零知派——STM32智能小车系列教程（三）：红外双目跟随模块原理与调试
引言：智能小车要实现的功能很多——避障、跟随、贴边、灭火、直线行驶，每一个模块单独调试起来都有自己的难点。如果一开始就把所有模块塞进一个工程里联调，出了问题很难分清到底是传感器硬件的问题、电平极性的问题，还是上层控制算法的问题所以这一系列教程的思路是：先把每个功能模块单独拎出来，配一个不依赖其他硬件的最小测试程序，把模块本身调通调透，再回头看它在完整项目里是怎么被使用的
目录
一、引言
二、红外对射传感器硬件原理
2.2 原理图讲解三、硬件接线说明
3.1 红外跟随模块引脚定义3.2 接线方案表3.3 连接示意图四、独立测试程序
五、调试流程演示
5.1 测试流程5.2 演示视频六、项目跟随功能实现
6.1 IRSensor底层感知层6.2 FollowBehavior跟随状态机6.3 系统流程图七、常见问题解答（FAQ）
Q1：传感器接好了，跟随时小车原地转但不追目标，是什么问题？Q2：红外传感器在阳光下失效怎么办？
一、引言
在前两篇教程里，我们把循迹传感器和超声波云台都调通了，这一篇讲红外双目跟随——用两个固定在车头左右两侧的红外对射传感器，让小车识别目标方向，像影子一样跟在目标后面走，相比超声波云台，双目红外跟随的优势在：
[*]响应速度极快：毫秒级，无需舵机扫描等待
[*]电路简单、成本极低：只需读两个GPIO电平
劣势是探测距离短（2~30cm可调）、无法测量具体距离、对高反射率目标（白色物体）更灵敏。正是因为这个特性，在本项目里这两个模块同时承担了两个角色：跟随模式（G命令）用于追踪目标，避障模式（B命令）的辅助IR用于检测45°斜前方近距离障碍
这篇教程会把传感器原理、模块电路、跟随算法设计、调试过程和遇到的坑都完整梳理一遍，包括项目里这个模块走弯路的调试历程
这个系列教程拆成以下几篇：
篇次内容
第一篇（已完成） 五路循迹模块（TCRT5000 + LM393/LM339）
第二篇（已完成）HC-SR04 超声波测距 + SG90 舵机云台三模式应用
第三篇（本文）红外双目跟随模块（红外避障对管）
第四篇霍尔编码器测速与直线行驶 PID（含 PID 自整定）
第五篇DHT11 温湿度、火焰传感器、风扇灭火模块
第六篇蓝牙/串口双通道通信协议设计
终篇整车项目架构总览，把前面六篇串起来讲整体设计思路
二、红外对射传感器硬件原理 红外双目跟随模块使用的是主动式红外避障传感器，每个传感器内部集成了一个红外发射管（发射红外光）和一个红外接收管（接收反射回来的红外光）
2.1 红外发射+光电接收
红外跟随模块红外发射器与光电三极管集成在一起，适用于近接检测和反射传感
https://file1.elecfans.com/web3/M00/67/F2/wKgZO2pB3tqAPcD6AAAr9DhC5Co693.png
[*]红外发射管是由红外发光二极管组成发光体，用红外辐射效率高的材料（常用砷化镓）制成 PN 结，正向偏压向 PN 结注入电流激发红外光
[*]红外接收管则是将红外线光信号变成电信号的半导体器件，其核心部件是一个特殊材料的 PN 结，随着红外光强度的增加，电流也随之增大
①核心检测原理
① 发射管持续发出 940nm 红外脉冲光 → ② 目标物体反射红外光（反射率与目标材质、颜色相关） → ③ 接收管检测反射光强度 → LM393 比较器将模拟信号转为数字电平输出
https://file1.elecfans.com/web3/M00/67/F2/wKgZO2pB3uOAOc1CAAbK9gUFHWE640.png不同表面对红外光的反射特性：
表面特性红外反射接收管状态输出电平
浅色/光滑表面 强反射导通 LOW（检测到物体）
深色/粗糙表面弱反射/吸收 截止HIGH（未检测到）
黑色物体几乎吸收截止HIGH（未检测到）
②输出电平与检测状态
当探测到障碍物在检测范围内时，模块会输出低电平（LOW）。该模块检测距离为 2~30cm，检测角度 35°，距离可通过电位器调节
https://file1.elecfans.com/web3/M00/67/F2/wKgZO2pB3uyAFi-cAAID1inDCME880.png注意：不同厂家、不同批次的模块，输出电平与检测状态的对应关系可能相反。本项目实测确认：检测到物体 → 输出 LOW（0），无物体 → 输出 HIGH（1）
③LM393 比较器
LM393 是一款双差分比较器 IC，内部包含两个独立的运算放大器（比较器）。比较器对两路输入电压进行比较，判断哪路更大，然后给出输出
https://file1.elecfans.com/web3/M00/67/F3/wKgZPGpB3vWAf2MNAABifWvF_FI985.png比较电压工作原理
