超聲波測(cè)距儀是各種現(xiàn)實(shí)生活和機(jī)器人應(yīng)用中的有用工具，例如避障和距離測(cè)量系統(tǒng)。超聲波測(cè)距儀通過(guò)發(fā)射一個(gè) 40KHz 的超聲波脈沖來(lái)測(cè)量距離，該脈沖在空氣中傳播直到它擊中一個(gè)物體，然后它測(cè)量反射信號(hào)的延遲并向其他單元發(fā)送適當(dāng)?shù)拿睢?/p>

我使用了一個(gè) SRF05 超聲波傳感器和一個(gè) ATtiny85 微控制器。距離數(shù)據(jù)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(jué)估計(jì)。MCU 代碼是使用 Arduino IDE 開(kāi)發(fā)的。

為了設(shè)計(jì)原理圖和 PCB，我使用了 Altium Designer 22 和 SamacSys 組件庫(kù)（Altium 插件）。為了獲得高質(zhì)量的 PCB 板，我將 Gerber 發(fā)送到 PCBWay，并使用 componentsearchengine.com 購(gòu)買(mǎi)了原始組件。為了檢查電路的電流消耗，我使用了 Sigilent SDM3045X 萬(wàn)用表。

規(guī)格

輸入電壓：6-24VDC

電流消耗：24mA

檢測(cè)范圍：2-400cm（見(jiàn)正文）

距離數(shù)據(jù)：厘米、英寸、條形圖

顯示：128*64-黃藍(lán)OLED

下載 Gerbers

電路分析

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

圖1-超聲波測(cè)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(gè)。

模塊的質(zhì)量可能會(huì)有所不同，因此無(wú)法保證最大檢測(cè)范圍。其中一些有藍(lán)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(jù) SRF05 模塊數(shù)據(jù)表：“SRF05 是 SRF04 的進(jìn)化步驟，旨在提高靈活性、擴(kuò)大范圍并進(jìn)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(gè)引腳來(lái)觸發(fā)和回波，從而節(jié)省控制器上寶貴的引腳。當(dāng)模式引腳未連接時(shí)，SRF05 使用單獨(dú)的觸發(fā)和回波引腳運(yùn)行，如 SRF04。SRF05 在回波脈沖之前包含一個(gè)小延遲，以便為較慢的控制器（例如 Basic Stamp 和 Picaxe）提供時(shí)間來(lái)執(zhí)行它們的脈沖命令?！?/p>

圖 2-SRF05 超聲波模塊（藍(lán)色阻焊層）

電源供應(yīng)

電源的主要元件是TS2937CW50［1］穩(wěn)壓器（REG1）。它是一個(gè) +5V SOT-223 LDO 穩(wěn)壓器。根據(jù) TS2937 數(shù)據(jù)表：“TS2937 固定電壓?jiǎn)纹⒐β史€(wěn)壓器專(zhuān)為廣泛的應(yīng)用而設(shè)計(jì)。該器件是電池供電應(yīng)用的絕佳選擇。此外，靜態(tài)電流在壓降時(shí)略有增加，從而延長(zhǎng)了電池壽命。該系列固定電壓穩(wěn)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(fù)載時(shí)為 60mV，在 500mA 時(shí)為 600mV）。這包括 2% 的嚴(yán)格初始容差、0.05% 典型值的極好線(xiàn)路調(diào)節(jié)以及非常低的輸出溫度系數(shù)?！?/p>

FB1 和 C5 降低輸入電壓噪聲。D1 是藍(lán)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(gè) XH-2P 母連接器，用于將電源線(xiàn)連接到電路板。

