做这个小车项目的人不少，但大多数教程要么只给单一传感器的示例，要么代码贴出来写了等于没写。这个基于STM32F103的项目把红外循迹、红外避障和超声波测距揉在一起，做成了一套既能沿着黑线跑、又能自动躲障碍的小车，我前后改了三版才跑得像个样子，这里把方案选型、接线、代码实现和踩过的坑一次性整理清楚。不管你是拿它当课程设计，还是想入门嵌入式，或者准备参加小车类比赛，这篇都能帮你少走不少弯路。

1. 项目概览与方案选型

1.1 为什么选STM32F103C8T6：三个理由和一个对比

先解决一个问题：为什么不用Arduino、不用树莓派，偏偏选STM32F103C8T6这块“老古董”？F103C8T6是Cortex-M3内核，主频最高72MHz，Flash 64KB，RAM 20KB。跑一个超声波的测量时序加上两路红外信号处理和差速转向逻辑，资源绰绰有余，价格却只要几块钱。对于学生党和个人项目来说，这是典型的够用就好。

三方面考量比较实在：第一，资料齐全。F103是ST出货量最大的系列之一，寄存器手册、HAL库例程、各种开发板的原理图到处都是，遇到问题搜索一下基本都有答案；第二，学习曲线平滑。从GPIO操作到定时器PWM，再从外部中断到串口调试，整个项目涉及的知识点刚好覆盖嵌入式入门需要掌握的核心模块，做完这个小车，再去做其他单片机项目心里就有底了。第三，5V容忍的IO比较多。F103系列绝大部分普通GPIO都标了FT（5V容忍），意味着可以直接接5V逻辑的传感器模块，不需要额外买电平转换芯片，省事也省钱。

有人会问，树莓派或者ESP32不是更强吗？树莓派跑Linux确实能干更复杂的视觉导航，但电源需求高、启动慢、成本翻好几倍；ESP32主频更高还有WiFi，但做这种硬实时的传感器轮询，F103的裸机中断响应反而是优势。做小车，实时性比算力更宝贵。对于传感器融合这个需求，F103的性能刚好卡在“紧张但够用”的甜点上。

1.2 红外与超声波怎么分工才不算重复造轮子

很多人做避障小车只装一个超声波，跑起来会发现一个很尴尬的问题：超声波模块的探测盲区通常是2到3厘米，等到车头距离障碍物只有两厘米，读回来一个乱跳的数，转向逻辑还没来得及执行就已经撞上了。另一个问题是超声波测距一次要来回十几个毫秒，连续测三次再做滤波，响应速度会明显变慢。

红外传感器正好补齐这两个短板。红外收发对管是近距离检测的能手，车身两侧装两个红外避障模块，专门负责20厘米以内的近距离感知；车底再装两个红外循迹模块，用于黑线检测。这就是整个项目的融合思路：超声波管远，红外管近，各自在最擅长的范围内工作，再通过决策逻辑把信息汇总，而不是简单粗暴地把几个传感器的数据加在一起。

逻辑上分成两个模式来跑。循迹模式下，车底的TCRT5000是主输入，负责跟着黑线走，同时超声波实时检测前方，发现障碍临时避让，绕过去之后继续寻线；纯避障模式下，超声波做前向测距主决策，左右红外做近距离判断，组成分级避让策略。这种“远中近三层感知+双模式复用”的结构，比单独用任何一类传感器都可靠。

1.3 整车架构划分

整个系统可以拆成五个部分：感知层、控制层、执行层、供电层和调试层。感知层包括一个超声波模块和四个红外模块；控制层是STM32F103C8T6最小系统板；执行层是两路电机驱动加两个直流减速电机；供电层用两节18650锂电池串联，经过降压模块输出稳定电压；调试层用OLED屏幕实时显示距离和模式状态，同时通过串口把内部变量打出来。

讲道理，这五个部分单独做都不难，真正考验耐心的是它们组合在一起时出现的各种工程问题——供电干扰、电平不匹配、传感器安装角度、机械结构的重心偏移，每一个坑都能让车跑不起来。下面分章节把这些细节展开说。

2. 传感器选型与硬件接线细节

2.1 TCRT5000循迹模块：原理、接线与电平确认

TCRT5000是光电反射式传感器，模块上有一颗发射管、一颗接收管，外加一个LM393比较器输出数字电平。发射管持续发射红外光，红外光打到地面上会反射回来一部分，接收管收到的反射光强度不同，输出端电平就不同。黑色表面会吸收红外光，反射少，白色表面反射多，所以它天生就能区分黑线和白底。

