基于SRF05和ATtiny85實現的超聲波測距儀設計

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。

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

下載 Gerbers

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?！?/p>

圖 2-SRF05 超聲波模塊（藍色阻焊層）

電源供應

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?！?/p>

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 個通用專用 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?？臻e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?！?/p>

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顯示器

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 并手動下載和導入庫，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 6-SamacSys Altium 插件中的選定組件庫

圖 7-PCB板的3D視圖和兩個組裝圖

#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）。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：-）。

代碼

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

圖 9-ATtiny85 時鐘源選擇（8MHz，內部）

圖 10-找到和導出 HEX 文件（草圖菜單）

圖 11-使用 AVR ISP 編程器對電路板進行編程

組裝和測試

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。

圖 12-超聲波測距儀的組裝PCB板

如果您計劃使用電池為電路板供電，則設備的電流消耗很重要。所以我使用了 Siglent SDM3045X 臺式萬用表 ［10］ 并測量了 24mA 的電流。圖 13 顯示了萬用表屏幕。

圖 13-超聲波測距儀電路的電流消耗

材料清單

圖 14 顯示了該項目的材料清單。

圖 14-材料清單