第 31 课：追光小雷达

我是吴老师。我是吴老师。先说一句：这是我在整套课里最喜欢的一个课题。

不是因为它最难——它其实不算难。是因为它的设计太漂亮了。

先看这东西长什么样：一个冰棒棍搭的小台子，上面坐着个舵机，舵机的臂上粘着一个光敏。上电以后，它会左右慢慢地扫，扫着扫着，就停在一个方向不动了——那个方向，是灯最亮的方向。 你把台灯挪到另一边，它愣一下，然后又慢慢转过去，继续追着那盏灯。

这东西叫"太阳能追踪器"。 屋顶上那些追着太阳转的光伏板，用的就是这个原理。而我们只用了 1 个光敏。

一、只用 1 个光敏，怎么知道"哪边更亮"？

先想一个问题：判断"哪边更亮"，最直觉的做法是什么？

肯定是两个光敏——一个朝左、一个朝右，谁读数大就往谁那边转。差分，一目了然。

问题是：你套件里只有 1 个光敏。那怎么办？ 答案是这个课题最漂亮的地方：

让光敏动起来。 它在左边的时候读一次，在右边的时候再读一次——这不就有"两个读数"了吗？

我们不是用两个光敏，我们是用"同一个光敏的两次读数"。 而让光敏动起来的那个东西，就是舵机。看到没有——舵机不只是"执行器"，它顺便还成了"传感器的一部分"。

二、【闭环】这个课题的三个环节

这个闭环跟前面几个不一样，你得仔细看：

第 9 课那个闭环是"一条线"：传感器 → 判断 → 执行器，走完就完了。这个是"一个圈"：舵机转过去 → 光敏的朝向变了 → 读数跟着变了 → 而这个新读数又决定了舵机下一步往哪转。

输出回过头来改变了输入。 这才叫真正的"闭环控制"。（这个词你以后会经常见到，今天第一次见它的真身。）

三、材料清单

套件里：ESP32-C3 主控 + 拓展板、光敏模块、舵机（MG90S）、OLED 显示屏、5V 电池盒（4 节 5 号电池，这次是必需品）、杜邦线若干（光敏那几根要够长，至少 20cm）。

身边要准备：

四、接线

先看引脚规划——这次也刚好够用：

重点全在最后三行。 舵机的红线，不许接板子。 不许接 3.3V，这次连拓展板上那个 5V 脚也别接——第 18 课我说过那个是"权宜之计，做做演示可以"。这个课题不是演示，它要连着转一整个下午。 棕线要接两个地方：板子的 GND，和电池盒的负极——这就是共地，第 18 课那张图里那根灰色、绕一大圈的线。

嫌麻烦？ 我知道，多接一根线谁都不愿意。但你等下会亲眼看到：不接板子会重启。 而且你要是忘了共地，现象会更离谱——舵机会乱转、发抖、或者一动不动，而所有线看起来都是接对的。这两件事今天都会出现。第 18 课我让你故意踩过一次，今天它换个面孔回来找你。

五、分步实现

第一步：两个模块先分开跑通

别一上来就把它们凑一起。 先把舵机跑通（setup 里记得 myServo.attach(7)）：

for (int a = 20; a <= 160; a++) {   // 从 20 度扫到 160 度
  myServo.write(a);
  delay(20);
}
for (int a = 160; a >= 20; a--) {   // 再扫回来
  myServo.write(a);
  delay(20);
}

烧进去，看它来回扫。 扫得顺不顺？有没有顿、有没有嗡嗡响？不顺就把 delay(20) 调大一点（第 18 课讲过：write() 只是下命令，舵机得有时间转过去）。

然后单独测光敏：

void loop() {
  Serial.println(analogRead(0));
  delay(100);
}

用手电筒照它、手遮住它，看数字变。 顺手记两个数：全遮住时多少，手电筒直射时多少。这两个数决定了你这个课题能不能做——等下讲。

第二步：把光敏装到舵机臂上，再验证一次

这一步是造物，但必须先做，因为它是整个课题的前提。 先按第六节的办法把光敏粘到舵机臂上，不用做得好看，能用就行。装好之后，写个小程序试试：

// 假设 setup 里已经 myServo.attach(7)
void loop() {
  myServo.write(40);
  delay(600);
  Serial.print("左边: ");
  Serial.println(analogRead(0));

  myServo.write(140);
  delay(600);
  Serial.print("右边: ");
  Serial.println(analogRead(0));
  delay(1000);
}

