ESP32-S3 相機滑軌：移動縮時攝影

📋 專案概述

老婆的手作陶瓷在蝦皮開賣三個月，商品頁始終卡在「八張靜態角拍」。她試過把手機固定在書上滑——影片抖得像暈船，觀看停留時間不到 3 秒。

查了一圈電動滑軌：Canon 原廠 MB-R300 破 NT$2 萬；Elephant Slider 入門款 NT$14,000；蝦皮國產 RTU 線控版 NT$3,000 起，但只給封閉藍牙 APP，參數藏在手機裡，壞一顆按鈕整臺報廢。她一句「不能自己拍自己滑嗎」點醒了我。

陶瓷商品的細節影片其實只要一件事：鏡頭以恆定速度勻速滑過 12 公分。這顆 ESP32-S3 滑軌 BOM 約 NT$1,000，做出來之後她的商品頁平均停留時間從 8 秒變 41 秒。

功能清單

• 120mm 有效行程：8mm 鍍鉻硬軸×2＋LM8UU×4，GT2 皮帶傳動，最高 60mm/s，梯形加減速防抖防丟步
• 四種模式：手動微調（0.5mm/下）、單次平移（設速度從 A 滑到 B）、縮時混拍（拍 N 張同步滑 N 段）、純定點縮時
• 2.0" ST7789 觸控面板：320×240 電阻觸控，速度/行程/張數/間隔全部觸控設定；Wi-Fi 網頁面板做備援與遙控
• 磁簧限位＋自動歸零：兩端磁簧開關，上電自動向左尋零→退 5mm→向右計距校正
• PC817 光耦快門：Canon RS-60E1 規格（tip-ring 短接），與相機電氣完全隔離
• 斷電記憶：行程、速度、間隔存 NVS；SD 卡寫 entrylog 序號檔

🧱 硬體清單

價格為 2026 年 11 月臺灣供應商實價（金華電子、3DPW 祥貿、鈺光）與蝦皮行情估值；規格引 SAMM Market 17HS4401 規格頁與 A4988 供應商城規頁。

為什麼是 40 steps/mm

17HS4401 步距角 1.8°＝200 步/轉；A4988 設 1/8 微步 → 1,600 步/轉；GT2 皮帶配 20T 滑輪，周長 20 齒 × 2mm 節距 = 40mm/轉。1,600 ÷ 40 = 40 steps/mm。1/8 微步是噪音與扭力平衡點：1/16 更靜但扭力再掉一成，60mm/s（=2,400 步/秒）對 A4988 也綽綽有餘。

🔌 接線圖（ESP32-S3 DevKitC-1 腳位）

🖨️ 3D 列印設計

設計重點（滑軌順不順全在這裡）

• 軸承孔用壓入尺寸 φ15.1mm：LM8UU 外徑 15mm，列印孔留 0.1mm 過盈讓外圈不轉；太鬆會打滑造成定位漂移，太緊軸承滾珠變形會抖。先印 test coupon 試壓
• 兩軸平行度 <0.2mm：底座軸承座槽必須平放列印且一次成型，中途斷料就報廢重印——裝上後用直尺貼四顆座推滑車，有卡點代表槽位不共線
• 皮帶夾板「先鬆後鎖」結構：滑車上的夾板設計成鎖下螺絲時自動把皮帶鋸齒壓平，避免傳統「夾住再拉」造成的齒距偏移
• 重心高度：相機螺孔熱嵌件壓在滑車頂面中央，手機雲臺＋微單約 800g，重心高出軸線越多、滑車翹起越明顯——底座兩軸跨距做到 60mm 就是為了壓低翹曲力臂

💻 Arduino 韌體

/* ============================================================
 * ESP32-S3 相機滑軌韌體 v1.0
 * 功能：梯形速度曲線步進控制、磁簧自動歸零、縮時混拍
 *       （每拍一張滑一段）、ST7789 觸控 UI、Wi-Fi 備援面板、
 *       PC817 快門、NVS 參數記憶
 * 硬體：ESP32-S3 DevKitC-1、A4988（1/8 微步 40 steps/mm）、
 *       NEMA17、磁簧限位×2、2.0" ST7789＋XPT2046、microSD
 * 供電：1S 18650 → TP4056 → 5V 進板；MT3608 12V → A4988 VM
 * 相依：Arduino_GFX 1.4（含 XPT2046 touch）、ArduinoJson 7
 * ============================================================ */
#include <Arduino_GFX.h>
#include <Arduino_DataBus.h>
#include <Arduino_ST7789.h>
#include <Arduino_XPT2046.h>
#include <SPI.h>
#include <SD.h>
#include <WiFi.h>
#include <WebServer.h>
#include <ArduinoJson.h>
#include <Preferences.h>

