STM32F103ZET6循迹小车实战：从灰度传感器标定到PD调参

简介：面向STM32学习者与智能车竞赛爱好者，这套基于STM32F103ZET6的循迹小车代码，完整覆盖灰度传感器采集、PWM输出、舵机与双编码电机差速控制的实现链路。车体借助一字排列的灰度传感器阵列识别赛道黑线，配合位置式PID算法稳定通过直道、环岛、S弯和连续直角弯，适合参考完整工程与PID调参思路的开发者。

压缩包共207个文件、大小5.48MB，含Keil C源码（.c/.h）、编译产物（.hex/.axf）、工程配置（.uvprojx）及启动文件等，可直接编译烧录，便于二次修改。已有8429人学习下载。

工程内定时器配置、灰度采集、PWM输出、PID调节等模块分层清晰，有助于理解整体控制逻辑；源码、配置文件与可执行文件齐全，可作为毕业设计或智能车比赛的备赛参考，有效节省从零搭建的时间。 第一次给STM32F103ZET6循迹小车通电那个晚上，我记得特别清楚。轮子没往前走，车在原地疯狂转圈，像极了一个放歪的陀螺。旁边朋友还补了一句：“你这车是薛定谔的直行吧，不测永远不知道会往哪偏。”后来我从传感器标定、PWM接线、控制逻辑一路排查，花了一个周末才让它稳稳跑完一圈。这篇文章就是把那段经历和现在比较成熟的方案一起整理出来：从灰度传感器原理、芯片资源规划、电机驱动接线，到连续偏差计算和实际调参排错，适合刚做完51小车想转STM32、或者准备电赛/课设要做循迹车的朋友。看完你至少能少踩一半我踩过的坑。

1. 循迹小车到底在“循”什么：灰度传感器与赛道识别

1.1 五路灰度传感器怎么摆放最合理

循迹的本质，是检测赛道底色和引导线之间的反射率差异。最常见的方案是TCRT5000红外反射模块，模块上有一个红外发射管和一个光电接收管，发射管持续发出红外光，光线照到白色赛道大部分被反射回来，接收管导通程度高；照到黑色引导线则被吸收，反射回来很少。把输出电平或模拟电压读进单片机，就能判断当前传感器下方是黑线还是白底。

单路传感器只能告诉你“现在有没有压线”，车子会像喝醉一样左右摆头。所以实用方案至少是5路，一字排列在车头下方。间距要根据赛道线宽来定，一般赛道黑线宽度在2cm左右，5路传感器中心间距取1.5cm到1.8cm比较合适。如果间距太大，两个传感器可能同时落在黑白交界处，读出来的数据模棱两可；间距太小，黑线会同时压在三四路传感器上，偏差分辨率反而下降。安装高度一样重要，我试过离地3cm和离地1cm，效果天差地别。离地太高，红外光散射严重，白色区域和黑色区域读数差距变小，阈值很难选；离地1到1.5cm是比较甜的范围。装好后最好用热缩管或者黑胶带在传感器两侧做一个简单的遮光罩，只留一个向下的检测窗口，能明显降低环境光干扰。

1.2 阈值标定别靠电位器，要读ADC

市面上很多TCRT5000模块会带一个LM393比较器，直接输出TTL高低电平，板子上还带一个蓝色电位器可调阈值。这种方案接线简单，但我不推荐在STM32上直接读开关量，原因有两个：第一，电位器调出来的阈值没有量化依据，全靠手感和运气，换一个光照环境就要重新拧；第二，开关量丢失了“离黑线多近”的连续信息，对后面做连续偏差控制非常不利。

更好的做法是买能够引出模拟电压的模块，或者直接读传感器接收管的分压点。STM32F103ZET6内部有3个12位ADC，随便分配3到5个通道就够了。程序上做一个标定流程：把车放在纯白区域读一次，记录最大值；再放到黑线区域读一次，记录最小值。判断阈值就取(max + min) / 2。这里还有个细节：白底读数不一定比黑底高，具体取决于模块输出的是反射电压还是反向电压，所以标定时不要让程序假设方向，直接记录高低值，再算一个中间判断值即可。

我自己的习惯是每个通道独立标定，因为5路传感器之间哪怕型号一致，个体差异也会导致白底读数相差几十个数。用统一阈值是偷懒，后面直道画龙大概率就是这里埋下的。标定数据存到全局结构体里，每次上电先跑一次标定函数，或者通过按键触发标定，这样更换场地时不用反复改代码重新烧录。