拿手电筒（或者台灯）从侧面照过来，看这两个数字。它俩差得越大，这个课题越好做。

如果两个数字几乎一样大——那你就撞上这个课题最大的坑了，而且它不是硬件问题。

原因：你的房间根本没有"哪边更亮"这回事。 整个屋子被顶灯照得一样亮，那对光敏来说"哪个方向都一样"，它无从选择，只能原地发呆。

这不是你的代码错了，是这个世界太均匀了。 解决办法：拿一盏台灯放在一侧，制造一个"明显的亮方向"，手电筒更好。

记住这件事：做传感器项目，先想想"这个物理量在你的环境里真的存在吗"。 这跟第 11 课"阈值不能抄"是一个道理。

第三步：核心逻辑——试一下，看结果好不好

先讲思路，思路比代码重要。

假设光敏现在在 90 度。我该往哪边转？不知道啊，房间那么乱，我算不出来。那就不算——试。

1. 先记下现在的读数（转之前）
2. 随便往一个方向转 3 度
3. 再读一次（转之后）
4. 比较这两个数：变亮了 → 方向对，下次继续往这边转；变暗了 → 方向错，下次掉头

就这么简单。 它一次一次地试，最后会稳定在最亮的那个方向。

这办法有个正式名字叫"扰动观察法"（perturb and observe）。屋顶上那些太阳能板就是用它来找太阳的。 你不用记这个名字，但你要知道："先试一下，看好不好，好就继续，不好就换"——这是让机器自己找最优解最朴素、也最常用的一招。

#include <ESP32Servo.h>
#define LIGHT 0

Servo myServo;
int angle = 90;     // 当前角度
int dir   = 1;      // 方向：1 = 往角度变大那边，-1 = 往变小那边
int step  = 3;      // 每次挪几度

void setup() {
  Serial.begin(115200);
  myServo.attach(7);
  myServo.write(angle);
  delay(500);
}

void loop() {
  int before = analogRead(LIGHT);        // ① 转之前，先记下来

  angle += dir * step;                   // ② 往当前方向挪一小步
  angle = constrain(angle, 10, 170);     // ③ 别撞到两头
  myServo.write(angle);
  delay(120);                            // ④ 等舵机转过去、等读数稳住

  int after = analogRead(LIGHT);         // ⑤ 转之后，再读一次
  if (after < before) dir = -dir;        // ⑥ 变暗了 → 走反了，掉头
  // 变亮了就什么都不用做——方向保持

  Serial.print(angle);
  Serial.print("  ");
  Serial.println(after);
}

烧进去，把台灯放在它的一侧。 看着它：一开始可能乱转，但很快就会朝一个方向慢慢走，然后停在台灯那边。把台灯挪到另一边——它愣一下（因为方向错了），然后掉头，慢慢转过去。你现在有一个会追光的装置了。

delay(120) 是干什么的？ 两个作用：一是给舵机时间转过去（第 18 课那个脾气），二是给光敏时间稳住。这个数太小会怎样？舵机还没到位、光敏读数还在晃，你就在比较"转前"和"转后"——比的是噪声，它就原地打转了。 太大呢？反应变慢，追一盏灯要等半天。60 到 200 之间自己试，找出你觉得顺的。

constrain(angle, 10, 170) 是限制范围。 别让它往 0 度和 180 度硬顶——舵机顶到头会一直使劲、发热、嗡嗡响（第 18 课讲过）。两头各留 10 度余量，它一辈子都不会撞墙。

第四步：把角度和读数显示出来

加上 OLED，你就能看见它在想什么了。第 19 课那三步：擦干净 → 重新画 → 推上屏。

  oled.clearDisplay();
  oled.setCursor(0, 0);
  oled.print("Angle ");
  oled.println(angle);
  oled.setCursor(0, 26);
  oled.print("Light ");
  oled.println(after);
  oled.display();

屏幕上两个数字：它在几度，以及它看到的亮度。 你会发现一件有意思的事：它稳定下来以后，亮度那个数字会小小地来回跳——因为它在最亮点附近左右试探，这是"扰动观察法"的天性，不是故障。调一下 step 玩：