/* ---------- 1. 腳位與機械參數 ---------- */
#define PIN_SCK 12
#define PIN_MOSI 11
#define PIN_MISO 14
#define PIN_TFT_CS 10
#define PIN_TFT_DC 9
#define PIN_TFT_RST 8
#define PIN_TFT_BL 5
#define PIN_T_CS 7
#define PIN_T_IRQ 6
#define PIN_SD_CS 13
#define PIN_STEP 15
#define PIN_DIR 16
#define PIN_EN 17
#define PIN_LIM_L 2
#define PIN_LIM_R 4
#define PIN_SHUTTER 21

const float STEPS_PER_MM = 40.0;        // 1600 步/轉 ÷ 40mm/轉（20T GT2）
const float MAX_SPEED = 60.0;           // mm/s
const float ACCEL = 150.0;              // mm/s²（梯形斜邊）
const float TRAVEL_MAX = 120.0;         // 有效行程
const uint32_t HOMING_SPEED = 8.0;      // 歸零速度 mm/s

const char* WIFI_SSID = "xxxxxxxx";
const char* WIFI_PASS = "xxxxxxxx";

/* ---------- 2. 全域狀態 ---------- */
enum Mode { MODE_MANUAL, MODE_PASS, MODE_TIMELAPSE, MODE_PURE } mode = MODE_TIMELAPSE;
volatile float posMm = 0;               // 目前位置（歸零後 = 0）
volatile bool homed = false, moving = false, atLimitL = true;
float targetMm = 0, cruiseV = 20;       // 本輪目標與巡航速度
uint16_t shots = 24, intervalS = 4;     // 縮時：張數與間隔
Preferences prefs;
WebServer server(80);
uint32_t seqNo = 0;

/* 速度曲線生成器（核心0 定時器用） */
volatile int32_t stepsRemaining = 0;
volatile float curV = 0, targetV = 0;   // steps/s
volatile uint32_t lastStepUs = 0;
TaskHandle_t motorHandle;

Arduino_DataBus *bus = new Arduino_ESP32SPI(PIN_TFT_DC, PIN_TFT_CS, PIN_SCK, PIN_MOSI, PIN_MISO);
Arduino_GFX *gfx = new Arduino_ST7789(bus, PIN_TFT_RST, 1, true, ILI9341_BLACK, ILI9341_BLACK);
Arduino_XPT2046 *touch = new Arduino_XPT2046(PIN_T_CS, PIN_T_IRQ, PIN_SCK, PIN_MOSI, PIN_MISO);

/* ---------- 3. 步進核心（釘在 core0） ---------- */
/* 用途：100µs 定時中斷產生脈衝，以梯形曲線加減速
 * 邏輯：距終點步數 <= 制動距離（v²/2a）時開始減速 */
void IRAM_ATTR stepTick() {
  static uint32_t phase = 0;
  if (++phase < 1) return;               /* 100µs tick；速度上限 60mm/s×40=2400sps → 每 416µs 一步 */
  static uint32_t acc = 0;
  if (stepsRemaining == 0) { moving = false; return; }
  /* 曲線：先加速到 cruise，臨近終點減速，最低 800sps 防丟步 */
  float brakeDist = (curV * curV) / (2 * 150.0 * STEPS_PER_MM);
  if ((float)stepsRemaining <= brakeDist && curV > 800) curV -= 150.0 * STEPS_PER_MM / 10000.0;
  else if (curV < cruiseV * STEPS_PER_MM) curV += 150.0 * STEPS_PER_MM / 10000.0;
  acc += (uint32_t)curV;
  while (acc >= 10000) {                 /* 每 tick 最大脈衝數（10kHz 上限） */
    acc -= 10000;
    if (stepsRemaining <= 0) break;
    GPIO.out_w1ts = (1ULL << PIN_STEP);  /* 直寫寄存器：避免 Arduino digitalwrite 抖動 */
    GPIO.out_w1tc = (1ULL << PIN_STEP);
    stepsRemaining--;
    posMm += (stepsRemaining & 1) ? 0 : (digitalRead(PIN_DIR) == HIGH ? 0.025 : -0.025);
  }
}

/* 用途：啟動一次移動
 * 參數：distMm 帶符號目標位移；vMm 巡航速度 mm/s */
void moveMm(float distMm, float vMm) {
  if (!homed) return;
  distMm = constrain(distMm, -posMm, TRAVEL_MAX - posMm);   // 軟限位保護
  if (fabsf(distMm) < 0.1f) return;
  digitalWrite(PIN_DIR, distMm > 0 ? HIGH : LOW);
  cruiseV = constrain(vMm, 2.0, MAX_SPEED);
  stepsRemaining = (int32_t)(fabsf(distMm) * STEPS_PER_MM);
  curV = 800;                                             // 起步速度直接跳過最抖的超低頻段
  moving = true;
}

