基于单目视觉的目标物测量装置

项目概述

本项目为 2025 年全国大学生电子设计竞赛 C 题 参赛作品，设计一套基于单目视觉的目标物测量装置，实现对目标物的距离测量与尺寸估算。

我担任 硬件与采样负责人，独立负责电参数监测子系统的硬件设计与调试：电流采样（三运放仪放 + Sallen-Key 滤波）、电压分压采样、STM32 ADC 多通道采集、I2C 接收 K230 视觉测量数据、UART 串口屏外显。

项目成果：

• 整机数据稳定，重复性误差 < 3%
• 电参数监测子系统零故障运行
• 获全国大学生电子设计竞赛河南省三等奖

电参数采样硬件设计

电流采样通道

在总供电电路前串接 0.1 Ω / 3W 精密采样电阻，将回路电流转换为微弱电压信号。电阻两端接入 三运放仪放电路，提供高输入阻抗与可调增益，放大后的信号经过 Sallen-Key 二阶低通滤波 滤除高频噪声，最终输出至 STM32 ADC_IN1。

总供电输入 ──[0.1Ω/3W]──▶ 负载
                │
                ▼
        三运放仪放（差分放大）
                │
                ▼
        Sallen-Key 低通滤波
                │
                ▼
            ADC_IN1

设计要点：

• 采样电阻选用 3W 功率等级，承受最大 5 A 电流（压降 0.5 V）
• 三运放结构：前级双运放同相输入提供高阻抗，后级差分输出消除共模噪声
• Sallen-Key 拓扑：单位增益配置，截止频率约 50 Hz，保留直流与缓变电参数
• 仪放增益根据最大电流与 ADC 量程匹配计算

电压采样通道

在 5 V 电压输出端引一支路，经 电阻分压网络 将电压降至 ADC 量程范围内，接入 ADC_IN2。

5V 输出 ──[R1]──┬──[R2]── GND
                │
                ▼
            ADC_IN2

• 分压比根据 ADC 参考电压（3.3 V）设计，留 10% 余量
• 分压电阻选用 1% 精度，降低分压误差
• 分压输出端并联 100 nF 电容滤波

ADC 多通道采样

STM32F103C8T6 内置 12 位 ADC，配置为扫描模式 + DMA 传输：

• 通道 1（ADC_IN1）：电流采样值
• 通道 2（ADC_IN2）：电压采样值
• 采样周期 20 ms（50 Hz），与 PID 控制周期同步
• DMA 循环搬运，双缓冲避免数据覆盖

// ADC 采样数据结构
typedef struct {
    uint16_t raw_current;   // ADC_IN1 原始值
    uint16_t raw_voltage;   // ADC_IN2 原始值
    float current_A;        // 换算后电流（A）
    float voltage_V;        // 换算后电压（V）
    float power_W;          // 计算功率（W）
} PowerSample_t;

数据通信设计

I2C — 接收 K230 视觉数据

K230 视觉模组负责图像采集与算法推理，输出目标物的 距离 与 尺寸 数据。STM32 作为 I2C 主设备，周期性读取 K230 的测量结果：

• I2C 时钟：100 kHz（标准模式）
• K230 从机地址：硬件配置为 0x5A
• 数据帧格式：帧头(2B) + 距离(4B float) + 尺寸(4B float) + 校验(1B)
• 读取周期：100 ms，与视觉算法帧率匹配

// 读取 K230 视觉数据
void K230_ReadResult(float *distance, float *size) {
    uint8_t buf[10];
    HAL_I2C_Mem_Read(&hi2c1, K230_ADDR << 1, 0x00,
                     I2C_MEMADD_SIZE_8BIT, buf, 10, 100);
    if (buf[0] == 0xAA && buf[1] == 0x55) {
        memcpy(distance, &buf[2], 4);
        memcpy(size, &buf[6], 4);
    }
}

UART — 串口屏外显

STM32 将电参数（电压/电流/功率）与 K230 视觉结果（距离/尺寸）打包后，通过 UART 发送至串口屏显示：

• 接口：USART1，波特率 115200，8N1
• 数据帧：帧头(0xAA 0x55) + 命令字(1B) + 数据长度(1B) + 数据(nB) + 校验和(1B)
• 显示内容：
  • 实时电压、电流、功率
  • 目标物距离、长宽尺寸
  • 系统运行状态指示

// 串口屏数据上传
void HMI_UpdateDisplay(float volt, float curr, float dist, float size) {
    uint8_t tx[20];
    tx[0] = 0xAA; tx[1] = 0x55;
    tx[2] = 0x01;  // 命令字：更新测量页
    tx[3] = 16;    // 数据长度
    memcpy(&tx[4],  &volt, 4);
    memcpy(&tx[8],  &curr, 4);
    memcpy(&tx[12], &dist, 4);
    memcpy(&tx[16], &size, 4);
    tx[18] = checksum(&tx[2], 16);
    HAL_UART_Transmit(&huart1, tx, 19, 50);
}

硬件调试过程

仪放输出漂移

上电后发现仪放输出存在约 50 mV 零点偏移，导致零电流时 ADC 读数非零。

排查步骤：

1. 断开输入，短接仪放输入端，测量输出偏移
2. 确认非电阻失配问题（已用 1% 电阻）
3. 发现运放输入偏置电流在增益电阻上产生附加压降
4. 整改：在仪放调零引脚外加电位器，手动调零至 < 1 mV

I2C 通信丢包

K230 数据偶尔出现帧头错位，导致解析失败。

排查步骤：

1. 逻辑分析仪抓取波形：SCL 上升沿存在振铃
2. 分析：走线过长（约 15 cm），分布电容导致信号完整性下降
3. 整改：
   • I2C 走线缩短至 8 cm 以内
   • SDA/SCL 串联 33 Ω 电阻抑制振铃
   • 上拉电阻从 4.7 kΩ 改为 2.2 kΩ，增强驱动能力

整改后通信稳定，连续 24 小时无丢包。

项目复盘

• 电赛时间紧：7 天内完成方案确定、PCB 绘制、焊接与调试，采用模块化验证策略，每完成一个子系统立即测试
• 采样精度：12 位 ADC + 仪放方案满足题目精度要求，电流分辨力达 5 mA
• 团队协作：电参数监测子系统提前 1 天完成并交付软件联调，为算法优化留出充足时间

项目实拍