这就是"精度"和"速度"的取舍。 你自己找一个舒服的数。

六、组装：冰棒棍云台

目标是：舵机能稳稳固定在底座上，光敏坐在舵机臂上，而且转起来线不会扯到。

底座。 3 根冰棒棍并排（间隔 1cm），上面横压 2 根，点胶粘死——11×4cm 的平板。底下粘一块厚纸皮或两枚硬币当配重：舵机一转是有反作用力的，底座太轻会自己"走"。

固定舵机（难点一）。 舵机要躺着放，舵盘朝上，这样臂才能在水平面上扫。两侧的安装耳（MG90S 左右各有一个带孔的小耳朵）先用橡皮筋把舵机绑在底座上，看位置对不对；满意了，在两只耳朵和底座接触的地方点热熔胶。

注意：胶别灌进舵机本体和舵盘之间的那道缝。

那里面是齿轮和轴。胶一进去，舵机当场就卡死——通电以后它会一直使劲、发烫、最后烧掉。点胶的时候手稳一点，只点在耳朵和底座接触的那一两个点上。

做横臂（难点二）。 拿 1 根冰棒棍当横臂，它得固定在舵盘上。舵盘很小，直接粘粘不牢——按舵盘上的两个孔位，在冰棒棍上扎两个孔，用舵机自带的小螺丝把舵盘和冰棒棍拧在一起，再把舵盘压回舵机轴上。 装好后试转一下，从 10 度扫到 170 度，看横臂会不会蹭到底座，要留 5 毫米以上间隙，蹭到了就在舵机下面垫一小块纸皮。

装光敏（难点三）。 光敏模块粘在横臂的末端。那个小圆片（光敏电阻）必须朝外——朝向你要扫的那个方向，别让它被横臂或者舵机本体挡住，挡住就等于蒙住它的眼睛。胶还是只点 PCB 边缘，别糊到那个小圆片上。

理线（最容易忽略的一步）。 光敏的杜邦线，要在横臂根部留一段松的。 因为横臂是要转的，你把线绷得直直的，它一转线就被拉紧——轻则读数乱跳，重则把线扯断，或者把舵机拽得转不动。 做法：在横臂根部把线松松地绕一个小圈（像个"Ω"），再用橡皮筋或一小段胶带固定住。这个圈叫"服务环"，是真实工程里专门的一招——所有会动的线，都得留这么一段余量。

最后把线沿着立柱顺下来，用胶带轻轻固定，接回板子。装完了。上电，把台灯放在一侧，它自己会转过去。 你把台灯挪走，它跟着转。这东西放在书桌上，是能拿给别人看的。

七、【排查】舵机一动，板子就重启

这一节你一定要读，因为在这个课题里它几乎一定会发生。

先说症状。 上电，串口里正常打印，OLED 亮了显示出角度，一切正常。然后舵机开始扫——

"啪"一下。串口里又打印了一遍启动信息，OLED 也重新亮了一遍，从第一行开始，角度回到 90。 然后它又开始扫，转两下，"啪"，又重启了一遍。周而复始。最气人的是它时好时坏：有时候能连着扫好几轮，你以为好了，结果"啪"又来一下。

这时候你会怎么想？ 我猜是这三个之一：

• "是不是 OLED 抢电？拔了试试……咦，好像好一点？"
• "是不是我 delay 太短了，舵机没转完就下一条命令？改大点……好像也好一点。"
• "是不是板子坏了？"

先停手，别改代码。 电 → 信号 → 代码。

第一步：量电

万用表拨到直流电压档。黑表笔搭 GND，红表笔点在舵机红线接的那个电源脚上（也就是拓展板上的 5V 脚）。

舵机不动的时候，读一下——5.0V 左右。正常。所以你会觉得"电没问题"。 别急。

第二步：盯着表，让它转

这才是关键的一步。表笔别动，眼睛盯着万用表的数字，然后让舵机转起来（重新上电，或者在代码里让它扫）。

你会看到：舵机一动，数字就往下掉——掉到 4V、3.5V，甚至更低；转完又弹回 5V。掉到 3.x 伏的时候，板子就重启了。 你可以在串口里同步看着：数字掉下去的那一刻，正好就是"啪"的那一下。这就是答案。