接线非常简单，VCC接3.3V或5V都可以，GND接地，DO接单片机GPIO。AO口是模拟输出，在有特殊需要时可以用ADC读反射强度，实现灰线检测或阈值自定义。顺带说一句，如果你想更精准地检测不同灰度的线，建议把AO引出来接ADC，后面可以做比例控制，而不是简单的开和关。

重点：不同厂家生产的TCRT5000模块，对“黑线”输出的电平定义可能相反。有的黑线输出高电平，有的黑线输出低电平。接完线先不要写算法，用串口打印读到的GPIO电平，拿一张黑纸在传感器下面划过，确认一下你想要的“检测到黑线”到底对应的哪个值。这个花两分钟确认的动作，能避免后面调试逻辑时怀疑人生。

模块上有一个蓝色电位器，用来调节比较器的参考阈值。顺时针拧到底和逆时针拧到底，探测灵敏度差异非常大，调节原则是：把传感器放在白色地面，调到输出刚好为白地电平，再放到黑线上确认输出翻转，反复几次找到一个临界点。

2.2 HC-SR04测距：时序与电平注意事项

HC-SR04工作原理很简单：给TRIG引脚一个10微秒以上的高电平脉冲，模块内部的电路会发出8个40kHz的超声波脉冲，同时ECHO引脚输出一个高电平，高电平持续的时间就是超声波从发射到接收的往返时间。距离等于时间乘以声速再除以2。

声速在20摄氏度空气里大约每秒340米，换算一下就是0.034厘米每微秒，而超声波是往返的，所以时间要除以2，最终系数是0.017。也就是距离（厘米）= 回波高电平时间（微秒）× 0.017。这个换算关系我刚开始总记错，特别提醒各位：0.034是单程系数，0.017才是往返之后的结果。

HC-SR04用5V供电，回波ECHO输出的高电平最高是5V。F103的GPIO标注为5V容忍，所以直接接到单片机的PB口或者PA口一般没问题。但我建议宁可多一分小心，在ECHO引脚和单片机引脚之间串联一个1k电阻做限流，完全不影响信号读取，就算模块电平特性有差异也不会烧引脚。

安装位置对测量结果影响很大。模块有两个像眼睛一样的探头，发射探头和接收探头要在同一水平线上，正对前方。不要贴地安装，超声波打到地面会乱反射，推荐安装在车头离地5到10厘米的位置，稍微向上仰一点角度，大约10度到15度，这样既能测到前方的障碍物，又不会频繁被地面触发。

2.3 电机驱动与引脚分配

电机驱动有三种常见选择：L298N模块、TB6612模块和DRV8833模块，我实际对比过三者的表现。L298N是老牌方案，功率大，能驱动大电流电机，但压降大，内部的三极管导通损耗让5V稳压输出不稳定，供电久了芯片烫手；TB6612是东芝的MOS管驱动，压降低、体积小，我后期主力用它；DRV8833和TB6612类似，双路驱动，体积更小，适合超迷你小车。对学生项目来说，TB6612是性价比和稳定性最平衡的选择，如果你手里只有L298N也不是不能用，注意别把单片机的5V从L298N上取，电机瞬间抽流会导致单片机复位。

电机控制需要两路PWM（调速）和四个方向GPIO（控制正反转）。方向引脚接H桥的IN1/IN2，逻辑是：IN1高IN2低为正转，IN1低IN2高为反转，IN1和IN2同高同低都算刹车。调速用PWM接STBY或者PWMA/PWMB，注意TB6612有一个STBY引脚，必须拉高芯片才工作，有些人接完线车不动，查半天发现STBY悬空。

我使用的引脚分配表如下，供参考：

一是PB3和PB4默认被JTAG占用，要用它们做普通IO得先关闭JTAG复用功能，这个细节在下一章展开；二是OLED如果加的话用PB6/PB7挂I2C1，或者用软件I2C随便挑两个IO都行。

供电部分是整个项目最容易出问题的地方。两个18650锂电池串联标称7.4V，经过一个低压差降压芯片转成5V给单片机和传感器供电。电机的电源直接接电池正极，但地线与单片机系统共地，否则逻辑电平没有参考点。共地这事怎么强调都不为过：模块地和单片机地必须是同一个地，否则传感器读回来的电平全是乱的。

3. 核心代码实现：从读传感器到自主决策

3.1 初始化必须处理的两个坑：JTAG复用与微秒延时

初始化阶段有两件事要处理干净，不然后面全部白搭。第一件事是PB3/PB4的复用问题。STM32F103上电后，PB3、PB4和PA15默认功能是JTAG引脚，如果直接当普通IO用，读回来的电平始终不对。解决办法是在GPIO初始化之前，把JTAG的调试口关掉，保留SWD下载功能，代码如下：

