纯硬件搭建循迹小车：从红外传感器到MOS管驱动的完整信号链

一提到循迹小车，很多人条件反射就是单片机。STM32、Arduino、摄像头、PID，好像不写上几百行代码就不算入门。但如果你问我这个从面包板时代玩过来的老玩家怎么看，我反而想说一句可能有点反潮流的话：先用纯硬件电路把一辆循迹小车搭出来，比任何开发板都能让你真正看懂它是怎么工作的。

这篇文章要做的，就是把手教你用纯硬件电路实现一套完整的小车循迹方案。不用写一行代码，不用烧录固件，只用红外传感器、比较器、MOS管和电机这些基础元件，搭出一辆能在黑白赛道上自己跑的小车。文章会给出完整的电路图级接线清单和实操避坑指南，适合完全零基础的电子爱好者、中学生创客，也适合那些一直用开发板却搞不清底层信号链路的同学。看完你能理解一件特别重要的事：循迹这件事，本质上就是把"看到黑线"变成"控制电机停转"的一整条物理信号链，而这条链路，用分立元件完全可以搭出来。

1. 为什么放着单片机不用，非要用纯硬件电路搭循迹小车

1.1 纯硬件循迹与单片机方案的本质差异

循迹小车用单片机来做，核心逻辑其实非常简单：传感器把黑白信号变成电压，单片机用 ADC 读取这个电压，判断当前传感器下面压的是黑线还是白纸，然后通过 GPIO 控制电机驱动模块，实现左右轮差速。

这套流程听着很顺，但有个问题：单片机把中间的很多物理细节都"吞"掉了。传感器输出信号不去调、比较器阈值不理解、开漏输出为什么必须加上拉电阻也不知道，最后作品跑起来了，但那一整条模拟信号链路在你的认知里仍然是黑的。

纯硬件方案完全不一样。从光敏三极管的电流变化，到负载电阻上的电压分压，再到 LM393 比较器把它判成逻辑 0/1，最后驱动 MOS 管通断电机，每一步都明明白白摆在电路图上，是可以用万用表量出来、用眼睛看到的。

1.2 这套方案适合什么人、能学到什么

• 刚入门电子的新手：焊一块板子，能同时接触到传感器、比较器、功率驱动、电源去耦这些最核心的基础电路。
• 想打循迹比赛但还没学过编程的同学：不用等学会 C 语言，周末就能让车在地上跑起来。
• 老玩家：用逻辑电路重新搭一遍，体验一下"电路即程序"的原始快感，还能顺手给孩子当教具。

做完这台车，你至少能带走三样东西：一是对传感器信号调理的理解，二是对"比较器开漏输出为什么必须上拉"这种底层层面的认知，三是对电机驱动和地线规划的实际手感。后面你再回去学单片机、学驱动电路，会发现很多原来靠背的东西突然就有直觉了。

1.3 整体工作流程：识色、判决、驱动三步拆解

整个系统拆开看就三个环节，和人的行为逻辑一模一样：

1. 眼睛：红外反射式传感器。红外发射管发光，光线打到地面后反射回来，被光敏三极管接收。白纸反射强，黑线吸收红外光、反射弱，于是光敏管电流就有了明显差异。
2. 大脑：LM393 比较器。它的作用是把传感器输出的连续模拟电压，和一个可调的阈值电压比较，输出干净的 0/1 逻辑信号。"地面是白的"输出高电平，"压到黑线"输出低电平。
3. 手脚：N-MOS 管做低边开关。比较器输出的逻辑电平控制 MOS 管的栅极，MOS 管导通或关断电机回路。哪一侧压到黑线，哪一侧电机就停，另一侧继续走，车身自然拐回来。

这套三步逻辑虽然简单，却是后面一切循迹算法的基础。哪怕以后你上 PID、上摄像头，最终动作本质还是"检测偏差 → 计算转向量 → 控制左右轮速差"。

2. 从"眼睛"讲起：红外反射式传感器的分压陷阱

2.1 反射式光电传感器的工作原理

传感器是整个系统的信号源头，所有判断都建立在它的输出够不够稳定上。市面上最常见的反射式光电传感器是 TCRT5000，内部集成了一个红外发射 LED 和一个光敏三极管。工作时红外 LED 持续发光，光线照到地面后反射回光敏三极管，光敏管导通程度随反射光强度变化，等效为一个"光控电流源"。