第三步：为什么会掉

先说舵机那一头。 它里面是个电机，电机有个脾气：不转的时候不太耗电，一启动那一下特别费电——几百毫安打底，要是被东西挡住转不动，一安培都打不住。

再说板子这一头。 拓展板上那个 5V 是从哪来的？从 USB 口直接过来的。 USB 线有电阻、板子上的铜箔有电阻、插针接触也有电阻。平时电流小，这点电阻不算什么；电流一大，压降就出来了。

这就是"夏天一开空调，家里的灯会闪一下"的同一件事——大功率电器启动的瞬间把电压拉下去了。只不过你家的电网扛得住，你这块板子扛不住：电压一低，欠压保护就动作，直接重启。

顺便解释一下你那两个"好像好一点"的尝试：

拔掉 OLED 好一点？ 对，因为总负载轻了一点点，但主犯是舵机，你只是把一个从犯关起来了。 一卡住还是会重启。

把 delay 改大好一点？ 也对，因为舵机启动得不那么频繁了，平均电流小了。但根因没动。

这两个都是"改了一个变量，现象减轻了"的假象。 硬件排查里最容易被这种东西骗——现象变轻不等于问题解决。 你要找的是"那个不变的原因"，不是"能让它少犯一会儿的办法"。

第四步：正确做法（外加一次对比验证）

把舵机的红线从板子上拔下来，接到那个 5V 电池盒的正极。（4 节 5 号电池 = 6V，MG90S 标称 4.8~6V，完全没问题。）然后把电池盒的负极，用一根线连到板子的 GND 上——这就是共地。接好，再量一次那个 5V 脚（表笔不动，还是量板子这一侧）：舵机扫它的，板子这边的 5V 稳如泰山。 串口里的启动信息再也不打印了。

看到没有——问题不是"猜"没的，是被"排除"掉的。

你做了个对比：同一块板子、同一份代码、同一个舵机，只把供电换了，故障就消失了。 这就是证据。这就是第 5 课说的"先测，再猜"。

再补一句：共地那根线千万别忘。 忘了它，舵机会乱转、发抖、或者干脆不动——而且所有线看起来都是接对的。 第 18 课那张图里那根绕一大圈的灰线，就是它。

自测

本节你要动手做的事

• [ ] 先分开跑通两个模块：舵机能顺滑地扫（GPIO7），光敏读数能用手电筒改变（GPIO0）
• [ ] 确认红线不接板子：舵机红→独立 5V 电池盒正极，棕→GND 并和电池盒负极共地
• [ ] 先把光敏装上舵机臂，跑"40 度 / 140 度"对比程序，确认两个读数差得够大
• [ ] 如果两个读数一样：房间光太均匀了，拿一盏台灯或手电筒制造"亮的方向"
• [ ] 写核心逻辑：转前记一次、转后读一次，变暗就掉头（dir = -dir）
• [ ] 调 step 和 delay：试试 1 / 3 / 10，看看"准"和"快"的取舍
• [ ] 接上 OLED：显示角度和亮度，观察它在最亮点附近的小幅摇摆
• [ ] 做冰棒棍云台：底座加配重 → 舵机躺放（胶别灌进舵机缝里）→ 冰棒棍拧在舵盘上
• [ ] 光敏粘横臂末端：小圆片朝外，别被挡住；横臂根部留一个"Ω"形的服务环，别绷紧
• [ ] 用万用表做一次对比：先量舵机从板子取电时转动瞬间的电压，再量独立供电时的——把两个数记下来

回头看看这个课题你做成了一件什么事。

你没有买第二个光敏。你让唯一的那一个动了起来，于是它变成了两个。 这个思路比这个装置值钱——硬件不够的时候，先别急着买，想想能不能让已有的东西换个位置、换个时间、换个角度，去多拿一份信息。

还有那个环。 前面二十几节课，你的闭环都是"一条线"，走完就结束了。今天你第一次做出了一个真正的圈：输出改变了输入，输入又决定下一个输出。这个圈，是"自动"和"智能"之间的那道分界线。

下一节课，我们玩点热闹的：打地鼠游戏机。

按钮、OLED、蜂鸣器——这次你不再是"做实验的人"，你是"设计游戏的人"。 你要自己想清楚：地鼠什么时候冒出来、冒多久、打中了怎么算、打不中怎么算。

而且我要提醒你一件事：游戏机有个特别的要求——它得"及时"。 你按下去，它得马上反应。可你的程序里到处是 delay，delay 的时候板子什么都听不见。 这是个新麻烦。下节课见。