循迹小车从检测到控制：红外对管、差速PWM与PID调参全解析

简介：围绕P89V51RB2单片机的循迹小车实验报告，是一份面向电气工程与自动化学院学生的课程设计实践资料，完整展示了从系统总体设计、硬件电路搭建到软件驱动编写与整机调试的全过程。报告以三轮小车为平台，讲解红外探测法识别黑线、PWM控制电机调速、光电编码器测速以及超声波测距与LCD1602显示等关键模块，尤其适合单片机入门者参考电路设计与代码实现思路。压缩包内为1个PDF文件，整体大小约1.53MB，内容包含绪论、系统总体设计、硬件设计、软件设计、系统调试与结束语等章节，目录结构清晰。已有219人学习下载，可作为嵌入式技术实践、智能车竞赛备赛或相关课程设计的参考资料。

1. 拿到“循迹小车实验报告.pdf”这个标题时，先别急着补文档，很多问题出在车上

实验报告一般最后才写，但循迹小车这个项目真正卡的从来不是排版，而是车为什么跑不稳。红外对管装好了、电机能转、代码烧进去了，结果小车在直道上画龙，过一个锐角弯直接冲出去。这份报告的核心是把“循迹”这件事讲清楚：传感器怎么判断黑线、单片机怎么决定左右轮转速差、参数为什么这么设。本文面向正在做单片机课程设计、蓝桥杯备赛或刚接触 STC/STM32 小车控制的人，用可复现的代码和参数把循迹的检测、转向、调速三个环节走一遍，最后给出整车验证顺序和最容易翻车的边界情况。报告内容可以之后再填，但车要先能跑。

2. 循迹小车怎么“看见”黑线：红外对管与检测判据

2.1 两种常见循迹方案的读数差异

循迹小车的“眼睛”通常有两大类。第一类是红外对管，由红外发射管和接收管组成，发射管持续发出红外光，接收管接收反射回来的光强。地面是白色时反射强，接收管导通，输出低电平；地面是黑色时吸收红外光，反射弱，输出高电平。这种方案输出的是数字量，单片机只要读 I/O 口的电平即可，成本低、代码简单，是 51 单片机循迹小车最常见的配置。

第二类是灰度传感器，原理类似但输出模拟量，能区分不同灰度的颜色。它带来的好处是可以做“阈值自适应”，在光线变化的环境里通过算法自动调整判定标准，但需要单片机有 ADC。STC89C52 这类基础 51 芯片不带 ADC，要用 ADC 得外挂芯片或换 STC12 系列、STM32。做课设的话，我一般建议先上红外对管把逻辑跑通，再考虑灰度方案。

2.2 STC89C52 读取两路红外对管的代码与电平逻辑

下面是一段用 STC89C52（属于 STC 单片机家族）驱动两路红外对管的最小代码。硬件接线约定：左传感器接 P1.0，右传感器接 P1.1，传感器模块上的 VCC 接 5V，GND 接地，OUT 接 I/O 口。绝大多数市售红外对管模块自带比较器（如 LM393），输出已经是数字电平，不需要再加 ADC。

#include <REGX52.H> sbit LeftSensor = P1^0; // 左传感器输出引脚 sbit RightSensor = P1^1; // 右传感器输出引脚 // 电机控制引脚 sbit LeftMotorDir = P2^0; sbit RightMotorDir = P2^1; void Motor_Stop(void) { LeftMotorDir = 0; RightMotorDir = 0; } unsigned char Read_Sensor_State(void) { unsigned char state = 0; // 状态位定义：bit1 = left, bit0 = right // 1 表示检测到黑线（输出高电平），0 表示白地 if (LeftSensor == 1) state |= 0x02; if (RightSensor == 1) state |= 0x01; return state; } void main(void) { unsigned char sensor; while (1) { sensor = Read_Sensor_State(); switch (sensor) { case 0x00: Motor_Stop(); break; // 两路都在白地，停车或直行 case 0x02: // 只有左边压线 -> 右转 LeftMotorDir = 1; RightMotorDir = 0; break; case 0x01: // 只有右边压线 -> 左转 LeftMotorDir = 0; RightMotorDir = 1; break; case 0x03: // 两路都压线 -> 直行 LeftMotorDir = 1; RightMotorDir = 1; break; } } }

这里先解释状态位的判定逻辑。红外对管模块在检测到黑线时输出高电平，所以if (LeftSensor == 1)意味着左传感器正压在黑线上。0x02表示左黑右白，车应该往右打方向；0x01反之；0x03两路同时压线，说明车头正对黑线，直行即可。注意 I/O 口若没有内部上拉，需要在模块 OUT 和 VCC 之间接一个 10k 上拉电阻，否则电平会漂浮导致误判。

