使用Arduino的超聲波測距儀

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資料介紹

描述

超聲波測距儀是各種現實生活和機器人應用中的有用工具，例如避障和距離測量系統。超聲波測距儀通過發射一個 40KHz 的超聲波脈沖來測量距離，該脈沖在空氣中傳播直到它擊中一個物體，然后它測量反射信號的延遲并向其他單元發送適當的命令。

我使用了一個 SRF05 超聲波傳感器和一個 ATtiny85 微控制器。距離數據顯示在 128*64 OLED 屏幕上，以厘米和英寸為單位。此外，水平條形圖提供了距離的視覺估計。MCU 代碼是使用 Arduino IDE 開發的。

為了設計原理圖和 PCB，我使用了 Altium Designer 22 和 SamacSys 組件庫（Altium 插件）。為了獲得高質量的 PCB 板，我將 Gerber 發送到 PCBWay，并使用 componentsearchengine.com 購買了原始組件。為了檢查電路的電流消耗，我使用了 Sigilent SDM3045X 萬用表。

是不是很酷？！所以讓我們開始吧。

規格

輸入電壓：6-24VDC

電流消耗：24mA

檢測范圍：2-400cm（見正文）

距離數據：厘米、英寸、條形圖

顯示：128*64-黃藍OLED

電路分析

圖1為超聲波測距儀裝置示意圖。很明顯，該電路由四個主要部分組成：傳感器、電源、MCU和顯示器。我分別解釋每個部分。

圖1 超聲波測距儀（Altium）示意圖

SRF05超聲波傳感器

我在電路中使用了 SRF05 超聲波模塊。市面上的 SRF05 模塊有很多種，我用的是圖 2 所示的那個。

模塊的質量可能會有所不同，因此無法保證最大檢測范圍。其中一些有藍色阻焊層，一些是綠色的，不同的制造商也提供這樣的模塊。

根據 SRF05 模塊數據表：“SRF05 是 SRF04 的進化步驟，旨在提高靈活性、擴大范圍并進一步降低成本。因此，SRF05 與 SRF04 完全兼容。射程從 3 米增加到 4 米。一種新的操作模式（將模式引腳接地）允許 SRF05 使用單個引腳來觸發和回波，從而節省控制器上寶貴的引腳。當模式引腳未連接時，SRF05 使用單獨的觸發和回波引腳運行，如 SRF04。SRF05 在回波脈沖之前包含一個小的延遲，以便為較慢的控制器（例如 Basic Stamp 和 Picaxe）提供時間來執行它們的脈沖命令。”

圖 2 SRF05 超聲波模塊（藍色阻焊層）

電源

電源的主要元件是TS2937CW50[1]穩壓器（REG1）。它是一個 +5V SOT-223 LDO 穩壓器。根據 TS2937 數據表：“TS2937 固定電壓單片微功率穩壓器專為廣泛的應用而設計。該器件是電池供電應用的絕佳選擇。此外，靜態電流在壓降時略有增加，從而延長了電池壽命。該系列固定電壓穩壓器具有極低的接地電流（典型值 200uA）和極低的壓降輸出電壓（典型值在輕負載時為 60mV，在 500mA 時為 600mV）。這包括 2% 的嚴格初始容差、0.05% 典型值的極好線路調節以及非常低的輸出溫度系數。”

FB1 和 C5 降低輸入電壓噪聲。D1 是藍色 0805 LED，用于指示電源連接正確，R2 限制 D1 的電流。C4 和 C6 用于降低 +5V 電源軌的噪聲。P1 是一個 XH-2P 母連接器，用于將電源線連接到電路板。

