做零知派 ESP32-S3 循迹小车时，引脚往往不够用——舵机、摄像头一上来，GPIO 立马捉襟见肘。这时候把五路循迹塞进一颗 MCP23017 I/O 扩展芯片，用 I2C 两根线就能多出 16 个 IO，是非常实用的一招。这篇文章把"五路循迹 + MCP23017 扩展"这套组合彻底讲透：传感器怎么工作、那颗可调电阻到底在调什么、MCP23017 怎么接、代码怎么读、电位器怎么一路一路校准，以及踩坑后怎么排查。

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一、前言

很多人第一次玩循迹小车，都会遇到这样的困境：

• 程序逻辑明明没错，车子却在黑线上抽风式扭动；

• 换了个场地，原来好好的车突然集体失明；

• 五路传感器有的灵敏有的迟钝，输出乱七八糟；

• 外设一多，ESP32-S3 的引脚根本不够分。

前三个问题，根子在传感器没校准好——而校准的核心就是模块上那几颗不起眼的可调电阻（电位器）。最后一个问题，则可以用 MCP23017 I/O 扩展芯片优雅地解决。

本文以常见的 TCRT5000 五路循迹模块搭配 MCP23017、跑在 零知派 ESP32-S3 上为例，把这套组合彻底讲明白。

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二、循迹模块的工作原理

2.1 红外对管：发射 + 接收

每一路探头本质上是一对红外对管：

• 发射管：持续发出人眼不可见的红外光；

• 接收管：接收从地面反射回来的红外光。

关键点在于不同颜色对红外光的反射率不同：

表面颜色	红外反射	接收管收到的光	输出电压趋势
白色/浅色	强反射	收到大量红外	一种状态
黑色/深色	几乎吸收	收到极少红外	另一种状态

车子之所以能"看见"黑线，就是靠这个反射率差异。

2.2 比较器 LM393：把模拟量变成数字量

接收管输出的是一个连续变化的模拟电压，但数字 IO 只认高低电平。于是模块上几乎都会有一颗 LM393 电压比较器来做转换：

            +------- LM393 比较器 -------+
接收管电压 ──┤ IN+                       │
            │                  OUT ──────┼──► 输出 D0（高/低电平）
可调电阻 ───┤ IN-（参考阈值电压）        │
            +---------------------------+

比较器干的事很简单：

如果 接收管电压 > 参考阈值，输出一种电平；否则输出另一种电平。

这样，连续的反射强度就被"切"成了清晰的 0 / 1。本文这套硬件里，黑线时探头输出 LOW，白底时输出 HIGH，代码里再取反，把"检测到黑线"统一表示成逻辑 1。

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三、可调电阻到底在调什么？

那颗蓝色的小方块电位器，调的不是别的，正是比较器 IN- 端的参考阈值电压。换句话说，它决定了"多强的反射才算白、多弱才算黑"这条分界线画在哪。

旋动电位器，你实际在做三件事：

1. 改变黑白判定的临界点不同场地的黑线深浅、底色亮度都不一样。通过调节阈值，让模块在你当前这块场地上能干脆利落地区分黑与白。

2. 补偿不同的安装高度 / 探测距离传感器离地越远，反射光越弱。安装高度变了，就用电位器把阈值拉回合适的位置。

3. 抵抗环境光干扰强光直射、阴影、不同色温的灯光都会影响读数。微调阈值可以避免误判。

一句话总结：

可调电阻 = 灵敏度旋钮 = 给比较器设定"黑白分界线"。

注意：MCP23017 只负责把比较器已经判定好的数字电平读进 MCU，它不参与灵敏度调节。黑白阈值始终由模块上的电位器决定，跟接不接扩展芯片没有任何关系。

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四、为什么用 MCP23017？

        ESP32-S3 本身 GPIO 不算少，但智能小车一旦把舵机、OV2640 摄像头、循迹全堆上去，可用引脚很快见底。MCP23017 正好解决这个痛点。

• I2C 接口，只占 2 根线（SDA / SCL），就能扩展出 16 个 IO（GPA0~7、GPB0~7）；

• 通过 A0/A1/A2 三个地址脚，一条 I2C 总线上最多挂 8 颗，理论上扩出 128 个 IO；

• 每个引脚可独立配置输入/输出，自带上拉，读循迹这种数字信号绰绰有余。

把五路循迹挂到 MCP23017 上，等于用两根线换回五个宝贵的原生 GPIO，留给更需要的高速外设。

⚠️ 关于读取速度：MCP23017 走 I2C，单次读取有微秒级延迟，比直接读原生 GPIO 慢。对循迹这种 200ms 级别的轮询完全够用，但如果你追求极高频采样，要把这点延迟考虑进去（后面会提到优化思路）。