__HAL_AFIO_REMAP_SWJ_NOJTAG();

这行代码执行后，PB3和PB4才能被当作普通IO使用，同时PA13/PA14两个SWD引脚依然保留，可以继续用调试器下载程序。不写这行的话，你在PB3上焊个传感器，读到的数据永远像在跳大神。

第二件事是微秒级延时。超声波的TRIG引脚要求10微秒的高电平脉冲，回波时间测量精度直接影响距离精度。用HAL_Delay这种毫秒级延时远远不够，必须用微秒级延时。最可靠的办法是用Cortex-M3内核自带的DWT循环计数器，不需要额外占用定时器：

void DWT_Init(void) { CoreDebug->DEMCR |= CoreDebug_DEMCR_TRCENA_Msk; DWT->CYCCNT = 0; DWT->CTRL |= DWT_CTRL_CYCCNTENA_Msk; } void delay_us(uint32_t us) { DWT->CYCCNT = 0; while (DWT->CYCCNT < us * 72); // 系统时钟72MHz，1us = 72个周期 }

第一次用DWT的时候我确认过：CYCCNT是32位计数器，溢出周期大约59.6秒，做单次微秒延时完全不用担心溢出问题。如果你不想用DWT，用SysTick做微秒延时也不是不行，但代码会比这个啰嗦一倍。

GPIO初始化用标准的HAL库函数，方向引脚配成推挽输出，循迹和避障引脚配成上拉输入，PWM输出引脚在MX配置里设置好复用功能。系统时钟通过SystemClock_Config配成72MHz，这行配置可以直接用CubeMX生成，建议别手写时钟树，容易配错导致外设频率不对。

3.2 超声波测距代码：加上滤波才能真正用

一次完整的超声波测距流程可以拆成四个步骤：TL;DR就是拉低TRIG、拉高10us、拉低、等ECHO高电平计时。写成函数如下：

float Get_Ultrasonic_CM(void) { // 1. 触发脉冲 HAL_GPIO_WritePin(TRIG_PORT, TRIG_PIN, GPIO_PIN_RESET); delay_us(5); HAL_GPIO_WritePin(TRIG_PORT, TRIG_PIN, GPIO_PIN_SET); delay_us(12); HAL_GPIO_WritePin(TRIG_PORT, TRIG_PIN, GPIO_PIN_RESET); // 2. 等待ECHO上升沿，超时保护 uint32_t timeout = 0; while (HAL_GPIO_ReadPin(ECHO_PORT, ECHO_PIN) == GPIO_PIN_RESET) { if (++timeout > 30000) return -1; } // 3. 测量高电平持续时间 uint32_t start = DWT->CYCCNT / 72; // 转为微秒 timeout = 0; while (HAL_GPIO_ReadPin(ECHO_PORT, ECHO_PIN) == GPIO_PIN_SET) { if (++timeout > 60000) { start = 0; break; } } uint32_t dt = DWT->CYCCNT / 72 - start; // 4. 超时判断与距离换算 if (dt > 60000) return -1; float dist_cm = dt * 0.017f; return dist_cm; }

这里有两个关键工程细节。第一，等待ECHO上升沿的过程必须加超时保护。当超声波模块前面没有障碍物，或者反射面太远超出量程上限，ECHO会一直保持低电平，如果没有超时保护，程序会卡死在while循环里，小车当场死机。第二，回声高电平时间上限是60毫秒，对应距离大约是1020厘米，但HC-SR04实际量程只有400厘米左右，超过量程的读数直接丢弃，后续逻辑不要使用。

实际跑起来还会发现一个问题：单次测量出来的距离会在原地抖动，同一个静态障碍物连续测五次，可能一次16厘米一次19厘米，这种抖动会让转向逻辑来回犹豫，小车蛇形前进。解决方法是加一个三样本中位值滤波，取三次连续测量的中间值作为有效距离：

float Read_Distance_Filtered(void) { float a = Get_Ultrasonic_CM(); delay_us(80); float b = Get_Ultrasonic_CM(); delay_us(80); float c = Get_Ultrasonic_CM(); if (a < 0) a = 999; if (b < 0) b = 999; if (c < 0) c = 999; // 简单中位：三个数排序取中间 if (a >= b && b >= c) return b; if (a >= c && c >= b) return c; if (b >= a && a >= c) return a; if (b >= c && c >= a) return c; if (c >= a && a >= b) return a; return b; }

