基于SRF05和ATtiny85实现的超声波测距仪设计

科技观察员 2022-04-11 2543

描述

　　超声波测距仪是各种现实生活和机器人应用中的有用工具，例如避障和距离测量系统。超声波测距仪通过发射一个 40KHz 的超声波脉冲来测量距离，该脉冲在空气中传播直到它击中一个物体，然后它测量反射信号的延迟并向其他单元发送适当的命令。

　　我使用了一个 SRF05 超声波传感器和一个 ATtiny85 微控制器。距离数据显示在 128*64 OLED 屏幕上，以厘米和英寸为单位。此外，水平条形图提供了距离的视觉估计。MCU 代码是使用 Arduino IDE 开发的。

　　为了设计原理图和 PCB，我使用了 Altium Designer 22 和 SamacSys 组件库（Altium 插件）。为了获得高质量的 PCB 板，我将 Gerber 发送到 PCBWay，并使用 componentsearchengine.com 购买了原始组件。为了检查电路的电流消耗，我使用了 Sigilent SDM3045X 万用表。

　　规格

　　输入电压：6-24VDC

　　电流消耗：24mA

　　检测范围：2-400cm（见正文）

　　距离数据：厘米、英寸、条形图

　　显示：128*64-黄蓝OLED

　　下载 Gerbers

　　电路分析

　　图1为超声波测距仪装置示意图。很明显，该电路由四个主要部分组成：传感器、电源、MCU和显示器。我分别解释每个部分。

超声波

　　图1-超声波测距仪（Altium）示意图

　　SRF05超声波传感器

　　我在电路中使用了 SRF05 超声波模块。市面上的 SRF05 模块有很多种，我用的是图 2 所示的那个。

　　模块的质量可能会有所不同，因此无法保证最大检测范围。其中一些有蓝色阻焊层，一些是绿色的，不同的制造商也提供这样的模块。

　　根据 SRF05 模块数据表：“SRF05 是 SRF04 的进化步骤，旨在提高灵活性、扩大范围并进一步降低成本。因此，SRF05 与 SRF04 完全兼容。射程从 3 米增加到 4 米。一种新的操作模式（将模式引脚接地）允许 SRF05 使用单个引脚来触发和回波，从而节省控制器上宝贵的引脚。当模式引脚未连接时，SRF05 使用单独的触发和回波引脚运行，如 SRF04。SRF05 在回波脉冲之前包含一个小延迟，以便为较慢的控制器（例如 Basic Stamp 和 Picaxe）提供时间来执行它们的脉冲命令。”

超声波

　　图 2-SRF05 超声波模块（蓝色阻焊层）

　　电源供应

　　电源的主要元件是TS2937CW50［1］稳压器（REG1）。它是一个 +5V SOT-223 LDO 稳压器。根据 TS2937 数据表：“TS2937 固定电压单片微功率稳压器专为广泛的应用而设计。该器件是电池供电应用的绝佳选择。此外，静态电流在压降时略有增加，从而延长了电池寿命。该系列固定电压稳压器具有极低的接地电流（典型值 200uA）和极低的压降输出电压（典型值在轻负载时为 60mV，在 500mA 时为 600mV）。这包括 2% 的严格初始容差、0.05% 典型值的极好线路调节以及非常低的输出温度系数。”

　　FB1 和 C5 降低输入电压噪声。D1 是蓝色 0805 LED，用于指示电源连接正确，R2 限制 D1 的电流。C4 和 C6 用于降低 +5V 电源轨的噪声。P1 是一个 XH-2P 母连接器，用于将电源线连接到电路板。

　　微控制器

　　IC1 是一个 ATtiny85 MCU ［2］，它是电路的核心。我选择了这款芯片的贴片封装。根据 Tiny85 数据表：“ATtiny25/45/85 提供以下特性：2/4/8K 字节系统内可编程闪存、128/256/512 字节 EEPROM、128/256/256 字节 SRAM、6 个通用专用 I/O 线、32 个通用工作寄存器、一个 8 位定时器/计数器（带比较模式）、一个 8 位高速定时器/计数器、通用串行接口、内部和外部中断、一个 4 通道、10-位 ADC、带内部振荡器的可编程看门狗定时器和三种软件可选的省电模式。空闲模式停止 CPU，同时允许 SRAM、定时器/计数器、ADC、模拟比较器和中断系统继续工作。掉电模式保存寄存器内容，禁用所有芯片功能，直到下一次中断或硬件复位。ADC 降噪模式会停止 CPU 和除 ADC 之外的所有 I/O 模块，以最大限度地减少 ADC 转换期间的开关噪声。该器件采用 Atmel 的高密度非易失性存储器技术制造。片上 ISP 闪存允许程序存储器通过 SPI 串行接口、传统的非易失性存储器编程器或运行在 AVR 内核上的片上引导代码在系统内重新编程。”

