speed, uint16_t duration)
{
// 左轮正转
L298N_IN1 = 0;
L298N_IN2 = 1;

// 右轮正转
L298N_IN3 = 1;
L298N_IN4 = 0;

Motor_Left_SetSpeed(speed);
Motor_Right_SetSpeed(speed);

delay_ms(duration);
}

2. 停止


void Car_Stop(uint16_t duration)
{
L298N_IN1 = 0;
L298N_IN2 = 0;
L298N_IN3 = 0;
L298N_IN4 = 0;

Motor_Left_SetSpeed(0);
Motor_Right_SetSpeed(0);

delay_ms(duration);
}

3. 原地旋转


void Car_SpinLeft(int8_t speed, uint16_t duration)
{
L298N_IN1 = 0;
L298N_IN2 = 1;
L298N_IN3 = 0;
L298N_IN4 = 1;

Motor_Left_SetSpeed(speed);
Motor_Right_SetSpeed(speed);

delay_ms(duration);
}

void Car_SpinRight(int8_t speed, uint16_t duration)
{
L298N_IN1 = 1;
L298N_IN2 = 0;
L298N_IN3 = 1;
L298N_IN4 = 0;

Motor_Left_SetSpeed(speed);
Motor_Right_SetSpeed(speed);

delay_ms(duration);
}


循迹传感器数据处理

1. 全局变量定义


uint8_t sensorData[7]; // 七路红外传感器
uint8_t offsetLeft; // 左偏移权值
uint8_t offsetRight; // 右偏移权值
uint8_t offsetCenter; // 中间传感器

2. 黑线偏移计算函数


void LineSensor_Read(void)
{
sensorData[0] = l3;
sensorData[1] = l2;
sensorData[2] = l1;
sensorData[3] = m;
sensorData[4] = r1;
sensorData[5] = r2;
sensorData[6] = r3;

offsetLeft = sensorData[0] * 3 + sensorData[1] * 2 + sensorData[2];
offsetRight = sensorData[4] + sensorData[5] * 2 + sensorData[6] * 3;
offsetCenter = sensorData[3];
}


循迹控制主逻辑


void LineTracking_Task(void)
{
LineSensor_Read();

if (offsetRight > offsetLeft)
{
if (offsetRight > 3)
Car_SpinRight(75, 100);
else if (offsetRight >= 2)
Car_SpinRight(65, 2);
else
Car_MoveForward(80, 5);
}
else if (offsetLeft > offsetRight)
{
if (offsetLeft > 3)
Car_SpinLeft(75, 100);
else if (offsetLeft >= 2)
Car_SpinLeft(65, 2);
else
Car_MoveForward(80, 5);
}
else if (offsetCenter)
{
Car_MoveForward(85, 5);
}
}

5

完成

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