这里有个关键点：光敏管是电流型器件，必须外接电阻才能把电流变化转成电压变化。很多新手直接拿万用表去量光敏管两端,读到的是一堆莫名其妙的数值，就是因为漏了负载电阻这一步。

设置负载电阻时的判断逻辑是：反射越强，光敏管导通电流越大，负载电阻上压降越大。至于取多大阻值，取决于你希望信号怎么变化，这就引出了下面这个非常容易翻车的选择。

2.2 光敏三极管的两种接法，选错直接翻车

光敏三极管接法有两种，输出信号的方向恰好相反。

第一种是集电极输出式：光敏三极管的发射极接地，集电极通过一个负载电阻接电源，从集电极取电压。反射强→电流大→电阻压降大→集电极电压被拉低。也就是说，白纸对应"低电压"，黑线对应"高电压"，信号是反相的。

第二种是发射极输出式：光敏三极管的集电极直接接电源，发射极通过负载电阻接地，从发射极取电压。反射强→电流大→发射极电压升高。白纸对应"高电压"，黑线对应"低电压"，信号是同相的。

我强烈建议用第二种，也就是发射极输出式。原因很朴素：信号方向直观，调阈值时不容易把自己绕晕。比较器的逻辑设计成"白线电压高于阈值则输出高电平、驱动电机转动"，读代码和查电路的时候都省一个反相器的脑子。

2.3 发射管限流电阻与接收负载电阻的取值计算

红外发射管和普通 LED 一样需要限流，不然电流失控会加速老化甚至烧毁。以 TCRT5000 为例，发射管的典型工作电流 20mA，正向压降约 1.25V，用 5V 供电时：

限流电阻 ≈ (5V - 1.25V) / 20mA ≈ 187Ω

实际选型我会保守一点，取 330Ω，对应工作电流约 11mA。这样既保证了检测距离绰绰有余，又不至于让发射管常年工作在极限状态。如果你发现检测距离不够，可以换成 220Ω，但别再小了。

接收负载电阻则决定了信号的幅度和线性范围。10kΩ 在多数场合比较稳妥：白纸反射时发射极电压能拉到 3V 以上，黑线时只有 0.5V 上下，黑白差距足够大，留给比较器清晰的判决空间。如果想把检测距离拉远，可以减到 4.7kΩ，代价是功耗上升、黑线静态电压也会抬高，阈值空间会被压缩。

还有一个非常影响实际效果的问题：传感器对环境光敏感。红外光敏管不光接收你发射管反射回来的红外光，也接收太阳光和灯光里的红外成分。阳光直射下，黑线区域的输出电压可能从 0.5V 涨到 2V 以上，这时候无论你怎么调阈值都救不回来。解决手段不是换成更贵的传感器，而是物理遮光——用黑色热缩管或电工胶带套在传感器周围，只留一个朝下的小窗口。这个土办法效果好得惊人，一定别省。

3. 阈值判决与信号整形：LM393 在这里比 LM358 靠谱得多

3.1 比较器点名逻辑：为什么要一个"裁判"角色

传感器输出电压是连续变化的模拟量，直接拿它去驱动 MOS 管极不靠谱：电机启动电流大，电源电压一跌落，传感器输出也跟着飘，驱动逻辑就乱了。中间必须加一个"裁判"，把模拟量归化成干净的高低电平。

LM393 就是干这个的。它是一个双通道电压比较器，内部有两个独立的比较单元，正好对应左右两个传感器。比较器的工作方式极其简单粗暴：同相输入端电压高于反相输入端，输出高；反之输出低。这个逻辑门看起来简单，但它决定了整台车的行为边界。

3.2 开漏输出与上拉电阻，新手最容易漏的一步

LM393 的输出级是开漏结构，这意味着它本身只能主动把输出拉到低电平，却没法主动输出高电平。输出端的"高"全靠外部一个上拉电阻接到电源才能实现。

我把话说明白一点：如果你在 LM393 输出脚和电源之间不加这个上拉电阻，那么输出端只有两个状态——低电平，或者悬空。悬空对后级来说等于没接，MOS 管栅极电位不确定，电机可能转可能不转，一切随缘。新手第一次焊完发现比较器"不管输入怎么变输出都是 0"，十有八九就是漏了上拉电阻。

上拉电阻的取值也别随手抄 10kΩ。经验值我会用 2.2kΩ～4.7kΩ。选太小了静态功耗大，选太大了输出高电平的驱动能力弱。关于这个阻值对后级驱动的影响，下面驱动章节还要重点讲，你先记着一个原则：后级要电流，上拉就别太大。

