双通道点光源追踪系统

1.项目简介

本系统基于 FreeRTOS 实时操作系统架构构建。在感知层，利用 STM32F411 的 ADC 多路分时复用技术，结合 TIM2 定时器触发（100kHz）与 DMA 直接存储器访问，实现了对双路光敏传感器信号的高频、低延迟同步采集。在控制层，核心任务实时计算两路电压的差分信号作为误差反馈，通过带死区的比例控制算法动态调制 TIM3 的 PWM 占空比，驱动舵机执行机构实时修正姿态，从而构建了一个高响应速度的闭环光源追踪系统，实现对点光源的自动捕获与跟随。

**硬件环境：**stm32f411re单片机、嘉立创设计pcb板、SG90 舵机。

**核心技术点：**STM32F411 + FreeRTOS 系统调度、ADC 多通道 DMA 采集（100kHz 触发）、舵机 PWM 闭环控制、自定义 PCB 设计

核心原理

**物理感知：**利用光敏电阻在电路中的分压随光强变化的特性搭建检测前端。通过 STM32 内部 ADC 对传感器阵列（双路）进行高频电压采样，将光强信号转换为数字信号。

差分逻辑：采用差分电压比较算法。系统实时监测两路传感器的电压差值，当光源正对检测板时电压差为0；当光源移动导致照射角度偏移时，两路电压产生压差，该压差作为系统的误差反馈信号。

**闭环追踪：**基于误差信号驱动舵机执行机构。控制算法根据电压差的极性和大小，动态计算 PWM 脉宽，驱动舵机调整检测板角度，直至消除电压差，从而实现检测板始终正对光源的闭环追踪效果。

项目展示

2.系统整体设计

3.硬件设计

3.1原理图展示

3.2Pcb展示

3.3 PCB 设计细节与考量

（1）在电源输入端并联了 1000uF 电解电容 与 100nF 陶瓷电容

1000uF 电解电容 ：用于滤除低频纹波和进行储能。由于项目中包含舵机（感性负载），舵机启动瞬间电流需求极大，会导致电源电压瞬间跌落。1000uF 电容充当"蓄水池"，在电压跌落时迅速放电补充电流，维持电压稳定，防止单片机复位

100nF 陶瓷电容 ：用于滤除高频噪声。大电容由于卷绕工艺，存在较大的等效串联电感（ESL） ，对高频噪声（如 MCU 内部时钟切换产生的开关噪声）阻抗很大，无法过滤。而 100nF 陶瓷电容 ESL 很小，能为高频干扰提供一条通往地（GND）的低阻抗路径。在 PCB 布局时，这个小电容必须尽可能靠近 MCU 的电源引脚放置，否则线路寄生电感会使其失效。

（2）传感器对称布局

算法核心是"差分比较"（Delta V = V_{left} - V_{right}）。对称布局保证了两个传感器的物理基准一致 ****。****避免因物理位置偏差导致差分算法出现静态误差。

（3）双面铺铜接地

PCB 上的铜皮也是有电阻的。舵机工作时电流很大，如果地线很细（阻抗大），会在地线上产生电压降（地弹，Ground Bounce）。ADC 采集是参考地电压的。如果地电压因为舵机动作而跳变，采集到的光强数据就会剧烈抖动。大面积铺铜可以将地线阻抗降到最低，保证 0V 参考电位的纯净。同时，双面铜皮构成的屏蔽层也增强了系统抗环境电磁干扰的能力。

（4）顶层（Top）放传感器，底层（Bottom）放元件

光敏电阻独立放置于 Top 层，其余阻容元件与连接器放置于 Bottom 层。这种设计不仅避免了元件阴影对光路的遮挡，也便于后续安装遮光筒以提高追踪灵敏度

4.软件设计 ------ 核心代码与思路

4.1软件逻辑

4.2核心代码

（1）左转右转代码

cpp 复制代码

void MotorTurnRight(uint16_t step)//应该 加
{
	
	if(pulsewide <= 500 - step) 
		
		{
        pulsewide += step;
    } 
	else 
		{
        pulsewide = 500; // 到达右极限
    }
		
		
		//******************************************************重置占空比
		//__HAL_TIM_SET_COMPARE(&htim3,TIM_CHANNEL_1,pulsewide);    不需要这个，因为我已经在定时器设置的地方把那个常量改成pulsewide了
		
		__HAL_TIM_SET_COMPARE(&htim3, TIM_CHANNEL_1, pulsewide);
		
		/*MX_TIM3_Init();
    HAL_TIM_Base_Start(&htim3);
    HAL_TIM_PWM_Start(&htim3, TIM_CHANNEL_1);*/
		