这段代码的价值在于把“循迹”抽象成了状态查表，之后无论加几路传感器，都只是扩展状态位而已。缺点是左右轮转速一样，转向幅度不可调，弯道稍急就会冲出赛道，所以实际项目中要引入占空比控制。

2.3 传感器布局间距与高度对循迹的影响

布局是实验报告里最容易被忽略的一节。两个传感器的间距如果只有 2~3cm，小车在直道上轻微晃动就会导致两路同时脱离黑线，进入未知状态；如果间距拉到 8cm 以上，遇到小角度弯道时可能两边都没压到线，车就“瞎”了。我一般把间距设为黑线宽度的 1.2~1.5 倍，标准 PVC 胶带宽度约 2cm，传感器间距取 3~4cm 比较稳妥。

传感器离地高度同样关键。模块底部的红外发射管和接收管是斜对射设计，离地太近（小于 0.5cm）时接收管只能收到很少的反射光，白地和黑线的电平差变小；离地太远（大于 3cm）时红外光扩散，黑线也反射部分红外光，同样难区分。2cm 左右是最佳工作距离，这个可以直接写进实验报告的“实验条件”部分。调传感器上的蓝色电位器可以改变灵敏度阈值，顺时针旋转让判定更敏感，但过度敏感会把细微污渍也当成黑线，此消彼长需要实测。

3. 直道加速弯道减速：差速控制的 PWM 调参

3.1 两轮差速的基本公式与转向策略调整

只靠电平切换转向是“开关量控制”，车在直道上左右摇摆，过弯时内侧轮和外侧轮转速相同，转弯半径完全由摩擦力决定，很难跑出稳定的轨迹。要让循迹小车跑得平稳，需要用 PWM 独立控制左右电机的占空比，实现差速。差速的核心公式很简单：直线时左右占空比相等，转弯时一侧减速、另一侧保持或略微升速，转速差越大转弯半径越小。

转向策略分两步设计。第一步是“主从轮”，以弯道内侧轮为减速对象，外侧轮保持直行速度。第二步是“速度补偿”，如果发现外侧轮在急弯时速度下降（电池电压跌落导致），就把它稍微提高。开环阶段不需要编码器，直接给固定占空比就能跑。下面用 STM32F103C8T6 的定时器输出 PWM 来演示，因为 STM32 循迹小车普及率很高，且可以用定时器同时输出两路频率相同的 PWM。

3.2 用 STM32 输出 PWM 实现差速的最小配置

// 使用 TIM2 的 CH1(PA0) 和 CH2(PA1) 输出 PWM，频率 1kHz #include "stm32f10x.h" void PWM_Init(void) { GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure; TIM_TimeBaseInitTypeDef TIM_TimeBaseStructure; TIM_OCInitTypeDef TIM_OCInitStructure; RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA, ENABLE); RCC_APB1PeriphClockCmd(RCC_APB1Periph_TIM2, ENABLE); GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_0 | GPIO_Pin_1; GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AF_PP; // 复用推挽输出 GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz; GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure); TIM_TimeBaseStructure.TIM_Prescaler = 72 - 1; // 72MHz/72 = 1MHz TIM_TimeBaseStructure.TIM_Period = 1000 - 1; // 1MHz/1000 = 1kHz TIM_TimeBaseStructure.TIM_ClockDivision = 0; TIM_TimeBaseStructure.TIM_CounterMode = TIM_CounterMode_Up; TIM_TimeBaseInit(TIM2, &TIM_TimeBaseStructure); // 两路 PWM 模式 1，初始占空比 0 TIM_OCInitStructure.TIM_OCMode = TIM_OCMode_PWM1; TIM_OCInitStructure.TIM_OutputState = TIM_OutputState_Enable; TIM_OCInitStructure.TIM_Pulse = 0; TIM_OCInitStructure.TIM_OCPolarity = TIM_OCPolarity_High; TIM_OC1Init(TIM2, &TIM_OCInitStructure); TIM_OC2Init(TIM2, &TIM_OCInitStructure); TIM_OC1PreloadConfig(TIM2, TIM_OCPreload_Enable); TIM_OC2PreloadConfig(TIM2, TIM_OCPreload_Enable); TIM_ARRPreloadConfig(TIM2, ENABLE); TIM_Cmd(TIM2, ENABLE); } // 左轮占空比 left_duty，右轮占空比 right_duty，范围 0~999 void Motor_SetDuty(uint16_t left_duty, uint16_t right_duty) { TIM_SetCompare1(TIM2, left_duty); TIM_SetCompare2(TIM2, right_duty); }