[*]当同相输入端（+） 电压高于反相输入端（-）电压时，比较器输出高电平。
[*]当同相输入端（+）电压低于反相输入端（-）电压时，比较器输出低电平
比较器内部电路解析
晶体管Q1、Q2（绿色）构成同相输入端的输入级。反相输入端的输入级由晶体管Q3、Q4（黄色）组成。晶体管Q5、Q6（灰色）用作电流镜。晶体管Q7、Q8（红色）为开关级
https://file1.elecfans.com/web3/M00/67/F3/wKgZPGpB3v-AaGU6AAkdarPJLLk192.png
[*]各级晶体管均由恒流源供电、一旦同相输入端（+）的输入电压高于反相输入端（-）的电压，比较器输出端的晶体管（Q8）就会截止
[*]若通过电阻（RL）为输出端提供5伏电压，即可引出高电平脉冲、同相输入端电压等于或低于反相输入端电压，输出端晶体管导通，比较器输出端向电源负电位侧切换，此时可引出低电平脉冲
电压变化发生在反相输入端还是同相输入端，对开关功能没有影响。唯一关键的因素是两个输入端之间的电压差值。各类开关示例中，将不同的电压变化情况（蓝色箭头）分开展示：
（1）同相输入端电压上升
https://file1.elecfans.com/web3/M00/67/F2/wKgZO2pB3wuARuIqAAciC46bH7c180.png同相输入端电压升高会使输出端电压随之升高
（2）同相输入端的电压降低
https://file1.elecfans.com/web3/M00/67/F2/wKgZO2pB3xaAWlAlAAgtvJjj9ls569.png同相输入端产生电压降会使输出端出现电压降
（3）反相输入端电压上升
https://file1.elecfans.com/web3/M00/67/F4/wKgZPGpB3y-AKY8jAAgvIcei8bw335.png反相输入端电压升高会使输出端电压降低
（4）反相输入端的电压降低
https://file1.elecfans.com/web3/M00/67/F4/wKgZPGpB30KAdggoAAcimFFH3ZQ425.png同相输入端产生电压压降时，输出端也会出现电压压降
④电位器调节
模块上那颗 蓝色方形可调3362电位器，本质上是 可调分压器——旋转旋钮改变分压比例，从而改变送入 LM393 比较器的参考电压（阈值）
调节效果：
调节方向参考电压变化检测距离变化
顺时针旋转 阈值降低 检测距离增大（更灵敏）
逆时针旋转阈值升高检测距离减小（更不灵敏）
实际调试方法：
[*]将模块正对目标物体（如手掌），距离约 10~15cm
[*]慢慢旋转电位器，观察模块上的状态指示灯
[*]找到指示灯刚好点亮（或熄灭）的临界点
[*]再往灵敏方向回调一点点
两个模块需要分别调节，因为每个模块的电位器是独立的，灵敏度和检测距离不会自动一致
2.2 原理图讲解①单路 红外跟随电路
典型的 IR333 + PT333 + LM393 红外避障模块单路原理图
https://file1.elecfans.com/web3/M00/67/F2/wKgZO2pB3zuAAg8WAAw-Q0GirVU950.png
元件作用
100Ω限流电阻R3限制 IR333发射管电流，通常 100Ω ~ 200Ω
10KΩ上拉电阻R5LM393 集电极开路输出需要上拉到 VCC，通常 10kΩ
10kΩ电位器R2调节比较器参考阈值电压，通常 10kΩ 3362型
②探测逻辑
两个红外传感器在车头两侧呈八字形安装：
左传感器检测到目标意味着目标在左侧，小车应该左转对准；右传感器检测到目标意味着目标在右侧，小车应该右转对准
左传感器右传感器判断结果执行动作
检测到（LOW）未检测（HIGH）目标在左侧左转
未检测（HIGH） 检测到（LOW） 目标在右侧 右转
检测到（LOW）检测到（LOW）目标在正前方停车（目标已近）
未检测（HIGH）未检测（HIGH）目标丢失原地旋转搜索
如果方向反了，小车会朝着远离目标的方向转，永远跟不住
三、硬件接线说明3.1 红外跟随模块引脚定义本项目跟随模块的引脚定义（与 pinsdefine.h 一致）
传感器位置引脚号代码定义
左侧IR模块 21ServoPWM3
右侧IR模块24ServoPWM4
注意：这两个引脚虽然命名为 ServoPWM3/4，但在本项目中被复用为红外传感器的信号输入引脚
3.2 接线方案表每个红外跟随模块有 3个引脚：
模块引脚零知派迷你板引脚说明
左红外传感器 VCC 5V电源正极
左红外传感器GNDGND电源地
左红外传感器OUTD21（ServoPWM3） 信号输出
右红外传感器VCC5V电源正极
右红外传感器GNDGND电源地
右红外传感器OUTD24（ServoPWM4）信号输出