}	


void MotorTurnLeft(uint16_t step)//应该减
{
	
	
		// 逻辑：左转需要减小 pulsewide
    // 边界检查：当前值是否比 (最小值 + 步长) 大
    // 如果是，可以安全减去 step；否则直接设为最小值，防止越界
	
	
	if(pulsewide >= 300 + step) 
		{
        pulsewide -= step; 
    } 
	
		else 
		{
        pulsewide = 300; // 到达左极限
    }
		
		__HAL_TIM_SET_COMPARE(&htim3, TIM_CHANNEL_1, pulsewide);
		
		/*
		MX_TIM3_Init() 会重新配置定时器硬件、重置计数器，这会导致 PWM 波形中断、频率重置，舵机会剧烈抽搐甚至不动作。

正确的做法： 只需要修改定时器的**比较寄存器（CCR）**的值即可。
		
		
		MX_TIM3_Init();
    HAL_TIM_Base_Start(&htim3);
    HAL_TIM_PWM_Start(&htim3, TIM_CHANNEL_1);*/
	
	
}

（2）获取电压代码

cpp 复制代码

float Get_Channel1_ADC_Value()
{
      flag=0;
			//开启时钟tim2 和adc采样
			HAL_TIM_Base_Start(&htim2);
			HAL_ADC_Start_DMA(&hadc1,ADC_V,200);
		
	
       while(flag==0)
       {
			  osDelay(1);
			 }
				ADC_1_ave=0;
				ADC_2_ave=0;
			 for(int i=0;i<100;i++)
				{
					ADC_1_ave=(ADC_V[i*2]+ADC_1_ave);
					ADC_2_ave=(ADC_V[i*2+1]+ADC_2_ave);
				}
	        ADC_1_ave=ADC_1_ave/100;
					ADC_2_ave=ADC_2_ave/100;
				 // HAL_ADC_Stop(&hadc1);	
				return ((float)ADC_1_ave*3.3f/4095.0f);

}	

float Get_Channel2_ADC_Value()
{
return ((float)ADC_2_ave*3.3f/4095.0f);
}

（3）中控代码

cpp 复制代码

void StartCoreTask(void *argument)
{
  /* USER CODE BEGIN StartCoreTask */
  /* Infinite loop */
  for(;;)
  {

		
		adc_chanel1_current=Get_Channel1_ADC_Value();//采样第1通道电压
		adc_chanel2_current=Get_Channel2_ADC_Value();//采样第2通道电压
		delta_v_currtnt=adc_chanel2_current-adc_chanel1_current;
	
	
		printf("adc_chanel1_current: %.3f \n",adc_chanel1_current);   //传回第1通道电压
		printf("adc_chanel2_current: %.3f \n",adc_chanel2_current);   //传回第2通道电压
		printf("delta_v: %.3f \n",delta_v_currtnt);  //电压差目前
		
		//*********************************************动态循环**********************************************************
		
		if (fabs(delta_v_currtnt) > 0.01) 
      {
          // 动态计算步长：电压差越大，转得越快
          // 限制步长最大值，防止一次转动过大导致超调
          step_temp = (uint16_t)(fabs(delta_v_currtnt) * 200); 
          if(step_temp > 50) step_temp = 50; // 增加一个限幅保护
          if(step_temp < 1) step_temp = 1;   // 保证至少动一下

          // 判断方向
          if (delta_v_currtnt > 0) 
          {
               // 如果通道2电压 > 通道1电压，往左转（假设逻辑）
               // 具体方向如果反了，把Left改成Right即可
               MotorTurnLeft(step_temp);
               printf("Turning Left, Step: %d\n", step_temp);
          }
          else 
          {
               MotorTurnRight(step_temp);
               printf("Turning Right, Step: %d\n", step_temp);
          }
      }
      
      osDelay(20); // 给控制循环一个时间间隔，不要太快，伺服电机响应需要时间
		
		
  }
  /* USER CODE END StartCoreTask */
}

frtos代码作为后续开发开源---可利用二值信号量作为一个开锁，添加OLED任务，或者同步开启上下两个维度的光源追踪，实现三维追踪光源的效果

关键代码解析

（1）舵机驱动逻辑

SG90 模拟舵机通过 PWM（脉冲宽度调制） 信号控制角度。它对信号有两个硬性要求：

频率固定：PWM 信号的周期必须是 20ms（即频率 50Hz）。

占空比决定角度：高电平持续的时间（脉宽）决定了舵机的转角。

首先，Prescaler (预分频系数) = 500 - 1；Counter Period (自动重装载值 ARR) = 4000；使得信号周期达到20ms从。随后通过改变ccr的值去改变高电平时间从而达到控制舵机旋转的功效。

0.5ms-> 0度（或者 -90度，视厂家定义）;1.5ms ->90度（中位）;2.5ms-> 180度（或者 +90度）

（2）电压线性对应代码: (float)ADC_1_ave*3.3f/4095.0f

ADC 的分辨率（Resolution）与参考电压（Reference Voltage）的线性对应

STM32F411 内部集成的 ADC 是12位 逐次逼近型 ADC。能表示的数值范围是 0到 2^{12} - 1 = 4095。当输入电压为 0V 时，ADC 读数为 0；当输入电压为 3.3V 时，ADC 读数为 4095。