这段配置的逻辑是：先将 72MHz 系统时钟分频到 1MHz，再设置自动重装载值为 1000，最终得到 1kHz 的 PWM 频率。TIM_SetCompare1设置的是占空比数值，999 对应 99.9% 占空比，0 对应停机。PWM 频率选择 1kHz 是折中方案——电机驱动芯片（如 L298N、TB6612）响应这个频率没问题，也不容易产生人耳可闻的啸叫。

参数设置上有一个关键点：占空比不能直接等于目标速度。以 TB6612 为例，2.5V 的电机驱动电压大约对应 50% 占空比，但电机存在死区电压，占空比低于某个值（约 20%）时电机根本不会转。所以实际控制时要给一个基础占空比，比如直线巡航是 55%，转弯时内侧降到 30%，外侧提高到 65%，这样内外轮的转速差就能形成明显的转向力。

3.3 差速转向参数表与实测调整顺序

调整顺序有讲究。先把直道占空比两边调到跑得直，此时如果发现车总往左偏，说明左轮摩擦力大或电机负载高，将左轮占空比加 20~30 即可。然后再调急弯参数，观察入弯时车头是否冲出白线，冲出就是内侧减速不够狠或打晚了。这里我建议用“先慢后快”的调法，把直线占空比降到 400，等急弯能稳定过再逐步升回 550。

3.4 编码器测速在这个阶段可以先不做

热词里频繁出现“单片机小车测速”“编码器测速”，但对循迹小车来说，编码器不是启动阶段必须的。开环 PWM 控制的问题是电池电压随放电下降，同样占空比下电机会越跑越慢，弯道参数会逐渐失效。如果实验报告需要有“速度闭环”这一节，可以用霍尔编码器加定时器输入捕获来测轮速，然后用 PID 把速度稳住。但这是第二个迭代版本的内容，先把开环跑通、拿到一组稳定的占空比参数，再谈闭环，代码复杂度会低很多。

4. 跑得稳不等于跑得快：阈值自适应与转向收敛

4.1 环境光变化下的动态阈值算法

红外对管最怕的不是黑线不明显，而是环境光变化。早上十点的阳光和傍晚五点的夕阳，会让同一块白地的反射电平差 0.5V 以上。固定电压阈值只在一段时间内有效，拉上窗帘和拉开窗帘完全是两种表现。常见的做法是用滑动窗口动态求阈值：单片机定期采样红外对管的模拟量（如果是 STM32 可以直接用 ADC），维护最近 N 个采样值的数组，取最大值和最小值的中间值作为当前判定阈值。

#define SAMPLE_SIZE 10 uint16_t samples[SAMPLE_SIZE]; uint8_t sample_index = 0; // 更新滑动窗口并返回当前阈值 uint16_t update_threshold(uint16_t current_value) { uint16_t max_val = 0, min_val = 0xFFFF; uint8_t i; samples[sample_index] = current_value; sample_index = (sample_index + 1) % SAMPLE_SIZE; for (i = 0; i < SAMPLE_SIZE; i++) { if (samples[i] > max_val) max_val = samples[i]; if (samples[i] < min_val) min_val = samples[i]; } // 阈值取中间值，也可用 (max+min)/2 return (max_val + min_val) / 2; }

这段代码的计算开销很小，10 个元素的扫描在 72MHz 主频下不超过几微秒，不会影响控制周期。这里需要说明的是窗口大小的选择：窗口太小（比如 3），阈值会跟着瞬时噪声乱跳；窗口太大（比如 50），光线变化时阈值响应太慢，车已经跑偏了还没更新过来。10 到 20 是常用区间。滑窗法不要求传感器输出模拟量，数字量也可以做——把多次采样的 0/1 结果累加，超过一半算黑线，相当于一个软件滤波器，不过对光线变化的适应能力不如模拟量阈值方案。

4.2 积分分离 PID 用于转向修正量

开关量转向的局限是“要么全转、要么不转”，在直道上容易出现小幅度摇摆。引入 PID 后，传感器的状态不再只是“压线/没压线”，而是一个误差量。比如五路传感器，把每个传感器的位置加权成线形误差值：左侧传感器权重 -2，左侧中路 -1，中间为 0，右侧中路 +1，右侧 +2，误差越大说明偏离黑线越远。控制目标是让误差收敛到 0，输出量是左右轮的占空比修正量。