3.3 电位器调阈值的标准流程

阈值电压通过电位器调节。我常用的电路是 10kΩ 电位器，两端分别接 5V 和地，中间抽头接比较器的反相输入端。调阈值看似简单，但很多人调了半天车还是乱跑，原因是没掌握顺序。

标准流程是三步：

1. 把车放在白纸区域，用万用表量传感器输出端电压，记录下来。比如 3.5V。
2. 再把车推到黑线上，量同一点的电压，比如 0.6V。
3. 阈值电位器调到这两个值的中间偏黑侧，比如 2.0V。

为什么要中间偏黑？因为循迹过程中，车不可能永远正对赛道中心，传感器从白区滑向黑线时信号有一个渐变过程。如果阈值卡在 1.2V 这种贴近黑线电压的位置，白纸边缘的轻微抖动就可能误判成压线，车就会画龙。留出余量，系统更稳。

3.4 正反馈迟滞：让输出不再在临界点抖动

还有一个值得加的小电路：迟滞。原理是在比较器输出端和同相输入端之间跨接一个 470kΩ～1MΩ 的大电阻，形成微弱的正反馈。当输出翻转为高电平时，反馈会稍微抬高同相输入端的参考点；输出翻转为低时则相反。

这个设计解决的是工程上一个很常见的毛病：当传感器压在黑线边缘、信号在阈值附近缓慢晃动时，比较器输出会在高低电平之间快速抖动，轻则电机咔嗒响，重则转向逻辑彻底紊乱。加了迟滞后，输出一旦翻转就"锁住"当前状态，必须等输入信号变化超过迟滞带宽才会再次翻转，相当于给判决器加了滤波。

有一点要提醒：加了正反馈电阻后，你在电位器上看到的阈值电压会被这个反馈叠加影响，所以正确的做法是先调到大致位置，再通过实测输出调整，不要一边看抽头电压一边纠结为什么对不上。

4. 电机驱动：其实你根本不需要 H 桥

4.1 循迹转向的本质：同侧停轮差速

很多新手一画电机驱动就想到 H 桥，觉得必须让电机能正转、反转才算"驱动"。但循迹这个场景里，你根本不需要倒车。

循迹转向的本质是差速：直道时左右轮同速前进；需要向右拐时，右边轮子停转或者明显减速，左边轮子继续走，车身自然右转。反过来亦然。而"压到黑线"对应的正是"这一侧停轮"，所以最简单的纯硬件方案就是：两个传感器各自控制同侧电机的通断。

这一下子就把 H 桥省掉了。电机只需要单方向转动，等效成随逻辑信号开关的"阀"就行。

4.2 N-MOS 管低边驱动电路与基极电流计算

我推荐的驱动方案是 N-MOS 管低边开关。以 AO3400 这种逻辑电平 MOS 管为例，它只需要栅极电压达到阈值就能导通，几乎不要求驱动电流，和 LM393 的开漏输出配合非常舒服。

具体接法：

• MOS 管漏极接电机负极
• 电机正极接电池正极
• MOS 管源极接地
• 比较器输出经一个 1kΩ 电阻接到 MOS 管栅极

比较器输出高电平时 MOS 导通，电机得电转动；输出低电平时 MOS 关断，电机停止。这个电路简单到几乎不需要调试就能工作。

如果你手头只有三极管 S8050，也能做，但有一个坑必须讲清楚：三极管是电流驱动器件，需要基极电流才能维持导通。算一下：假设电机堵转电流 300mA，三极管放大倍数 100，基极电流至少需要 3mA，实际要做到可靠饱和，基极电流要按 2～3 倍余量准备，也就是 6～9mA。而 LM393 开漏输出加上 10kΩ 上拉电阻时，高电平只能提供 (5V-0.7V)/(10kΩ+1kΩ) ≈ 0.4mA 的电流，远远不够。这就是为什么很多人照抄教程用三极管驱动电机，结果电机无力、发烫、转速起不来。要么把上拉电阻降到 1kΩ 以下强行喂电流，要么直接换 MOS 管。我的建议是别为难三极管，用 MOS。

4.3 为什么很多人做的车一碰就乱跑：地线回路问题

电机是整台车里最"脏"的器件。启动瞬间电流能从几十毫安跳到几百毫安，关断瞬间还会在电机两端产生反电动势。这些电流如果流经了比较器和传感器的地线，就会在地线电阻上产生一个可观的压降，把传感器阈值整个抬起来或压下去，表现就是"电机一启动，车就开始乱判黑线"。