ADC 的工作本质是一个线性比例映射。假设当前采集到的数值为 X（即代码中的 ADC_1_ave），对应的实际电压为 V_{in}。加上 f 后缀（如 3.3f）强制编译器将其作为 float 类型（单精度，4字节）处理。对于 STM32F4 这类带有 FPU（浮点运算单元）的 MCU，使用 float 可以利用硬件加速，运算速度比 double 快几十倍。

（3）比例计算的舵机控制器----防止"帕金森抖动"

cpp 复制代码

if (fabs(delta_v_currtnt) > 0.01) 
      {
          // 动态计算步长：电压差越大，转得越快
          // 限制步长最大值，防止一次转动过大导致超调
          step_temp = (uint16_t)(fabs(delta_v_currtnt) * 200); 
          if(step_temp > 50) step_temp = 50; // 增加一个限幅保护
          if(step_temp < 1) step_temp = 1;   // 保证至少动一下

          // 判断方向
          if (delta_v_currtnt > 0) 
          {
               // 如果通道2电压 > 通道1电压，往左转（假设逻辑）
               // 具体方向如果反了，把Left改成Right即可
               MotorTurnLeft(step_temp);
               printf("Turning Left, Step: %d\n", step_temp);
          }
          else 
          {
               MotorTurnRight(step_temp);
               printf("Turning Right, Step: %d\n", step_temp);
          }
      }

只有当两个传感器的电压差绝对值超过 0.01V 时，才认为光照不平衡，开始调节。因为，ADC 采样总会有微小的底噪跳动（eg： 0.002V 的波动）。如果没有这行代码，舵机会因为这些噪点不停地微小抖动（像帕金森一样），不仅消耗电流，还会磨损齿轮。0.01V 就是系统的"容忍度"。在这个范围内，我们认为已经对准了。

步长 = 电压差 ×比例系数

delta_v 的单位是 伏特 (V) （通常在 0~3.3V 之间），而 step 的单位是 PWM 计数器数值 (Ticks)（需要 1~50 这样的整数）。

灵敏度调节 ：200 是一个经验参数。它决定了系统的反应速度。

eg ：假设电压差是 0.1V。如果不乘 200：step = 0.1 -> 取整为 0 -> 舵机不动。乘了 200：step = 0.1 * 200 = 20 -> 舵机一次转动 20 个单位，反应迅速。

参数调试心得 ：如果这个数太小（比如 50）：追光很慢，迟钝；如果这个数太大（比如 1000）：步长太大，稍微一点电压差舵机就猛转，容易转过头（超调），导致在光源附近左右摇摆（震荡）。200 是我经过调试找到的最佳平衡点。

5.踩坑记录与注意事项

（1）转动不是到300而是到平均点

在代码中，pulsewide = 300 对应 PWM 脉宽 1.5ms。对于 SG90 舵机来说，这是物理上的正中间（90度）， 这是一个固定的、预设的 位置。不能误以为"复位"就是让舵机回到 300。但在寻光系统中，我们的目的不是让舵机回正，而是让它追光。是一个动态的、未知的位置。

**"平均点"**是指两个光敏电阻接收到的光照强度相等的那个瞬间。反映在电路里，就是 Voltage_Left == Voltage_Right，或者说 Delta_V ≈ 0。它完全取决于手电筒（光源）在哪里。

（2）舵机疯狂抖动

在控制循环中重复初始化定时器，每次调用 MX_TIM3_Init() 都会重置定时器的预分频器（Prescaler）和计数器（Counter），导致 PWM 波形输出中断。对于需要连续平滑信号的舵机来说，这是致命的。从而导致了舵机的抽动。初始化只能在 main 函数开头做一次。在循环中，应使用宏直接修改 CCR 寄存器。

（3）舵机安全保护---舵机初始值

SG90 舵机的物理转动范围是 0°~180°。在我们的定时器配置下（周期 20ms，ARR=4000），这个物理范围对应 PWM 寄存器（CCR）数值范围是 100 到 500。

如果程序计算出的 CCR 值小于 100 或大于 500，舵机会试图转动到机械结构允许范围之外，导致电机堵转，电流激增，极易损坏舵机或烧毁单片机接口。

代码中实现了**"预判 + 钳位"**的双重保护逻辑：

当计算结果试图超出 [100, 500] 区间时，代码不仅阻止了越界，还执行了 else { pulsewide = Limit; }。这相当于在软件层面装了一堵墙。无论 PID 算法或差分算法算出多离谱的数值，最终输出给硬件的信号永远在安全区间内。

（4）pwm信号未开启