100米±2mm高精度激光测距仪，附开发全流程

前言  JLC EDA  

星火计划，必出精品！且还是与众不同的精品~

绝大部分开源项目都是开源PCB和代码，好点的再加个结构，但是这些过程是如何从无到有的呢？很少有人会详细解答！

本次工程将手把手教你从硬件选型，原理图PCB，软件编程和结构建模……

我会从几个方面，全方位介绍我们开发一个产品的流程！

包含：

规格书解读、元器件选型；

原理图PCB；

软件编程；

结构建模；

面板绘制。

工程描述  JLC EDA  

使用PLS-K-100激光测距仪模块+ESP32做MCU，可以实现100米±2mm高精度激光测距，和其他对比精度是很高的！

 

了解PLS-K-100激光测距仪  JLC EDA  

先简单的看看模块的参数。

参数图  

PLS-K-100测量精度高，测量速度快，安装操作简单。已广泛用于家装测量，工业控制等各领域。

产品特点：

体积小巧

重量轻

测距距离远，可达100m

精度高，最高可达1mm

耐高低温-30~+60℃，常温款0-40℃

模块图  

从选型到绘制原理图  JLC EDA  

元器件选型+MCU选型+编程选型+需求分析+原理图。

这一部分是整个文章最核心部分！！

01确定核心元器件

首先你需要知道你做的这个东西的核心元器件是什么。

不同的产品可能有不同的核心元器件，复杂的产品甚至是有多个核心元器件。

例如：手机的核心元器件就是SOC；蓝牙音响的核心器件是功放和蓝牙芯片。以蓝牙音响举例，你要想好是侧重蓝牙芯片还是侧重功放，再选型。

这个激光测距仪的核心元器件就是——PLS-K-100激光测距仪模块。

这个模块是串口通讯的，所以MCU只要有串口通信都可以使其工作。

其他像电源芯片和MCU都是非核心元器件。原理图上只需要接到MCU的串口脚即可。这里我使用HDR2.54排针连接到主板，此外还需要接上拉电阻。

 

 

02预选MCU

因为这个元器件可以通过串口通信，然后接收指令和发送测量数据，因此MCU选有串口通信的MCU，像是ESP32、普通的51单片机、STM32、甚至上树莓派等arm的处理器都是可以的。

但是这都需要功能需求分析后才能选，这里先告诉大家选用的是ESP32。

03选定编程软件

至于选用什么MCU又关系到你选择编程软件的问题。

例如STM32，可以支持keil、ST官方的CUBE mx、IAR arm版、VsCode、arduino。

ESP32也可以用官方的IDE或者arduino等。

如果是简单的做点东西，我还是更推荐使用arduino。

04确定功能需求

那么确定了核心器件和MCU这种主要需求后，剩下的就是其他需求了。

其他需求指的是什么呢?

最简单的就是看系统的输入输出。

我举一些例子：

有无外置电池？是一直插电使用还是随身携带使用？

如果有电池需求，那么电池电压选择？

电池低于系统电压？需要升压芯片

电池高于系统电压？需要降压芯片

有无用户输入？如何输入？使用按键还是摇杆？使用鼠标还是键盘？使用触屏还是语音识别？细分一下又可以分为：按键是IO输入还是ADC输入？摇杆是ADC输入还是编码输入？

有无用户输出？如何输出？使用屏幕还是LED灯？使用震动还是机械反馈？使用蜂鸣器还是语音播报？这里也可以细分：LED灯是否需要呼吸灯？LED灯有几盏，多的话是否需要译码器？屏幕是否需要驱动芯片又或者直接驱动？

05看看别人是怎么做的

我找来了一个优利德的LM150e+ 150m激光测距仪，就看系统的输入输出。

 