解决办法是地线分区。逻辑电路的模拟地、传感器地、比较器地，走一条细细的线；电机这种大电流回路单独走一条粗线，两条线最后在电池负极单点汇合。别图省事直接把所有地都接到同一个覆铜区域，多花一分钟布线，能帮你省掉一整晚的排查时间。

电机两端还有一个必装的元件：续流二极管。把 1N5819 或 SS14 这样的肖特基二极管反并联在电机两端，阴极接电机正极、阳极接电机负极。平时二极管反偏不导通，MOS 关断瞬间电机电感产生的反向尖峰电压会通过二极管释放掉，保护 MOS 管不被击穿。漏掉这个二极管，运气好能跑一晚上，运气不好第一脚急停就烧管。

4.4 进阶玩法：三路传感器与电阻网络差速

两路传感器方案优点是简单，缺点是转弯比较"生硬"，因为只有"转/停"两种状态。想更平滑，可以上三路传感器，并且用电阻网络实现模拟差速。

思路是这样：三个传感器输出的逻辑信号，通过不同的电阻叠加到 MOS 管栅极上。压到黑线的路数越多，栅极驱动电压越低，电机减速越明显。中间传感器只负责"保持直行"，左右传感器负责转向偏差。这样车转向时不是突然停轮，而是渐进减速，轨迹会顺滑不少。

这个玩法属于纯硬件里很有深度的内容，做完基础版之后，非常推荐自己搭一下感受感受。电阻网络的参数没有标准答案，我建议从 10kΩ 和 4.7kΩ 开始试，用万用表边量边调。

5. 完整电路接线：照着这张清单焊就能跑

5.1 元件清单与选型备注

下面这版清单是我反复试过、确定能跑通的配置，所有元件都很常见，电子市场甚至初中物理实验室里基本都能凑齐：

5.2 按功能分块的逐脚接线表

我用"网络表"的方式把每一根线都列清楚，比贴一张大图纸更不容易漏线。先把网络定义好，再往网络里挂引脚，焊的时候照着这个表一个个连，就不会乱。

电源网络

左路信号链

右路信号链完全对称，只需把 LM393 的 5、6、7 脚分别对应同相输入、反相输入和输出，依次命名为 SENSOR_R、VREF_R、OUT_R、GATE_R、MOTOR_R-、MOTOR_R+。

集成稳压部分再加两个 100nF 瓷片电容，一个紧贴 AMS1117 输入输出端，一个紧贴 LM393 的 8 脚和 4 脚之间，这些去耦电容是保证电压稳定和抑制高频噪声的关键，别省。

5.3 电源方案：模拟电路与电机必须分开供电逻辑

这套电路里有一个非常容易出现但极难排查的问题：电机"污染"了逻辑电源。减速电机启动瞬间电流变化特别剧烈，如果你直接用同一路 5V 又供传感器又供电机，那传感器参考电压就会随着电机转速波动，车越快的工况下越容易误判。

正确做法是像上面的网络表一样，把电源分成 VBAT 和 5V 两路。电机正极直接挂电池 VBAT，逻辑电路走 AMS1117 稳压后的干净 5V。AMS1117 的最大输出电流有 1A，供传感器和比较器绰绰有余，但别想着顺手也喂电机——电机堵转时轻松超过 1A，会把稳压芯片的电压拖垮，连累整台车。

如果你手里的电池是 7.4V 两节 18650，也没问题，AMS1117-5.0 的输入电压范围足够宽，压差也小，能稳定输出 5V。但别用 7805 代替，7805 压差要 2V 以上，6V 电池时输出已经压不稳了。

6. 从焊好到跑起来：实测调试中的那些"玄学"

6.1 上电先测三个电压，少测一个都有可能白忙一小时

焊完板子别急着放地上跑，先把车架起来悬空，让两个轮子离地，然后拿万用表做三件事：

1. 测 AMS1117 输出是否为稳定的 5V。如果电压飘，先查输入电压和电容。
2. 测两个电位器抽头电压是否在 1.5V～2.5V 区间。如果电位器本身电压就不对，那后面整个阈值一定是乱的。
3. 把传感器分别放在白纸和黑线上，测比较器输出脚电压。白纸时应该接近 5V，黑线时应该接近 0V。如果没有翻转，检查是不是漏了上拉电阻，或者光敏管接法不对。