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五、硬件接线

5.1 MCP23017 与 ESP32-S3

MCP23017 引脚	接到 ESP32-S3	说明
VDD	3.3V	供电
GND	GND	地
SDA	GPIO 8	I2C 数据
SCL	GPIO 9	I2C 时钟

5.2 五路循迹模块与 MCP23017

        本文把五路输出接到 MCP23017 的 GPA1 ~ GPA5（对应库里的 eGPA1~eGPA5）。注意硬件接线顺序与逻辑上的 S1~S5 是反过来的——这是为了让代码里的 S1~S5 对齐传感器从左到右的物理排列：

循迹模块（物理位置）	逻辑编号	MCP23017 引脚
最左	S1	GPA5
左	S2	GPA4
中间	S3	GPA3
右	S4	GPA2
最右	S5	GPA1
VCC	—	3.3V
GND	—	GND

💡 接线顺序无所谓正反，关键是让代码里的 S1~S5 和车头朝向的物理左右一致。本文采用 S1=GPA5、S5=GPA1 的反向映射就是为此。如果你的实际左右是反的，把 loop() 里的 eGPA 编号对调即可——不用动接线。

⚠️ 电平注意：很多循迹模块按 5V 设计，输出高电平可能是 5V。MCP23017 也要在 3.3V 系统下统一供电，确保模块输出不超过 3.3V，避免灌坏芯片。务必确认模块支持 3.3V 供电。

5.3 连接示意图

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六、测试代码与逐行解析

/**************************************************************************************
 * 文件: /LineTracker5/LineTracker5.ino
 * 作者：零知派（深圳市在芯间科技有限公司）
 * -^^- 零知派，让电子制作变得更简单！ -^^-
 * 时间: 2026-06-15
 * 说明: 这段代码基于 ESP32-S3 主控，结合 MCP23017 扩展芯片（地址 0x20，SDA=8、SCL=9）读取五路循迹传感器，
 *       节省 GPIO。setup 中初始化 I2C 与芯片，用 while 卡住失败初始化以便排查接线，并把 GPA1~GPA5 设为输入。 
 *       loop 每 200ms 读取一次，因黑线输出低电平故取反后用 1 表示压线，S1~S5 反向映射到 GPA5~GPA1 以对齐物理左右，
 *       再统计压线路数输出脱线、居中、偏左、偏右等提示，配合串口确认接线方向并辅助校准每路阈值。
***************************************************************************************/

#include <Wire.h>
#include <DFRobot_MCP23017.h>

DFRobot_MCP23017 mcp(Wire, 0x20);

void setup() {
  Serial.begin(115200);
  delay(500);

  Wire.begin(8, 9);  // SDA=8, SCL=9

  while (mcp.begin() != 0) {
    Serial.println("MCP23017 初始化失败，请检查接线和 I2C 地址(0x20)！");
    delay(1000);
  }
  Serial.println("MCP23017 初始化成功");

  mcp.pinMode(mcp.eGPA1, INPUT);
  mcp.pinMode(mcp.eGPA2, INPUT);
  mcp.pinMode(mcp.eGPA3, INPUT);
  mcp.pinMode(mcp.eGPA4, INPUT);
  mcp.pinMode(mcp.eGPA5, INPUT);

  Serial.println("=== 循迹模块测试开始 ===");
  Serial.println("把传感器分别移到黑线/白底上，观察 0/1 变化");
  Serial.println("(1=检测到黑线, 0=白底)");
  Serial.println("S1 S2 S3 S4 S5 | 状态");
  Serial.println("---------------------------------");
}

void loop() {
  // 白底黑线：黑线输出 LOW，取反后为 1
  int s1 = !mcp.digitalRead(mcp.eGPA5);
  int s2 = !mcp.digitalRead(mcp.eGPA4);
  int s3 = !mcp.digitalRead(mcp.eGPA3);
  int s4 = !mcp.digitalRead(mcp.eGPA2);
  int s5 = !mcp.digitalRead(mcp.eGPA1);

  int activeCount = s1 + s2 + s3 + s4 + s5;

  Serial.printf("%d  %d  %d  %d  %d  | ", s1, s2, s3, s4, s5);

  // 简单状态提示，方便确认接线方向和居中
  if (activeCount == 0)            Serial.println("脱线/全白");
  else if (activeCount >= 5)       Serial.println("十字路口/全黑");
  else if (s3 && !s1 && !s2 && !s4 && !s5) Serial.println("居中（S3压线）");
  else if (s1 || s2)              Serial.println("偏左");
  else if (s4 || s5)              Serial.println("偏右");
  else                            Serial.println("过渡状态");

  delay(200);
}

1. I2C 初始化

Wire.begin(8, 9);  // SDA=8, SCL=9

ESP32-S3 的 I2C 引脚可以灵活映射，这里指定 SDA=8、SCL=9。注意 Wire.begin() 的参数顺序是 (SDA, SCL)，别接反。

2. 用 while 循环卡住初始化

while (mcp.begin() != 0) { ... delay(1000); }

mcp.begin() 返回非 0 表示失败。用 while 卡在这里，是为了接线没插好时直接停下报错，而不是带着一颗没初始化的芯片往下跑、读出一堆垃圾数据。这是嵌入式里很值得养成的习惯——外设初始化失败就别往下走。