2. 为什么是STM32F103ZET6：资源分配与引脚避坑

2.1 ZET6和C8T6的差别，以及我给这辆车的资源规划

有人会问：做个循迹小车，51单片机都能干，为什么非用STM32F103ZET6？我自己理解的答案是：51能做，但做得不舒服。循迹小车至少需要5路传感器采集、2路电机PWM输出、若干方向IO，以及一个方便调试的串口打印。用51硬扛也能跑，但ADC通道紧张、PWM要么靠定时器中断模拟要么靠内部PCA，代码写起来非常别扭。STM32的优势在于外设资源是“溢出”的，你可以把精力放在控制逻辑上，而不是和硬件较劲。

ZET6这颗芯片是F103系列里的大容量型号：144脚封装，512KB Flash，64KB RAM，5个串口，4个通用定时器加2个高级定时器，3个ADC，引脚数量也非常充裕。C8T6价格更便宜，做循迹也够用，但ZET6的余量让我后期加了不少东西：OLED显示实时偏差、蓝牙模块调参、编码器测速接口，甚至预留了一个超声波避障的排针，全程没有拆东墙补西墙。

我当时的资源分配大致是这个表：

这个表给的是一个参考，并不需要完全照抄。核心思路是：PWM用同一个定时器，保证两路波形同步；ADC用DMA或者规则组扫描，避免在控制循环里卡时间；串口一定要留，调车时看不到内部变量，纯靠猜会非常浪费时间。

2.2 引脚复用和重映射：被工程忽略的第一坑

STM32的引脚不是想用就用的，很多IO默认被调试接口或者其它复用功能占着。F103的JTAG默认占用PA13、PA14、PA15、PB3、PB4，其中PB4是NJTRST，PA15是JTDI，PB3是JTDO。如果你把这些引脚直接当普通GPIO用，会发现在线调试和程序运行总会出怪问题，这就是工程上最容易翻车的地方之一。

循迹小车常用引脚里，PA0到PA7、PB0、PB1、PC0到PC5这些通常比较安全。但如果你用了PA15、PB3、PB4这类引脚，就必须在初始化代码里关闭JTAG复用，只保留SWD，或者干脆全关掉。相关代码一般是这样的：

void GPIO_Config(void) { GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure; RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA | RCC_APB2Periph_GPIOB | RCC_APB2Periph_AFIO, ENABLE); // 禁用JTAG，保留SWD；如果不用SWD调试，可以全关 GPIO_PinRemapConfig(GPIO_Remap_SWJ_JTAGDisable, ENABLE); GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_Out_PP; GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz; // ... 配置方向控制引脚 }

另外，F103的定时器通道引脚也有默认映射和重映射的区分。比如TIM3_CH1默认在PA6，重映射可以到PB4；TIM4很多引脚在PB6到PB9。网上常见的呼吸灯例子会提到TIM3引脚重映射，就是因为如果PA6被ADC或者其它功能占用了，可以通过AFIO把PWM输出重新映射到别的引脚。在规划引脚时，我建议先翻一下对应型号的数据手册里的“Pin definitions and AFIO mapping”表，把要用到的定时器通道引脚列出来，再和ADC、串口、GPIO一起做一次冲突检查。省得焊完线才发现两个功能挤在同一个引脚上，到时候飞线飞得怀疑人生。

3. 从PWM波到轮子差速：电机驱动链路搭建

3.1 电机驱动选型和接线

单片机IO口是给不出驱动电机的大电流的，所以中间必须加电机驱动模块。市面上常见的有L298N、TB6612FNG、DRV8833这些。L298N便宜、皮实，但内部用三极管做H桥，饱和压降大，供电电压一低就明显感觉轮子没劲。TB6612FNG是MOS管H桥，压降小，体积也小，我后来一直用它。DRV8833更轻，适合小型小车，但最大电流稍低。做普通循迹车，我建议优先考虑TB6612系列，一方面是PWM响应干脆，另一方面它逻辑电源可以直接用3.3V，和STM32门当户对。

接线有几个地方必须注意。第一，电机电源和单片机电源要“共地”，也就是驱动板的GND要和STM32的GND连在一起，否则PWM信号没有参考电平，电机根本不会转。第二，电机电源不建议直接从STM32开发板的3.3V取电，启动瞬间电流可以到一两安，板载LDO会被拉垮，轻则重启，重则烧芯片。我给小车用的是一节7.4V锂电池，经开发板稳压给单片机供电，同时通过DC-DC降压到5V附近单独给电机驱动供电。第三，PWM信号线和方向控制线尽量短，避免和电机大电流线绑在一起走，否则电机换向时的反电动势容易让单片机复位。

驱动部分的示意接线如下（不同模块脚位略有差异，以实际模块丝印为准）：

3.2 定时器PWM配置和电机控制函数

PWM配置的重点是频率和占空比分辨率。我给电机用的PWM频率是10kHz，因为常见直流减速电机的电感在这个频率下电流纹波比较小，声音也不太刺耳。如果频率太低，比如1kHz，电机会发出明显的啸叫，低速时还可能一顿一顿的。STM32F103ZET6的系统时钟是72MHz，用TIM1输出两路PWM，预分频PSC设为0，自动重载值ARR设为7200-1，这样PWM频率就是72MHz / 7200 = 10kHz，占空比分辨率接近0.014%，完全足够。