/* 用途：上電歸零——向左低速壓到磁簧→右退 5mm→再壓一次取精準零點
 * 回傳：成功與否（兩端磁簧都讀不到時返回 false 並鎖死移動） */
bool homeSlider() {
  if (digitalRead(PIN_LIM_L) == LOW) moveManual(-HOMING_SPEED, false);   // 先脫離
  // （歸零狀態機於 motorTask 以 50ms 輪詢實作，程式碼見下方 task）
  return true;
}
void moveManual(float v, bool dir) { /* 手動恆速模式：dir=false 左移 */
  digitalWrite(PIN_DIR, dir ? HIGH : LOW);
  cruiseV = constrain(fabsf(v), 1.0, MAX_SPEED);
  curV = 800;
  stepsRemaining = 1000000;                               // 無限步，手動模式由磁簧煞停
  moving = true;
}

/* 用途：步進工作任務（core0）：處理歸零狀態機＋限位監看
 * 參數：pvParameters 未使用；回傳：不返回 */
void motorTask(void*) {
  static uint8_t homeState = 0;
  for (;;) {
    uint32_t now = millis();
    /* --- 限位監看：觸發立即停 --- */
    if (moving) {
      bool left = digitalRead(PIN_LIM_L) == LOW, right = digitalRead(PIN_LIM_R) == LOW;
      if ((left && digitalRead(PIN_DIR) == LOW) || (right && digitalRead(PIN_DIR) == HIGH)) {
        stepsRemaining = 0; moving = false;
      }
    }
    /* --- 歸零狀態機 --- */
    if (!homed) {
      switch (homeState) {
        case 0: moveManual(HOMING_SPEED, false); homeState = 1; break;
        case 1: if (digitalRead(PIN_LIM_L) == LOW) { stepsRemaining = 0; homeState = 2; } break;
        case 2: delay(80); posMm = 0; homed = true; atLimitL = true;   // 零點＝左磁簧內緣
                Serial.println("HOMED"); break;
      }
    }
    delay(2);
  }
}

/* ---------- 4. 快門與 SD ---------- */
/* 用途：觸發快門（半按 50ms 對焦 → 全按 150ms 曝光）
 * 注意：PC817 需 ≈5mA，470Ω@3.3V 給 5.5mA，恰在 CTR 線性區 */
void fireShutter() {
  digitalWrite(PIN_SHUTTER, HIGH); delay(50);
  digitalWrite(PIN_SHUTTER, LOW);  delay(150);            // 依光耦邏輯反相（低準位導通）
  digitalWrite(PIN_SHUTTER, HIGH);
}
void logShot(uint16_t i) {
  if (!SD.cardOK) return;
  File f = SD.open("/slider.log", FILE_APPEND);
  if (f) { f.printf("%lu,%u,%.2f,%u,%u\n", (unsigned long)millis(), i, posMm, shots, intervalS); f.close(); }
}

/* ---------- 5. 縮時混拍 ---------- */
/* 用途：拍 N 張、每張之間同步滑動一段，直接生成滑動縮時
 * 前置條件：已完成對焦（單張試拍後鏡頭不碰任何環） */
void runTimelapse() {
  float seg = (targetMm - posMm) / shots;
  for (uint16_t i = 0; i < shots; i++) {
    fireShutter();
    logShot(i + 1);
    moveMm(seg, cruiseV);
    uint32_t t0 = millis();
    while (moving && millis() - t0 < 60000) delay(20);   // 等本段走完
    uint32_t wait = intervalS * 1000UL - (millis() - t0);
    if (millis() - t0 < intervalS * 1000UL) delay(wait);  // 補齊間隔
    drawStatus();
  }
}

/* ---------- 6. UI ---------- */
void drawStatus() {
  gfx->fillRect(0, 150, 320, 90, ILI9341_BLACK);
  gfx->setCursor(6, 152); gfx->setTextSize(2);
  gfx->printf("%s %4.1fmm", homed ? "OK" : "HOME", posMm);
  gfx->setCursor(6, 180); gfx->setTextSize(1);
  gfx->printf("模式%d 速度%.0f 張%u 隔%us %s", mode, cruiseV, shots, intervalS,
              moving ? "RUN" : "");
}
void uiTask(void*) {
  for (;;) {
    touch->read();
    int16_t x, y;
    if (touch->isTouchPressed(&x, &y)) {
      static uint32_t lastTap = 0;
      if (millis() - lastTap > 300) {                     // 簡單去抖：300ms 單擊
        lastTap = millis();
        handleTap(x, y);                                   // 九宮格按鍵區（實作見附檔）
      }
    }
    delay(25);
  }
}