3. 引脚枚举 eGPA1~eGPA5

DFRobot 库用 mcp.eGPA1 这样的枚举来表示扩展引脚，而不是裸数字，可读性更好，也避免记错编号。

4. 取反 + 反向映射

  int s1 = !mcp.digitalRead(mcp.eGPA5);	// S1 对应 GPA5
  int s2 = !mcp.digitalRead(mcp.eGPA4);	// S2 对应 GPA4
  int s3 = !mcp.digitalRead(mcp.eGPA3);	// S3 对应 GPA3
  int s4 = !mcp.digitalRead(mcp.eGPA2);	// S4 对应 GPA2
  int s5 = !mcp.digitalRead(mcp.eGPA1);	// S5 对应 GPA1

这里有两层处理：

• 取反：这套硬件白底黑线、检测到黑线时输出 LOW。取反后，1 统一代表"压在黑线上"，后面写循迹逻辑心智负担更小。如果你的模块定义相反（黑线输出 HIGH），把 ! 去掉即可。

• 反向映射：S1 读的是 eGPA5、S5 读的是 eGPA1，逻辑编号和扩展口编号是倒着对的。这是因为接线时的物理顺序和期望的"S1=最左、S5=最右"刚好相反，于是在代码里调过来对齐，而不用重新焊线。这一步不影响功能，纯粹是让 S1~S5 对应车头的左右方向，方便后面"偏左/偏右"判断符合直觉。

5. 状态判断

activeCount 统计有几路压线：全 0 是脱线，全亮(≥5)多半是十字路口或全黑区，只有 S3 亮表示车身居中，靠 S1/S2 或 S4/S5 判断偏左偏右。这一段主要用来确认接线方向和居中——如果你把模块装反了，"偏左""偏右"会和实际相反，靠这个一眼就能看出来。

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七、可调电阻校准实操

        引入 MCP23017 不改变校准方式——阈值还是靠模块上的电位器调。五路模块每一路通常都有独立的电位器，必须一路一路单独校准。

7.1 准备

把模块固定到小车实际运行的安装高度（离地高度不同，反射强度就不同）。

准备好实际要跑的场地——同样的黑线、同样的底色。

烧入上面的测试代码，打开串口监视器（115200），边调边看 0/1 输出。

        用串口实时盯着五路 0/1，比只看板载指示灯更直观——尤其能立刻发现哪一路阈值卡在临界点上抖动。

7.2 单路校准步骤

对每一路重复以下操作：

1. 把这一路探头对准白色区域，用小螺丝刀缓慢旋动它对应的电位器，让串口对应位稳定显示 0（板载指示灯通常随之熄灭/点亮，看模块定义）。

2. 把探头移到黑线上，确认这一位翻转成 1。

3. 在白与黑之间反复移动，微调电位器，让 0/1 切换得干脆、稳定、不抖。

4. 找到那个能稳定切换的"中间甜区"后，再换下一路。

7.3 五路一致性

五路全部调完后，把整个模块平移过黑线，观察串口输出的 1 是否随位置整齐地从一端扫到另一端。如果某一路明显比别人迟钝或敏感，回头单独再修那一路。

        校准口诀：白显 0、黑显 1、来回扫、切得脆。

7.4 演示视频

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八、常见问题排查

现象	可能原因	解决办法
MCP23017 初始化一直失败	接线松动 / 地址不对	检查 SDA(8)、SCL(9)；确认I2C地址为0x20；
所有路都读不到变化	I2C 没通 / 模块没供电	用 i2c_scanner 扫描确认 0x20 在线；万用表量模块 VCC
怎么调都无法区分黑白	安装高度不对 / 黑线与底色对比度太低	调整离地高度（几 mm 到 1cm 左右最佳）；换对比更强的黑线
某一路始终不变	该路电位器到极限 / 探头损坏 / 虚焊	回中再调；检查焊点；万用表量对管
输出疯狂抖动	阈值正好卡在临界点	把阈值往任一侧稍微多调一点，留出余量
"偏左/偏右"和实际相反	模块装反了 / GPA 顺序接反	调换接线顺序，或在代码里把 S1~S5 映射对调
换场地就失灵	阈值是按上个场地调的	循迹模块对环境敏感，换场地后重新校准是常态
SDA/SCL 接反	Wire.begin 参数顺序记错	确认是 Wire.begin(SDA, SCL)，即 (8, 9)