这三步全部通过，这台车才具备上路的资格。

6.2 距离与角度：传感器安装位置对循迹的影响

传感器的安装高度和间距会直接影响系统稳定性。TCRT5000 的最佳检测距离大概是 8mm～10mm，传感器底面离地高度保持在这个范围附近，黑白信号差异最大。装太高，反射光太弱，黑白电压差变小；装太低，碰上地不平直接被磨坏。

左右传感器的间距以"黑线不能同时覆盖两个传感器"为原则。赛道黑线通常 2cm 宽，车宽 14cm 左右的话，两个传感器间距放在 8～10cm 比较合适。这样车稍微偏向一边时，只会有一个传感器压到黑线，转向逻辑才清晰；如果间距太窄，两个传感器同时压线的情况频发，小车会原地画圈。

6.3 关键词排查表：小车不正常时的快速定位

跑起来之后如果出现问题，别急着乱拆，按下面这张表逐条排查：

6.4 实测数据参考：我给初学者设定的典型参数

下面这组数据是我在标准白底黑线赛道上反复测出来的，可以作为你第一次调试的起点值，然后根据自己的场地微调：

这套参数下，小车在直线段跑得非常稳，压线时转向干脆，基本不拖泥带水。如果你的场地黑线更窄或者更宽，只需要微调电位器，不用改结构。

7. 避坑清单：这些坑我替你踩过，别再踩第二遍

这一节直接上干货，是我从自己做废的三四块板子里总结出来的最值得写的九条经验，每条背后都有真金白银的代价。

• 上拉电阻永远别漏。LM393 开漏输出不自带高电平，忘记上拉，输出永远低，车永远不动。这是新手翻车率第一名。

• LM393 的供电范围不要超。输入共模范围大致是 VCC 减 1.5V 以内，直接用 8.4V 电池供电而不稳压，传感器强反射时信号电压可能超过比较器输入共模上限，输出会莫名其妙。稳压到 5V 永远是最稳的解法。

• 电位器一定要选多圈的。单圈碳膜电位器调阈值时手一抖就偏出 0.5V，跑起来整个行为就变了。3296W 多圈电位器贵不了几毛钱，值得。

• 电机两端续流二极管方向别接反。反着焊，二极管在电机正常转动时就是短路状态，一上电就烧。记住一句话：阴极接电机正极，阳极接电机负极。

• 传感器一定要做遮光。太阳光、灯光里的红外成分会让黑线电压从 0.5V 涨到 2V 以上，再贵的调试技巧也救不了。黑色热缩管套上，立刻见效。

• 别用逻辑去耦电容的场地省电机大电容。在 VBAT 和 GND 之间并一个 1000μF 左右的电解电容，电机启动瞬间的电压跌落会小很多，逻辑部分的工作环境会好得多。

• 电机塞到 N-MOS 驱动之前先确认栅极逻辑方向。如果你用的是三极管驱动，注意上拉电阻和基极电流的匹配问题；用 MOS 就没有这个烦恼，所以我主推 MOS。

• 车速别一上来就追求快。电池电压你能控制，但电机减速比、轮胎摩擦力这些都会影响循迹稳定性。先把基础版跑顺，再想办法提速度，否则你根本分不清问题是出在算法上还是机械上。

• 调试时多备一组电池。4 节 AA 电池电量下降后，LM393 的输出翻转点会跟着变，看起来就像电路坏了。排除法先换电池，能省大量时间。

8. 最后，我还想多说一句

做完这台纯硬件循迹小车，你会发现一件很有意思的事：整条信号链里没有一个"程序"在运行，但车的每一个动作都是可以被预测、被解释的。这种"物理世界直接决定行为"的感觉，是学习单片机时很难体会到的。

等这版车能稳稳跑完一圈之后，你可以再往下玩：加第三路传感器，调出更平滑的差速；把速度提上来，研究一下路径的切弯线路；甚至把摄像头装上去，试试看用纯硬件能不能做更复杂的边缘检测。这条路走完，再回头看单片机，你脑子里那根从传感器到执行器的线是亮着的。

最后分享一个我自己的惨痛教训：电池盒和主板一定要用扎带固定牢，别用热熔胶。我第一次试跑时车速并不快，但过弯离心力还是把整块焊接好的板子甩飞了出去，焊盘全折，重新焊了一晚上。从那以后，我的每台小车电池都是用扎带死死绑在底盘上的。祝你一次成功，赛道见。