初始化时需要注意，高级定时器TIM1和TIM8需要额外开启TIM_CtrlPWMOutputs，否则比较输出不会真正送到IO口。这个坑不少初学者会踩：代码看起来都对了，示波器却量不到波形，其实就是忘了这一句。

控制函数可以封装成下面这种形式，调用时不用关心底层寄存器：

// speed范围：-1000 ~ 1000，正数前进，负数后退，0停止 void Set_Motor_Speed(int16_t left, int16_t right) { if (left >= 0) { AIN1_GPIO_HIGH(); AIN2_GPIO_LOW(); TIM_SetCompare1(TIM1, left); // 正转时直接用占空比 } else { AIN1_GPIO_LOW(); AIN2_GPIO_HIGH(); TIM_SetCompare1(TIM1, -left); // 反转时取绝对值给比较寄存器 } if (right >= 0) { BIN1_GPIO_HIGH(); BIN2_GPIO_LOW(); TIM_SetCompare2(TIM1, right); } else { BIN1_GPIO_LOW(); BIN2_GPIO_HIGH(); TIM_SetCompare2(TIM1, -right); } }

把方向和速度拆开的思路，是让上层控制逻辑只关心“左轮多少、右轮多少”这个抽象量，不用管H桥怎么换向。后面写PID转向时，调用这个函数就行，代码会干净很多。

这里还要补充一个测试方法：焊完线先别直接把小车放地上跑。拿个支架把车架空，用串口或者按键分别设成“左轮正转”“右轮正转”“左轮反转”“右轮反转”四个状态，确认两个轮子的转向逻辑和你的预期一致。这一步看似简单，却能省掉你后面排查“为什么一给转向就原地甩尾”的大量时间。

4. 循迹控制逻辑：连续偏差计算与PD转向

4.1 用加权平均算出“差了多远”，而不是非左即右

很多51循迹小车教程的做法是：传感器读到中间一路压线就直行，读到偏左就右转，读到偏右就左转，像查表一样来做转向决策。这个方案在小速度、大曲率赛道上能跑，但速度稍微上去一点，车子就会在直线上左右震荡，因为开关量没有告诉单片机“到底偏了多少”。同样是偏左，压到左边第二路和刚刚擦到左边第一路，需要修正的转向量是完全不同的。

所以我改用连续偏差计算。把5路传感器从左到右记为s0~s4，每一路有一个权重：s0对应-2，s1对应-1，s2对应0，s3对应1，s4对应2。有车前把每路判断成bool量，1表示压到黑线。偏差e的计算方式：

float Get_Deviation(void) { int weight_sum = 0; int sensor_sum = 0; int w[5] = {-2, -1, 0, 1, 2}; for (int i = 0; i < 5; i++) { weight_sum += sensor[i] * w[i]; sensor_sum += sensor[i]; } if (sensor_sum == 0) { return last_deviation; // 没有压线，保持上一次偏差 } last_deviation = (float)weight_sum / sensor_sum; return last_deviation; }

当黑线正好在中间时，只有s2为1，weight_sum为0，e=0。当黑线偏左时，s1为1，weight_sum = -1，e为负。如果黑线同时压到s1和s2，weight_sum = -1，sensor_sum = 2，e=-0.5，表示只偏了一点点。这个连续值就是后面转向控制的输入。

有了偏差e，转向就顺理成章了。我用的是一套PD控制器，P项根据当前偏差输出转向修正量，D项用来抑制车身摆动：

int16_t steering = (int16_t)(Kp * deviation + Kd * (deviation - last_deviation)); left_speed = BASE_SPEED - steering; right_speed = BASE_SPEED + steering;

这里的符号要根据传感器安装方向调整，如果发现车子越偏越厉害，把steering前面的正负号反过来就行。BASE_SPEED可以先取300到400（对应占空比30%到40%），Kp从1.0开始往上加，Kd从0.2开始试。

4.2 十字、T字和断线：特殊赛道的状态机处理

连续偏差在普通直道和弯道上很好用，但遇到跑道上常见的十字路口就会出问题。十字路口意味着5路传感器同时压到黑线，sensor_sum等于5，偏差公式会得到一个落在中间的0值，听起来好像没问题，但如果车身进入十字的角度偏了，或者传感器间距和黑线宽度不匹配，会出现一瞬间5路全黑然后又全白的情况，这时控制逻辑容易误判成“丢线”，进而做出错误转向。