注意三次测量之间要有短暂间隔，连续快速触发会让模块内部的电容充放电来不及恢复，导致测量值系统性偏大。间隔80微秒到1毫秒都行，实测差别不大。

3.3 循迹与避障的决策逻辑：先画流程再写代码

写决策之前先把逻辑在纸上画清楚，不然代码写出来一堆if套娃，后面改一个阈值都不知道影响哪个分支。循迹模式的核心判断是四个组合，对应四种情况：左黑右白、左白右黑、双黑、双白。双黑说明两个传感器都压线，也就是车和线的偏差很小，直行；单边压线说明车偏了，差速转弯修回来；双白是最头疼的丢线状态。

循迹控制代码如下：

void Follow_Line(uint8_t L, uint8_t R, float dist) { if (dist > 0 && dist < 20) { // 循迹中前方突然出现障碍，临时左转避让 Set_Speed(80, 200); return; } if (L == BLACK && R == BLACK) { Set_Speed(150, 150); // 正常直线行驶 } else if (L == BLACK && R == WHITE) { Set_Speed(80, 180); // 线偏左，向左修正（右轮快） } else if (L == WHITE && R == BLACK) { Set_Speed(180, 80); // 线偏右，向右修正（左轮快） } else { Set_Speed(120, -120); // 双白丢线，原地旋转找线 } }

再说一次方向逻辑：Set_Speed(左轮速度，右轮速度)，速度范围 -255到255，正数前进负数后退。左轮慢右轮快，车的转弯方向是向左，所以左传感器压线（线在左边），用左慢右快的差速修正，这里的方向很容易搞反，我当时就是反了一次之后把所有注释都标好才记住。

避障模式采用三级决策，核心是优先级判断：前方安全距离大于30厘米，直线行驶；前方20到30厘米，减速警戒；前方小于20厘米，结合左右红外判断往哪边转。判断原则是选择有空间的一侧转弯，两边都有障碍就原地掉头：

void Avoid_Obstacle(float dist, uint8_t obsL, uint8_t obsR) { if (dist < 0) { Set_Speed(0, 0); return; } if (dist < 15) { if (obsL == 0 && obsR == 1) { Set_Speed(120, 220); // 右侧堵，左侧有空，左转 } else if (obsL == 1 && obsR == 0) { Set_Speed(220, 120); // 左侧堵，右侧有空，右转 } else if (obsL == 0 && obsR == 0) { Set_Speed(150, 200); // 两边都空，优先左转绕行 } else { Set_Speed(200, -200); // 两侧都堵，原地掉头 } } else if (dist < 30) { Set_Speed(100, 100); // 警戒距离，减速直行 } else { if (obsL == 0 && obsR == 1) { Set_Speed(180, 200); // 左侧障碍，轻微右偏 } else if (obsL == 1 && obsR == 0) { Set_Speed(200, 180); // 右侧障碍，轻微左偏 } else { Set_Speed(200, 200); // 安全，全速直行 } } }

这里obsL和obsR指的是左右红外避障模块的检测结果，检测到障碍物定义为1，没检测到定义为0。具体电平取决于你的模块，有的模块障碍物输出低电平，串口一测就知道了。注意15厘米这个阈值和车身宽度相关，如果小车比较宽，要提前到20厘米，不然转向过程中车身侧边会蹭到障碍物。

主循环里所有逻辑每50毫秒执行一次，这个时间比超声波单次测量周期（大约20到30毫秒）稍长，既保证响应及时，又不会因为频繁切换方向让电机抖动。主循环代码结构如下：

while (1) { float dist = Read_Distance_Filtered(); uint8_t L = Read_Line_Left(); uint8_t R = Read_Line_Right(); uint8_t obsL = Read_IR_Left(); uint8_t obsR = Read_IR_Right(); if (mode == LINE_MODE) { Follow_Line(L, R, dist); } else { Avoid_Obstacle(dist, obsL, obsR); } // OLED刷新 + 串口调试数据 HAL_Delay(50); }

3.4 模式切换和OLED调试：让状态看得见

两种模式之间通过一个按键切换，按键接PC14配置为外部中断，按下时翻转模式变量。如果不用外部中断，在主循环里做一个按键消抖轮询也可以，就是响应会慢一点点。代码如下：

void HAL_GPIO_EXTI_Callback(uint16_t GPIO_Pin) { if (GPIO_Pin == KEY_PIN) { delay_us(20000); // 简单消抖，实际建议改用定时器计数消抖 while (HAL_GPIO_ReadPin(KEY_PORT, KEY_PIN) == GPIO_PIN_RESET); mode = !mode; OLED_Show_String(0, 0, mode ? "Avoid Mode" : "Line Mode"); } }