3.3 连接示意图https://file1.elecfans.com/web3/M00/67/F4/wKgZPGpB316ATvDTAAcuWz2Ad4c333.png左侧传感器（直插小车扩展板——舵机接口 PWM3）和右侧传感器（直插小车扩展板——舵机接口 PWM4）接反后，代码里 lIR 和 rIR 含义会颠倒，导致目标在右侧时车向左转。如果跟随方向错误，第一步先用独立测试程序确认左右传感器方向是否正确，再排查代码
四、独立测试程序下面这个程序只依赖两个红外传感器，不需要电机、超声波等其他模块，在接入整车工程之前，先用这个程序独立验证传感器的方向和灵敏度/**************************************************************************************
* 文件: IR_Follow_Standalone_Test.ino
* 作者：零知实验室（深圳市在芯间科技有限公司）
* 功能：红外双目跟随模块 独立测试程序
* 引脚定义与主项目 pinsdefine.h 完全一致
*
* 使用方法：
* 1. 烧录本程序到零知派迷你板
* 2. 打开串口监视器，波特率115200
* 3. 用手或物体在左右传感器前方移动
* 4. 观察串口输出的检测状态变化
* 5. 通过电位器调节每个传感器的检测距离
**************************************************************************************/
#define IR_LEFT_PIN 21 // ServoPWM3
#define IR_RIGHT_PIN24 // ServoPWM4
void setup()
{
Serial.begin(115200);
delay(200);
pinMode(IR_LEFT_PIN, INPUT_PULLUP);
pinMode(IR_RIGHT_PIN, INPUT_PULLUP);
Serial.println(F("========================================"));
Serial.println(F(" 红外双目跟随模块 独立测试程序"));
Serial.println(F("========================================"));
Serial.println(F("L=1 表示左传感器检测到物体"));
Serial.println(F("R=1 表示右传感器检测到物体"));
Serial.println(F(""));
Serial.println(F("状态说明："));
Serial.println(F("L=0 R=0→ 目标丢失"));
Serial.println(F("L=1 R=0→ 目标在左侧 → 左转"));
Serial.println(F("L=0 R=1→ 目标在右侧 → 右转"));
Serial.println(F("L=1 R=1→ 目标在正前方 → 停车"));
Serial.println(F(""));
}
void loop()
{
int leftVal= digitalRead(IR_LEFT_PIN);
int rightVal = digitalRead(IR_RIGHT_PIN);
// 传感器检测到物体输出 LOW，取反后 1 表示检测到
bool leftDetected= (leftVal == LOW);
bool rightDetected = (rightVal == LOW);
Serial.print(F("L="));
Serial.print(leftDetected ? 1 : 0);
Serial.print(F(" R="));
Serial.print(rightDetected ? 1 : 0);
// 状态判断
if (leftDetected && rightDetected) {
Serial.println(F("→ 停车（目标居中且已近）"));
} else if (leftDetected && !rightDetected) {
Serial.println(F("→ 左转（目标偏左）"));
} else if (!leftDetected && rightDetected) {
Serial.println(F("→ 右转（目标偏右）"));
} else {
Serial.println(F("→ 搜索（目标丢失）"));
}
delay(100);
}
五、调试流程演示5.1 测试流程①灵敏度测试