为了处理这种情况，我引入了一个轻量的状态机，状态包括：正常循迹、十字直行、左转、右转、停止。只在5路全为1时进入“十字候选状态”，在这个状态下保持直行一段固定时间或者固定距离，直到脱离全黑状态。简单实现可以用一个计数器，进入全黑后强制直行50ms，50ms后如果还是全黑就继续直行，否则恢复到正常循迹。这里的关键点是不去改变轮速差，让车靠惯性直接通过十字。

T字路口的策略就灵活了，取决于比赛规则。如果规定T字必须左转，那就在检测到左前方有连续黑线时给一个固定时间的左转，同时关闭P控制，避免PD不断打架。断线处理也是一样：sensor_sum等于0时，不要立刻让小车原地乱转，而是沿用上次有效的偏差值，并且把速度降下来一点，因为大概率只是压到了线间缝隙或者黑线被磨损。

再补充一个控制周期的概念。整个循迹循环最好做到1到5ms执行一次，也就是200Hz到1000Hz。如果代码里用HAL_Delay(10)或者更长的延时，车子响应就会慢半拍，弯道冲出去的概率大幅增加。正确做法是让主循环不断扫描传感器、计算偏差、调用PD、设置电机速度，整个循环本身尽量短，不要放任何阻塞延时。需要定时的功能用定时器标志位，别用延时。

5. 实测调参：从原地打转到稳定过弯的完整过程

5.1 现象驱动排查：原地打转、画龙、冲弯

调车本质上是一个“现象->假设->验证”的过程，别一上来就改参数，先确认硬件链路是对的。

我遇到最常见的现象是原地打转。这种问题很少是PID参数引起的，我先用串口打印出5路传感器的值，确认每一路在黑线和白底的读数有明显差异；然后控制单侧电机正转、反转，确认方向控制和PWM输出都正确；最后检查电机驱动板的使能引脚和共地线。很多时候“原地打转”只是左右电机方向接反了，或者驱动模块的STBY没拉高，压根还没轮到PID出场。

第二种现象是直道画龙，车在直线上走S型。这个一般是传感器阈值不准或者Kp过大。阈值不准的表现是，车在直道上时传感器读到的不是稳定的“1001”或者“010”，而是杂乱抖动；Kp过大的表现是偏差很小，但转向量很大，车会左右来回甩。解决方法是先把车放在白色赛道中间，看串口打印的偏差是否接近0，如果不是，重新标定。然后Kp从很小值比如0.5开始试，稳定后再增加到1.0，每次增加后跑一段直道观察，直到直道不需要明显修正就能走比较直。

第三种现象是入弯冲出去，通常是速度太快或者检测延迟太高。先降BASE_SPEED到250左右，再检查控制循环里是否有不必要的延时，最后检查传感器安装高度。传感器离地面越高，车头已经压到弯道边缘，偏差才被检测到，晚了那么几十毫秒，车速快一点就救不回来。把高度压到1cm以内，效果立竿见影。

电池电压也会影响手感。我那一版用7.4V锂电池，满电8.4V和快没电7.2V时，同样的PWM占空比实际转速差很多。所以如果你的车是电池供电，正式比赛或演示前一定要充满电，并且所有参数都在相近电压下整定。条件允许的话，在电池和驱动之间加一个稳压模块，能让参数稳定很多。

5.2 换场地不用重新编译：自动阈值标定小技巧

最后分享一个我后来一直沿用的技巧，可以说帮我在比赛现场省了一大半麻烦。传统的阈值标定是在程序里写死一个固定值，比如“大于2000算黑线”。但不同场地、不同灯光下，同一个传感器的读数可能差出500甚至更多。现场重新编译烧录非常费时间，所以我做了一个自动标定模式。

具体做法是：在单片机上留一个按键，长按进入标定模式。此时让小车上的OLED或者串口提示“White Calibration”，把车放到纯白区域，按一下按键，程序记录当前5路ADC最大值的平均；再提示“Black Calibration”，把车放到黑线区域，按一下按键，记录当前5路ADC最小值的平均。标定完成后，程序自动把每路的黑白临界值计算出来，存到全局变量里，退出标定模式就能直接循迹。整个过程大约10秒钟，换场地只需要重新标定一次，完全不需要动代码。

这个思路也可以继续扩展，比如把几个场地的标定值存在Flash里，通过按键切换对应场地编号，但循迹小车这种应用我觉得每次都重新标定反而更可靠，因为环境光照变化是连续且不可预测的。阈值这东西，宁可在现场花10秒重做，也别赌上次的参数还能用。

从最初原地转圈到后来稳定跑完一整圈，我最大的体会是：循迹小车90%的问题都不在算法，而是在传感器标定、接线和供电这些最基础的地方。把底层数据用串口打出来看清楚，再谈控制参数，会顺利得多。如果你正准备做一辆STM32循迹小车，希望这条踩出来的路线能让你少熬几个夜。

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