输入：两节AAA电池、按键、激光测距模块
输出：屏幕显示距离、激光测距模块

在这里激光测距仪是输入也是输出，输出了激光然后输入了激光反馈，因此才测得距离。

看完了别人的那我们就仿照它来做吧。

06确定输入按键

首先输入是肯定用按键，因为这种产品有时你是看不见测量的屏幕。

比如测量缝隙的时候你的眼睛就不能盯着触摸屏，如果用触摸屏那不如实体按键来的准确。

然后就是按键数量，优利德的一共有7个按键：

开机兼测量模式的复合按键

测量长宽高算体积面积的按键

储存按键

多组数据加减求和的按键

基准切换的按键

蜂鸣器开关的

关机和清零复合按键

我们简单点，就要个测量，基准切换，开关机，蜂鸣器开关，然后我们再加点其他东西。

比如说优利德的没有单位切换，那我加一个单位切换，我想要一个单纯的激光开关，不测量，我想把测量模式分开……

那么一套下来我们就一共需要至少8个按键：

蜂鸣器开关

激光开关

基准切换

单位切换

连续测量

单次测量

开机

关机

然后这就有一个问题：

我们电池产品的话要考虑低功耗，所以用按键开关机就要做开机电路，关机电路等。

但是想简单点的话直接做一个硬开关，开关电池的供电就好了。

所以以上，就确定要有6个按键，一个开关。

07确定屏幕输出

输出用的屏幕可以用彩色屏，1602屏，也可以用OLED。

但是这种仪器，彩色屏的话成本会高，而1602屏显示的信息就又太少了。如果想要经济又实惠，可以用OLED。

虽然是单色但也足够。

使用带驱动的模块OLED屏幕，可以用SPI或者IIC通讯，这种不是需要快速显示的。

为了节省IO先预选IIC通讯，原理图上需要上拉电阻：

 

08确定外围

除了主要的输入输出外，我还需要加入其他外围，方便用户指示或者调试用。

①蜂鸣器

用于提示用户，需要加三极管驱动，原理图上只需要当下管，IO驱动即可：

②激光指示灯

用于提示用户前激光是否打开，不需要用眼睛去看，虽然是二类激光产品，但是看久了还是对眼睛不好。

LED想用IO直接驱动：

③串口输入输出

用于方便调试和升级烧录用，这里就用CH340C把。

这个前期可以用，后期产品开发成型后可以做空焊。

看规格书搭好电路。

需要注意的是V3脚，3.3V直接接3.3V，5V要外接退耦电容。

我这里使用的是USB的5V直接供电。

 

当然如果是STM32可以留JTAG或者SWD，这部分可以等选完MCU再回过来确定，也是可以的。

④电池电量和充电指示

如果要使用到电池电量指示那么首先要检测，很明显需要用ADC检测，而充电器是否插入可以用IO或者ADC检测。

09确定MCU和IO分配

那么输入输出和外围都预选后，就要选择MCU了。

实际上确定MCU可以在前面，也可以在这里，这是一个动态调整的过程。

比如前面选择了资源较少的MCU，后面需求多了，那么就要更换更大资源的MCU。如果一开始就选很多资源的MCU也是可以的，但是这样就不经济，因此需要结合需求综合的确定出MCU。

首先先确定外围，通讯，IO数量：

核心，激光测距仪模块：UART

蜂鸣器：IO

调试：UART

按键：IO6或ADC1或ADC*2？

电池电量检测：ADC

充电器插入检测：ADC或IO？

屏幕：IIC或SPI？

那么需要一个MCU要有两个UART，ADC1~3路，IO2~8或10，IIC或SPI。

最好是硬件的，虽然很多时候软件也能模拟，但是没有硬件效率高。

MCU这部分IO分配需要仔细去看规格书或者IO解读才能知道。

 

 

传统8051单片机没有硬件IIC，ADC，直接不看。

 

 

ESP8266 IO不够。

 

 

经典STM32F103C8T6备选。

 

ESP32 备选

还有很多很多mcu都是可以的，MCU满足需求后反过来再看看编程环境和现有的库。

第3节推荐过arduino开发。

实际上STM32F103C8T6也是支持arduino的，ESP32也是，都可以使用很多现成的库。

不过综合考虑后还是选择ESP32，主要理由是：

现阶段STM32F103C8T6支持arduino不够完善；

ESP32支持WIFI，后续可以增加联网功能；

外围简单，无需晶振。

然后回过头来在确定按键全部可以用IO，比较好开发，屏幕用IIC。

 