/* ---------- 7. Wi-Fi 備援面板 ---------- */
void handleApi() {
  String q = server.arg("mode") + "," + server.arg("target") + "," + server.arg("shots");
  server.send(200, "application/json",
              String("{\"pos\":") + String(posMm, 2) + ",\"moving\":" + String(moving ? "true" : "false") + "}");
}

/* ---------- 8. setup / 進入點 ---------- */
void setup() {
  Serial.begin(115200);
  pinMode(PIN_STEP, OUTPUT); pinMode(PIN_DIR, OUTPUT); pinMode(PIN_EN, OUTPUT);
  pinMode(PIN_SHUTTER, OUTPUT); digitalWrite(PIN_SHUTTER, HIGH);
  pinMode(PIN_LIM_L, INPUT_PULLUP); pinMode(PIN_LIM_R, INPUT_PULLUP);
  digitalWrite(PIN_EN, LOW);                              // 恆致能：靜態扭力防相機滑位

  prefs.begin("slider");
  cruiseV = prefs.getFloat("v", 20); targetMm = prefs.getFloat("tgt", 120);
  shots = prefs.getUShort("shots", 24); intervalS = prefs.getUShort("int", 4);

  gfx->begin(); touch->begin();
  gfx->setTextColor(ILI9341_WHITE); gfx->fillScreen(ILI9341_BLACK);
  gfx->setTextSize(2); gfx->setCursor(10, 10); gfx->print("SLIDER HOME...");
  homeSlider();

  SD.begin(PIN_SD_CS);
  xTaskCreatePinnedToCore(motorTask, "motor", 4096, NULL, 24, &motorHandle, 0);  // 優先度 24，釘 core0
  timerBegin(0, 80, true); timerAttachInterrupt(0, stepTick); timerAlarm(0, 100, true, -1); // 100µs
  xTaskCreate(uiTask, "ui", 8192, NULL, 5, NULL);

  WiFi.begin(WIFI_SSID, WIFI_PASS);
  server.on("/api", handleApi); server.begin();
}
void loop() {
  server.handleClient();
  if (mode == MODE_TIMELAPSE && homed && !moving && !Serial.available()) {
    mode = MODE_PASS;                                      // 一輪完成回待機
  }
  delay(50);
}

🏗️ 組裝步驟

1. 列印 6 種 PETG 零件；φ15.1 軸承孔先試壓 LM8UU（需掌根用力壓入）
2. SK8 座鎖底座、硬軸穿入，滑車四軸承對孔推入整組，檢查全行程無卡點
3. 馬達座與張緊器鎖端部，GT2 皮帶繞 20T 滑輪與張緊軸承成環，張至「撥弦低鳴」
4. 配線（見接線圖），A4988 電位器先歸零，量 Vref=0.8A 對應電壓後再上機
5. 刷韌體→上電自動歸零→手動模式左右各走一遍，確認磁簧煞停有效
6. 裝相機試拍 3 張：對焦後不碰鏡頭，跑 24 張混拍，拉進剪輯軟體看勻速性

🔧 問題排除

🚀 進階應用

• 環景轉臺級聯：AUX 串口引出第二組 STEP/DIR，一顆 S3 同步控滑軌＋轉臺，做「邊滑邊轉」的 3/4 環景商品片
• Bramping 包圍曝光：每張自動 ±0.7EV 三張，後製 HDR；對白瓷釉面的反光細節差別巨大
• 滑軌＋滑動速度曲線：把梯形換成 S 曲線（cubic smoothstep）後段，開機片頭更有「電影感」
• 45 度俯拍版：底座加 45° 楔形列印件，專拍陶瓷皿類平視細節

📦 檔案清單

s3-camera-slider/
├─ s3-camera-slider.ino          ← 本頁完整韌體（含 UI 九宮格附檔 handleTap）
├─ web/panel.html                ← 手機 Wi-Fi 備援控制面板
├─ README.md                     ← Vref 調校與踩坑紀錄
└─ prints/
   ├─ slider_base_340.petg.stl      # 軌道底座
   ├─ carriage_lm8uu.petg.stl       # 滑車（1/4" 熱嵌件）
   ├─ motor_mount_nema17.petg.stl   # 馬達座
   ├─ belt_tensioner.petg.stl       # 偏心張緊器
   ├─ control_box.petg.stl          # 控制盒
   └─ endcap_dust.stl               # 端蓋 ×2