https://file1.elecfans.com/web3/M00/67/F4/wKgZPGpB33OASSzuABlES8QTfEM441.png 上电，传感器前无遮挡、串口显示 L=0 R=0 → 搜索（目标丢失）、如有误检测，调节电位器降低灵敏度
②遮挡测试
https://file1.elecfans.com/web3/M00/67/F4/wKgZPGpB33mALI0SABO7JE4zU1U111.png 用手掌挡住左传感器，串口显示 L=1 R=0 → 左转（目标偏左）、用手掌挡住右传感器，串口显示 L=0 R=1 → 右转（目标偏右）、用手掌同时挡住两个传感器，串口显示 L=1 R=1 → 停车（目标居中且已近）
③跟随模式测试
https://file1.elecfans.com/web3/M00/67/F2/wKgZO2pB34KAERhcABNQWLP5c40434.png 发送命令"G"，手掌从左侧移到右侧，状态从左转、停车到右转状态依次变化，确认状态切换平滑
5.2 演示视频零知派迷你板智能小车-红外双目跟随模块调试
https://live.csdn.net/v/532922?spm=1001.2014.3001.5501
展示独立测试程序在串口监视器上的实时输出，用手在不同位置遮挡两个传感器，对应串口输出的状态变化；演示灵敏度调节——用螺丝刀旋转电位器，观察触发距离的变化；展示整车跟随效果
六、项目跟随功能实现确认模块本身没问题之后，再看完整项目里跟随功能是怎么组织的。这部分代码分布在两个文件里：
文件职责
sc_perception.h/.cpp IRSensor::read() ——底层读取两个 GPIO 电平，转换为布尔值
sc_behaviors.h/.cppFollowBehavior::update() ——上层跟随状态机
6.1 IRSensor底层感知层// sc_perception.cppIRSensor::IRSensor(){ // INPUT_PULLUP：无物体时保持HIGH，避免悬空导致误触发 pinMode(ServoPWM3, INPUT_PULLUP); pinMode(ServoPWM4, INPUT_PULLUP);}void IRSensor::read(bool *isLeft, bool *isRight){ // 检测到物体 → LOW → isLeft/isRight = true // 无物体 → HIGH → false *isLeft= (digitalRead(ServoPWM3) == LOW); *isRight = (digitalRead(ServoPWM4) == LOW);}
6.2 FollowBehavior跟随状态机最终版本状态机
FOLLOW（跟随状态）
lIR && rIR → stop()（双触发=正对且近，停止）
lIR && !rIR → 左转对准（-FOLLOW_TURN, FOLLOW_TURN）
!lIR && rIR → 右转对准（FOLLOW_TURN, -FOLLOW_TURN）
连续 5 帧无触发（_lostFrames >= LOST_THRESH）
切换回 SEARCH_CWvoid FollowBehavior::update()
{
bool lIR = false, rIR = false;
g_ir.read(&lIR, &rIR);
// 调试输出（正式发布可屏蔽）
Serial.print(F(" L=")); Serial.print(lIR);
Serial.print(F(" R=")); Serial.println(rIR);
// ── 有目标：进入跟随 ─────────────────────────────────────────
if (lIR || rIR) {
_lostFrames = 0;
if (_st != FOLLOW) {
_st = FOLLOW;
Serial.println(F(" 发现目标，进入跟随"));
BTSerial.println(F(" Target found"));
}
if (lIR && rIR) {
// 双触发：目标正对且已非常近，停止
g_motor.stop();
} else if (lIR && !rIR) {
// 左侧触发：目标在左侧 → 左转对准
g_motor.motorRun(-FOLLOW_TURN, FOLLOW_TURN);
} else {
// 右侧触发：目标在右侧 → 右转对准
g_motor.motorRun(FOLLOW_TURN, -FOLLOW_TURN);
}
return;
}
// ── 无目标：消抖后进入搜索 ───────────────────────────────────