微控制器

IC1 是一個(gè) 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(jù) Tiny85 數(shù)據(jù)表：“ATtiny25/45/85 提供以下特性：2/4/8K 字節(jié)系統(tǒng)內(nèi)可編程閃存、128/256/512 字節(jié) EEPROM、128/256/256 字節(jié) SRAM、6 個(gè)通用專(zhuān)用 I/O 線(xiàn)、32 個(gè)通用工作寄存器、一個(gè) 8 位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器（帶比較模式）、一個(gè) 8 位高速定時(shí)器/計(jì)數(shù)器、通用串行接口、內(nèi)部和外部中斷、一個(gè) 4 通道、10-位 ADC、帶內(nèi)部振蕩器的可編程看門(mén)狗定時(shí)器和三種軟件可選的省電模式?？臻e模式停止 CPU，同時(shí)允許 SRAM、定時(shí)器/計(jì)數(shù)器、ADC、模擬比較器和中斷系統(tǒng)繼續(xù)工作。掉電模式保存寄存器內(nèi)容，禁用所有芯片功能，直到下一次中斷或硬件復(fù)位。ADC 降噪模式會(huì)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(zhuǎn)換期間的開(kāi)關(guān)噪聲。該器件采用 Atmel 的高密度非易失性存儲(chǔ)器技術(shù)制造。片上 ISP 閃存允許程序存儲(chǔ)器通過(guò) SPI 串行接口、傳統(tǒng)的非易失性存儲(chǔ)器編程器或運(yùn)行在 AVR 內(nèi)核上的片上引導(dǎo)代碼在系統(tǒng)內(nèi)重新編程?！?/p>

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

OLED顯示器

該顯示器由一個(gè) 0.96” 128*64 OLED 模塊和一個(gè) SSD1306 控制器芯片組成。模塊的數(shù)據(jù)/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(gè)電阻上拉的 SDA 和 SCL 線(xiàn)組成。該模塊已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了上拉，因此無(wú)需在線(xiàn)路上添加更多電阻。

圖 3-設(shè)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(gè)兩層 PCB 板，所有組件都是 SMD。顯示器應(yīng)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，以避免短路等。PCB 設(shè)計(jì)緊湊且易于使用。

圖 4-超聲波測(cè)距儀（Altium）的PCB布局

當(dāng)我決定為這個(gè)項(xiàng)目設(shè)計(jì)原理圖和 PCB 時(shí)，我意識(shí)到我的組件庫(kù)存儲(chǔ)中沒(méi)有 REG1 ［3］ 和 IC2 ［4］ 的組件庫(kù)。因此，像往常一樣，我選擇了 IPC 級(jí) SamacSys 組件庫(kù)，并使用免費(fèi)的 SamacSys 工具和服務(wù)安裝了缺少的庫(kù)（原理圖符號(hào)、PCB 封裝、3D 模型）。導(dǎo)入庫(kù)有兩種方法：您可以訪(fǎng)問(wèn) componentsearchengine.com 并手動(dòng)下載和導(dǎo)入庫(kù)，或者您可以使用 SamacSys CAD 插件并自動(dòng)將庫(kù)導(dǎo)入/安裝到設(shè)計(jì)環(huán)境中。圖 5 顯示了所有支持的電子設(shè)計(jì) 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(kù)（圖 6）［6］。

圖 6-SamacSys Altium 插件中的選定組件庫(kù)

圖 7-PCB板的3D視圖和兩個(gè)組裝圖

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

然后您需要安裝 NewPing ［8］ 和 Tiny4KOLED ［9］ 庫(kù)。之后，只需轉(zhuǎn)到“Sketch”菜單并選擇“Export compiled binary”（圖 10）。就是這樣。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(duì)芯片進(jìn)行編程。按照程序?qū)?a target="_blank">保險(xiǎn)絲位進(jìn)行編程，如圖 11 所示。從板上斷開(kāi)編程器和電線(xiàn)，就是這樣：-）。

代碼

圖 8-從菜單中選擇合適的芯片系列（ATTiny25/45/85（無(wú)引導(dǎo)加載程序））

圖 9-ATtiny85 時(shí)鐘源選擇（8MHz，內(nèi)部）

圖 10-找到和導(dǎo)出 HEX 文件（草圖菜單）

圖 11-使用 AVR ISP 編程器對(duì)電路板進(jìn)行編程

組裝和測(cè)試

圖 12 顯示了組裝好的 PCB 板。我在顯示器和 PCB 之間放了一塊雙面膠帶，以避免任何可能的短路。從圖片中可以清楚地看到，OLED屏幕上的文字非常鮮艷生動(dòng)。

圖 12-超聲波測(cè)距儀的組裝PCB板

如果您計(jì)劃使用電池為電路板供電，則設(shè)備的電流消耗很重要。所以我使用了 Siglent SDM3045X 臺(tái)式萬(wàn)用表 ［10］ 并測(cè)量了 24mA 的電流。圖 13 顯示了萬(wàn)用表屏幕。

圖 13-超聲波測(cè)距儀電路的電流消耗

材料清單

圖 14 顯示了該項(xiàng)目的材料清單。

圖 14-材料清單