使用SRF05和ATtiny85的超声波测距仪

tr12345 2022-07-25 2328

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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 40 kHz 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物体，然后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 SRF05 超声波传感器和 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，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：6–24 VDC
电流消耗：24毫安
检测范围：2–400 cm（见正文）
距离数据：厘米、英寸、条形图
显示：128×64黄蓝OLED

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。

图1：超声波测距仪示意图（来源：Altium）

SRF05超声波传感器

我在电路中使用了 SRF05 超声波模块。市场上有多种SRF05模块；我使用了图 2 中所示的那个。

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；此外，不同的制造商提供这样的模块。

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。”

图 2：SRF05 超声波模块（蓝色阻焊层）

电源

电源的主要部件是 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 是一个蓝色 0805 LED，用于指示电源连接是否正确，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这是电路的核心。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 个通用用途 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显示屏

该显示器由一个 0.96 英寸 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。

图 3：设备的 OLED 显示屏（0.96 英寸，128 × 64，I2C）

PCB布局

图 4 显示了电路的 PCB 布局。它是两层PCB，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。PCB 设计紧凑且易于使用。

图 4：超声波测距仪的 PCB 布局（来源：Altium）

当我决定为这个项目设计原理图和 PCB 时，我意识到我的元件库存储中没有 REG1 ³和 IC2 ⁴的元件库。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，因此我使用 SamacSys Altium 插件安装了缺少的库（图 6）。⁶图 7 显示了电路板的 3D 视图和 PCB 的两个装配图。

超声波

图 5：SamacSys 插件支持的所有电子设计 CAD 软件

超声波

图 6：SamacSys Altium 插件中的选定组件库

超声波

图 7：PCB 的 3D 视图和两个装配图

代码

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（内部）作为时钟源（图 9）。

然后你需要安装 NewPing ⁸和 Tiny4KOLED ⁹库。之后，只需转到“Sketch”菜单并选择“Export compiled binary”（图 10）。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。按照程序对熔丝位进行编程，如图 11 所示。断开编程器和电路板上的电线，仅此而已。





 uS =  ;







 ;
 CM =  , IN =  ;
 cnt =  ;


   {
  oled.begin（、 ） 、tiny4koled_init_128x64br）；
  奥莱德.on();
  oled.setCursor(  ,  );
  oled.setFont(FONT8X16);
  oled.clear();
  oled.print(  );
}


   {
  uS = sonar.ping();
  CM = sonar.convert_cm(uS) + CM；
  IN = sonar.convert_in(uS) + IN;
  cnt++;
  (cnt ==  )
  {
    oled.setCursor(  ,  );
    oled.print(CM /  );
    (CM /  <  )
    {
      oled.setCursor(  ,  );
      oled.print(  );
    }
    {
      oled.setCursor(  ,  );
      oled.print(  );
    }


    oled.setCursor(  ,  );
    oled.print(IN /  );
    (IN /  <  )
    {
      oled.setCursor(  ,  );
      oled.print(  );
    }
    {
      oled.setCursor(  ,  );
      oled.print(  );
    }


    (CM /  )
    {


       ：
        oled.setCursor(  ,  );
        oled.print(  );
        ;
        ... ：
        oled.setCursor(  ,  );
        oled.print(