　　C1、C2 和 C3 是去耦电容，用于降低噪声。R1 是一个上拉电阻，用于避免不必要地触发 MCU 的 RESET 引脚。

　　OLED显示器

　　该显示器由一个 0.96” 128*64 OLED 模块和一个 SSD1306 控制器芯片组成。模块的数据/命令接口为 I2C。图 3 显示了该模块的图片。I2C 由需要使用两个电阻上拉的 SDA 和 SCL 线组成。该模块已经实现了上拉，因此无需在线路上添加更多电阻。

超声波

　　图 3-设备OLED显示屏（0.96”， 128*64， I2C）

　　PCB布局

　　图 4 显示了电路的 PCB 布局。它是一个两层 PCB 板，所有组件都是 SMD。显示器应位于 PCB 上方几毫米处，以保持组件与显示器背面之间的距离，以避免短路等。PCB 设计紧凑且易于使用。

超声波

　　图 4-超声波测距仪（Altium）的PCB布局

　　当我决定为这个项目设计原理图和 PCB 时，我意识到我的组件库存储中没有 REG1 ［3］和 IC2 ［4］的组件库。因此，像往常一样，我选择了 IPC 级 SamacSys 组件库，并使用免费的 SamacSys 工具和服务安装了缺少的库（原理图符号、PCB 封装、3D 模型）。导入库有两种方法：您可以访问 componentsearchengine.com 并手动下载和导入库，或者您可以使用 SamacSys CAD 插件并自动将库导入/安装到设计环境中。图 5 显示了所有支持的电子设计 CAD 软件［5］。很明显，所有著名的球员都得到支持。我使用 Altium Designer，所以我使用 SamacSys Altium 插件安装了缺少的库（图 6）［6］。

超声波

　　图 6-SamacSys Altium 插件中的选定组件库

超声波

　　图 7-PCB板的3D视图和两个组装图

　　#include
#include

unsigned long uS = 0;

#define TRIGGER_PIN 3
#define ECHO_PIN 4
#define MAX_DISTANCE 41

NewPing sonar(TRIGGER_PIN, ECHO_PIN, MAX_DISTANCE);
unsigned int CM = 0, IN = 0;
unsigned char cnt = 0;

void setup() {
oled.begin(128, 64, sizeof(tiny4koled_init_128x64br), tiny4koled_init_128x64br);
oled.on();
oled.setCursor(0, 1);
oled.setFont(FONT8X16);
oled.clear();
oled.print("ULS Range Finder");
}

void loop() {
uS = sonar.ping();
CM = sonar.convert_cm(uS) + CM;
IN = sonar.convert_in(uS) + IN;
cnt ++;
if (cnt == 10)
{
oled.setCursor(0, 2);
oled.print(CM / 10);
if (CM / 10 < 10)
{
oled.setCursor(9, 2);
oled.print(" Centimeter ");
} else
{
oled.setCursor(17, 2);
oled.print(" Centimeter");
}

oled.setCursor(0, 4);
oled.print(IN / 10);
if (IN / 10 < 10)
{
oled.setCursor(9, 4);
oled.print(" Inches ");
} else
{
oled.setCursor(17, 4);
oled.print(" Inches");
}

switch (CM / 10)
{

case 0:
oled.setCursor(0, 6);
oled.print(" [out of range] ");
break;
case 1 ... 4:
oled.setCursor(0, 6);
oled.print("== ");
break;
case 5 ... 9:
oled.setCursor(0, 6);
oled.print("==== ");
break;
case 10 ... 14:
oled.setCursor(0, 6);
oled.print("===== ");
break;
case 15 ... 19:
oled.setCursor(0, 6);
oled.print("======= ");
break;
case 20 ... 24:
oled.setCursor(0, 6);
oled.print("========= ");
break;
case 25 ... 29:
oled.setCursor(0, 6);
oled.print("=========== ");
break;
case 30 ... 34:
oled.setCursor(0, 6);
oled.print("============= ");
break;
case 35 ... 39:
oled.setCursor(0, 6);
oled.print("=============== ");
break;
case 40 ... 41:
oled.setCursor(0, 6);
oled.print("================");
break;
}

CM = 0;
IN = 0;
cnt = 0;
}
delay(10);
}

　　MCU的代码编写如下。您需要安装 ATtinyCore Board Manager ［7］并从菜单中选择 ATtiny25/45/85（无引导加载程序）（图 8）。然后选择芯片为 ATtiny85 并选择 8MHz （Internal）作为时钟源（图 9）。

　　然后您需要安装 NewPing ［8］和 Tiny4KOLED ［9］库。之后，只需转到“Sketch”菜单并选择“Export compiled binary”（图 10）。就是这样。您可以在与您的代码相同的文件夹中找到已编译的 HEX 文件。只需使用 AVR ISP 编程器（例如 USBasp 或其他）使用 PCB 背面的可用引脚（GND、RESET、MISO、MOSI、SCK）对芯片进行编程。按照程序对保险丝位进行编程，如图 11 所示。从板上断开编程器和电线，就是这样：-）。

　　代码

超声波