微控制器

IC1 是一個 ATtiny85 MCU [2]，它是電路的核心。我選擇了這款芯片的貼片封裝。根據 Tiny85 數據表：“ATtiny25/45/85 提供以下特性：2/4/8K 字節系統內可編程閃存、128/256/512 字節 EEPROM、128/256/256 字節 SRAM、6 個通用用途 I/O 線、32 個通用工作寄存器、一個 8 位定時器/計數器（帶比較模式）、一個 8 位高速定時器/計數器、通用串行接口、內部和外部中斷、一個 4 通道、10-位 ADC、帶內部振蕩器的可編程看門狗定時器和三種軟件可選的省電模式。空閑模式停止 CPU，同時允許 SRAM、定時器/計數器、ADC、模擬比較器和中斷系統繼續工作。掉電模式保存寄存器內容，禁用所有芯片功能，直到下一次中斷或硬件復位。ADC 降噪模式會停止 CPU 和除 ADC 之外的所有 I/O 模塊，以最大限度地減少 ADC 轉換期間的開關噪聲。該器件采用 Atmel 的高密度非易失性存儲器技術制造。片上 ISP 閃存允許程序存儲器通過 SPI 串行接口、傳統的非易失性存儲器編程器或運行在 AVR 內核上的片上引導代碼在系統內重新編程。”

C1、C2 和 C3 是去耦電容，用于降低噪聲。R1 是一個上拉電阻，用于避免不必要地觸發 MCU 的 RESET 引腳。

OLED顯示屏

該顯示器由一個 0.96” 128*64 OLED 模塊和一個 SSD1306 控制器芯片組成。模塊的數據/命令接口為 I2C。圖 3 顯示了該模塊的圖片。I2C 由需要使用兩個電阻上拉的 SDA 和 SCL 線組成。該模塊已經實現了上拉，因此無需在線路上添加更多電阻。

圖3 設備OLED顯示屏（0.96”, 128*64, I2C）

PCB布局

圖 4 顯示了電路的 PCB 布局。它是一個兩層 PCB 板，所有組件都是 SMD。顯示器應位于 PCB 上方幾毫米處，以保持組件與顯示器背面之間的距離，以避免和短路等。PCB 設計緊湊且易于使用。

圖 4 超聲波測距儀 (Altium) 的 PCB 布局

當我決定為這個項目設計原理圖和 PCB 時，我意識到我的組件庫存儲中沒有 REG1 [3] 和 IC2 [4] 的組件庫。因此，像往常一樣，我選擇了 IPC 級 SamacSys 組件庫，并使用免費的 SamacSys 工具和服務安裝了缺少的庫（原理圖符號、PCB 封裝、3D 模型）。導入庫有兩種方法：您可以訪問componentsearchengine.com并手動下載并導入庫，或者您可以使用SamacSys CAD插件并自動將庫導入/安裝到設計環境中。圖 5 顯示了所有支持的電子設計 CAD 軟件 [5]。很明顯，所有著名的球員都得到支持。我使用 Altium Designer，所以我使用 SamacSys Altium 插件安裝了缺少的庫（圖 6）[6]。

圖 5 SamacSys 插件支持的所有電子設計 CAD 軟件

圖 6 SamacSys Altium 插件中選定的組件庫

圖7 PCB板的3D視圖和兩個組裝圖

代碼

MCU的代碼編寫如下。您需要安裝 ATtinyCore Board Manager [7] 并從菜單中選擇 ATtiny25/45/85（無引導加載程序）（圖 8）。然后選擇芯片為 ATtiny85 并選擇 8MHz (Internal) 作為時鐘源（圖 9）。

然后您需要安裝 NewPing [8] 和 Tiny4KOLED [9] 庫。之后，只需轉到“Sketch”菜單并選擇“Export compiled binary”（圖 10）。而已。您可以在與您的代碼相同的文件夾中找到已編譯的 HEX 文件。只需使用 AVR ISP 編程器（例如 USBasp 或其他）使用 PCB 背面的可用引腳（GND、RESET、MISO、MOSI、SCK）對芯片進行編程。按照程序對保險絲位進行編程，如圖 11 所示。從板上斷開編程器和電線，就是這樣:-)。