循迹小车建议用增量式 PID 或积分分离 PID，因为普通 PID 的积分项容易让车在过弯时产生严重的滞后超调，出弯后还在继续加大转向。积分分离的意思很简单：偏差大于某个阈值时关闭积分项，防止积分饱和；偏差小的时候再恢复积分，用来消除稳差。

float kp = 0.8f, ki = 0.08f, kd = 0.6f; float integral, last_error, output; float pid_calc(float error, float threshold) { float p_term, i_term, d_term; p_term = kp * error; if (error > threshold || error < -threshold) { // 偏差过大，关闭积分，防止过冲 integral = 0; i_term = 0; } else { integral += error; if (integral > 50) integral = 50; // 积分限幅 if (integral < -50) integral = -50; i_term = ki * integral; } d_term = kd * (error - last_error); last_error = error; output = p_term + i_term + d_term; if (output > 300) output = 300; // 输出限幅 if (output < -300) output = -300; return output; } // 假设基础占空比 base_duty = 550，误差左偏为负，右偏为正 // left_duty = base_duty - output; // right_duty = base_duty + output;

上面的代码没有使用固定的 sin 或查表函数，所有计算都是浮点运算，在 STM32F103 上没有任何压力。但如果用的是 STC89C52，浮点 PID 计算会拖慢主循环，此时需要改成定点数或者把 kp、ki、kd 放大 100 倍用整数算。参数说明：kp决定转向力度，直道上太小会让车“找不到线”，太大又会在两个传感器之间来回弹跳；kd提供阻尼，抑制过冲；ki在循迹中通常只起微调作用，取kp的十分之一到二十分之一。

4.3 参数调整顺序：先 P 再 D 后 I

PID 调参有个直接的顺序，我一般按这个流程做，能节省不少时间。先把ki和kd设为 0，只保留kp，从小值慢慢加大，观察小车过弯时能不能跟上黑线。当车在线两侧出现规律性振荡时，说明kp已到边界，此时加入kd消除振荡。最后再加ki，并且只在小车直道上存在固定偏移时使用。

一个容易被忽略的细节是 PID 的控制周期。PWM 输出是 1kHz，但 PID 计算不需要那么频繁，10ms 到 20ms 计算一次就够了。如果每毫秒都算，微小的误差变化会被微分项放大，产生高频抖动。用定时器产生 100Hz 中断，在中断里做 PID 计算，主循环只负责显示或通信，结构会清爽很多。

5. 整车验证顺序与最有用的一个小技巧

5.1 从上电到连续过弯的测试顺序

拿到一套新组装的循迹小车，不要急着上赛道。按下面的顺序逐级验证，每一级过了再进下一级，能在十分钟内定位到具体问题。

1. 传感器方向检测：用白纸和黑胶带分别放在传感器下方，确认输出电平与预期一致，若不正确，交换模块接线或改代码中的极性判断。
2. 电机方向检测：左右轮分别短时给 30% 占空比，确认两个轮子的旋转方向都向前，否则交换电机线，之后不要动它。
3. 直道测试：在 1 米长的黑线直道上运行，记录偏移方向和摆动幅度，只调直道基础占空比。
4. 单弯测试：先跑 30 度缓弯，再跑 60 度中弯，最后加 90 度直角弯，每个弯道类型单独记录过弯成功率。
5. 连续 S 弯测试：把 S 弯间距设置为小车长度的 1.5 倍，检验转向收敛性，这步是对 PID 参数的最终验收。

5.2 一个提高过弯成功率的实用技巧：弯前减速

我发现很多小车不是转向能力不够，而是速度太快导致传感器还没看到线就已经冲过去了。简单的办法是给传感器加“前瞻”：在车头前方 3~5cm 处再加一排传感器，提前感知弯道方向，单片机在处理时优先响应前瞻传感器的数据，相当于提前一个车身距离决定转向策略。这样做的机械成本只是一两个传感器模块，代码上只需在读传感器时多读几个 I/O 口，再用一个简单的优先级判断即可。

有一个在蓝桥杯单片机和 STC 单片机项目中很实用的做法：在循迹主循环里加一个“弯道检测”逻辑，当两路辅助传感器中的任何一路压线时，就把基础占空比从 550 降到 400，同时加大转向修正量。这本质上是给转向控制加了一个前馈路径，比单纯调 PID 更直接，也让整车的速度上限提升不少。

5.3 十字路口、起跑线和电池电压这三个边界

项目收尾前还需要处理几个容易翻车的边界场景。十字路口的特征是底部四路传感器同时压线，此时如果执行“全部压线=直行”的逻辑会直接冲过路口，但在需要计数转弯的场景下会出问题。常见做法是检测到四路同时为 1 时启动计数器，根据后续状态变化决定是直行还是转固定角度。起跑线检测则简单一些，只需加一个独立的光电开关或霍尔传感器，在车轮压到起跑线时触发停车信号即可。电池电压的影响用经验值处理：4 节 5 号电池供电时，新电池电压约 6.2V，占空比 500 对应的转速在电压降到 5.4V 时会下降约 15%，如果实验中换过电池，参数要重新校验。

本文还有配套的精品资源，点击获取