if (_st == FOLLOW) {
_lostFrames++;
if (_lostFrames < LOST_THRESH) {
g_motor.stop(); // 消抖期间保持停止
return;
}
_st = SEARCH_CW; _ts = millis(); _phase = 0; _lostFrames = 0;
g_motor.stop();
Serial.println(F(" 目标丢失，开始搜索"));
BTSerial.println(F(" Lost, searching"));
return;
}
// ── 搜索阶段 ─────────────────────────────────────────────────
unsigned long elapsed = millis() - _ts;
switch (_phase) {
case 0: g_motor.motorRun(SEARCH_SPEED, -SEARCH_SPEED);
if (elapsed >= SPIN_MS) { g_motor.stop(); _phase = 1; _ts = millis(); }
break;
case 1: if (elapsed >= PAUSE_MS) { _phase = 2; _ts = millis(); } break;
case 2: g_motor.motorRun(-SEARCH_SPEED, SEARCH_SPEED);
if (elapsed >= SPIN_MS * 2) { g_motor.stop(); _phase = 3; _ts = millis(); }
break;
case 3: if (elapsed >= PAUSE_MS) { _phase = 0; _ts = millis(); } break;
default: _phase = 0; _ts = millis(); break;
}
}
调试历程功能迭代内容
卡死不动最初 onEnter() 进入搜索状态旋转，IR引脚没有接线，读到的是拉高的 HIGH
跟随逻辑方向反了motorRun(-FOLLOW_TURN, FOLLOW_TURN) 实际上是转向弄反
跟随效果不稳定，抖动明显 降低搜索和跟随转速，加入丢失目标消抖（连续5帧确认丢失才切换）
6.3 系统流程图https://file1.elecfans.com/web3/M00/67/F4/wKgZPGpB4VSAPCaCAA7IPlFD1gI274.png①参数调优指南
问题现象可能原因调整方案
搜索时转速过快，找到目标有明显顿挫 SEARCH_SPEED 太大 降低到 50~65
对准时过冲，来回抖动FOLLOW_TURN 太大降低到 45~55
目标稍微晃动就进入搜索LOST_THRESH 太小增加到 8~10
丢失目标后反应太慢才开始搜索LOST_THRESH 太大减小到 3~5
双触发区间太窄，小车总在左右摆两传感器间距太大缩小传感器间距
传感器始终触发（误触发）灵敏度太高逆时针调电位器降低灵敏度
②与避障模式（B命令）的功能共用说明
同一对 IR 传感器在两种模式下复用，逻辑完全不同：
对比项跟随模式（G）避障辅助（B）
传感器安装推荐角度 正前方，偏内 ±15°斜前方 45°/135°
触发含义目标在那一侧，应转向靠近那一侧有障碍，应转向远离
转向决策转向触发侧（左触发→左转） 转离触发侧（左触发→右转）
速度控制慢速跟随，双触发停车紧急规避，直接全速转向
这也是代码里两个模块功能共用同一套硬件的典型案例，上层算法完全不同，但底层 IRSensor::read() 接口是相同的，体现了感知层与行为层分离的设计价值
七、常见问题解答（FAQ）Q1：传感器接好了，跟随时小车原地转但不追目标，是什么问题？ A：首先用独立测试程序检查：把手放在左侧传感器前，串口显示的是 L=1 还是 R=1。如果显示 R=1，说明左右信号线接反了，换线即可。如果双侧都是0，检查供电和电位器
Q2：红外传感器在阳光下失效怎么办？
A：该模块对环境光有一定的适应性，但在强阳光直射的情况下，阳光中的红外分量会干扰接收管，导致误触发。解决方法：逆时针调小电位器降低灵敏度，同时给传感器加装遮光外壳（可用黑色热缩管套住模块两侧）
资料整合
LM393 数据手册（TI）： lm393.pdf
LM393 应用电路： 差分比较器应用电路
红外跟随和红外避障虽然用了同样的硬件，但控制逻辑完全不同。避障只需要二值判断（有/没有障碍），而跟随需要正确理解“目标在左还是在右”并执行对应的转向动作——方向一旦搞反，整个功能就完全失效了
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