调试信息输出我强烈建议加一块OLED屏幕。OLED0.96寸屏幕用软件模拟I2C驱动，只需要两根IO线，实时显示当前距离和传感器状态。调传感器位置、调电位器阈值的时候，不用每次插线连电脑看串口，低头看屏幕就够。串口还是要保留，作为第二通道打印详细变量，比如三个红外逐次读到的电平变化，方便分析传感器是不是时好时坏。

我的调试界面简单到不能再简单：第一行显示模式，第二行显示距离值和滤波前后的对比，第三行显示四个红外电平，第四行显示左右电机的PWM占空比。看到数据再调参数，效率比改一行编译一次高不知道多少。

4. 实测调参与常见问题排查

4.1 红外阈值标定：用串口打印代替瞎猜电位器

调红外传感器的阈值电位器是最容易烦的环节。一开始我都是凭感觉拧，拧几圈之后发现黑线和白地识别混乱，要么全黑要么全白。后来学乖了：先把传感器固定好，接好线，在串口里打印数字输出，然后拿一块黑色电工胶带贴在地面，传感器在黑白交界处来回移动，眼睛盯着串口输出，手动调电位器，直到边界翻转干净利落。

有一个好用的判断标准：白色地面输出一个稳定电平，黑色胶带输出另一个稳定电平，两者边界切换时没有抖动和毛刺。如果边界处电平跳来跳去出现几十毫秒的抖动，说明阈值太接近边界值了。往前调一点，让白地更稳定，别让黑线稍微脏一点就触发误判。

循迹传感器安装间距也有讲究。两个传感器之间的距离要略小于黑线的宽度，安装高度保持1到2厘米，太远反射光衰减厉害，太近容易被地面划伤。实际装车之后建议跑几次直线，观察小车是不是偏航，如果偏航就微调左右两个传感器的安装位置，把机械偏差消除掉。

4.2 常见故障速查表：复现最多的问题汇总

我把这个项目调试过程中遇到的问题整理成一个表格，后面做类似项目的朋友可以对照排查：

第四个和第五个问题在循迹小车里出现频率最高。蛇形走和丢线，基本都是差速参数和安装间距不对。我的经验是先调机械，再调软件，最后调参数。顺序错了会越调越乱。

4.3 下一步优化：从开关量到连续量的融合

这个项目做完之后如果想继续进阶，有几个明确的方向。第一个方向是循迹从开关量升级到连续量。TCRT5000的AO口输出模拟电压，通过ADC读回，可以得到传感器距离黑线的偏移量，然后把这个偏移量作为比例项输入PWM控制，转向就会平滑很多，不再是一档一档的开关切换。

第二个方向是给超声波加舵机云台。用一个SG90舵机带动超声波模块左右转动，测量前方三个角度的距离，分别是左45度、正前方、右45度。避障决策从简单的左右二选一变成三方向最优选择，小车能绕开一些更复杂的障碍布局。

第三个方向是引入闭环速度控制。在电机后面加装霍尔编码器，读取实际转速，通过PID控制器让两个轮子的速度精确匹配。循迹和避障的性能都会上一个台阶，但这个改动会明显增加代码复杂度，建议先把开环逻辑吃透再上闭环。

第四个方向是状态机重构。把循迹中、避障中、脱困中、停止作为四个显式状态，通过事件触发状态迁移，而不是在函数里层层嵌套if。状态机的优点是每个状态内逻辑清晰，出问题好定位。适合在代码规模超过200行之后做。

从传感器融合的角度讲，还可以尝试加权融合。比如近距离数据以红外为主，超声波为辅；远距离反过来。两种传感器测同一方向时，按可信度加权平均。对于F103来说，这点计算量完全不是问题。

最后再分享一个习惯

这个项目真正做到最后，我最深的体会是传感器不是拿来就能用的，每个模块都有它的性格。HC-SR04怕盲区怕干扰，TCRT5000怕环境光怕安装位置偏，电机怕供电波动，每个坑都是单独跑才能发现。做硬件项目最忌讳的就是直接上完整逻辑，然后发现跑不起来不知道从哪查起。我后来的做法是先让每个传感器单独工作，串口打印原始值，确认数据和手册对上了，再开始写融合逻辑。这个过程多花了一个晚上，但之后几乎没遇到找不出原因的毛病。

做智能小车这个项目，最有价值的不是小车最后跑得有多顺，而是把“数据采集-数据处理-执行控制”这条链路的每一步都在真实物理环境里验证过一遍。这套思路放到任何单片机项目里都通用。