 

最后就是MCU分配IO了。

首先先按照那些IO口能输入，能输出，功能复用等先分配。

 

 

例如ESP32，有些IO是开机会输出PWM啊，或者只能输入不能输出。

比如说开机会输出PWM最好就不能接LED啊蜂鸣器的，拉高启动失败就不能接上拉的IOKEY等等，这些都需要做调整。

然后除了看以上情况还需要看PCB的布线是否走得通，好不好出现，走不走的顺，走不了只能调换IO，这些是要PCB画到一半再回过头来调整的。

选择好MCU后还需要画上MCU外围，也就是最小系统电路。

对于ESP32最小系统基本上就是电源和复位电路了。

 

 

当然我集成到CH340自动下载电路了，因此这两个按钮实际上可以省掉。

 

 

如果是STM32等还需要外围晶振电路。

10确定电池和电源系统

首先这种手持产品不可能说接着个AC电，TYPE-C5V来用，这样很不方便，因此电池肯定是要有，那选什么电池？选多大的呢？

主要还是看各个元器件的输入电压范围。

那么我们需要找规格书。

关于如何找规格书，有空我可以写个文章单独讲如何找，这里先直接给出来：

MCU  

蜂鸣器  

激光测距模块  

CH340  

OLED屏幕  

以上就是主要元器件的工作电压范围，除了MCU和激光测距模块是在3.3V，其他都可以到3.3~5V。

综合考虑各个系统给定3.3V。

然后就是确定电源（电池）。

如果是一节锂电池（4.2V~3.2V，3.7V额定），那么又有两种方法：

1.是升压到5V然后降压到3.3V；
2.是直接降压到3.3V。
 

实际上锂电池大多数情况到后面压降很厉害了，能用的基本都在3.3V以上，考虑到经济和损耗，不如直接降压到3.3V。

那么降压又有DCDC和LDO，这里更推荐使用DCDC。

因为大多数LDO需要有0.1~1V的压差才可以使用。

例如：1V压差需要4.3V才能降压到3.3V，而我们电池电压会波动，所以大多数LDO都用不了，而且我们希望一个电源降压芯片就给整个系统供电，因此使用DCDC效率更高而且电流带载能力越大。

这里使用我经常用的一颗LP3220。

 

 

根据数据手册上典型应用图就可以搭出来电路了。

 

可以带1.2A电流，而且可以低压差甚至无压差输出。

例如3.4V输出3.3V，3.3V输出3.3V，当然3.2V不可能输出3.3V，这就需要升降压芯片了，但是这里没有必要用到升降压。

如果是两节锂电池串联（8.4V~6.4V，7.4V额定），那么推荐用DCDC直接到3.3V是最好的，但是两节锂电池又需要考虑电池均衡的问题，还有电池的管理芯片和外围也比单节的多得多，因此不如用单节锂电池。

干电池的话也是可以的，但是自己做DIY的话就不推荐了，要经常买，两节干电池串联实际上只有2.几V的电压，基本上是升压了。

综合考虑下来还是使用单节锂电池最为经济。

11电源管理芯片和电源路径

选定电池单节锂电池后要考虑充电问题，充电芯片有很多，我这里选的是TP5100，单节充电可以上到2A，不过我选用的是1A电流。

 

 

然后要考虑路径管理，很多电池产品例如手机，可以边用边充电，但是考虑到激光测距仪专用性比较强，也不是24小时都要插电用的，更多是手持的时候，因此没做路径管理。

当然要做路径管理也是可以的，如下：

 

 

边用边充，5V给电池充电同时给系统5V供电，没有5V时用电池供电。

那么到这里元器件选型+MCU选型+编程选型+需求分析+原理图就完了！

审核编辑 ：李倩