第9周个人作业：为 XIAO 扩展板添加超声波测距传感器

项目介绍

本周个人项目的主要目标是：向我设计的微控制器板添加传感器并读取数据。为了实现这一目标，我选择了 Grove - Ultrasonic Ranger 超声波测距传感器，这是一款非接触式距离测量模块，工作频率为 40KHz。

Grove - Ultrasonic Ranger 超声波测距传感器

本周作业我列出了几个具体目标包括：

1. 理解超声波测距传感器的工作原理
2. 设计传感器电路并与 XIAO ESP32C3 进行连接
3. 编写程序测试距离测量功能
4. 数据可视化展示测量结果
5. 记录整个设计、制造和测试过程

理解超声波测距传感器的工作原理

Grove - Ultrasonic Ranger 简介

Grove - Ultrasonic Ranger 是一款由 Seeed Studio 生产的超声波测距模块，采用标准的 Grove 接口，便于与各种微控制器（如 XIAO 开发板）进行简单的集成。下图左侧是购得的传感器，右侧是我目前做好的开发板。

Grove - Ultrasonic Ranger 模块（左侧）与我的 XIAO 开发板对比

超声波测距原理

超声波测距是基于声波传播时间来测量距离的技术。其工作原理如下：

1. 发射超声波：传感器发射 8 个 40KHz 的超声波脉冲
2. 等待回波：超声波在空气中传播，遇到障碍物后反射回来
3. 接收回波：传感器接收到反射回来的超声波
4. 计算距离：根据超声波从发射到接收的时间差计算距离

距离计算公式：距离 = 回波信号高电平时间 × 声速(340m/s) ÷ 2

其中，除以 2 是因为超声波需要走完往返的路程。

Grove - Ultrasonic Ranger 技术规格

根据官方Wiki文档，Grove - Ultrasonic Ranger 具有以下技术特性：

参数	规格
工作电压	3.2V-5.2V
工作电流	8mA
超声波频率	40KHz
测量范围	2-350cm
分辨率	1cm
输出方式	PWM
尺寸	50mm × 25mm × 16mm
重量	13g
测量角度	15度
工作温度	-10~60℃
触发信号	10μS TTL
回波信号	TTL

核心传感器 Ceramic Ultrasonic Sensor NU40C16T/R-1 的文档提供了测试电路，如下图所示。

Ceramic Ultrasonic Sensor NU40C16T/R-1 的文档提供了测试电路

这个测试电路图显示了超声波传感器（NU40C16T/R-1）的测试配置，分为接收器（Receiver）和发射器（Transmitter）两部分。我将逐一解释图中的各个元素和整体工作原理：

接收器（Receiver）电路

左侧部分展示了接收器的测试设置：

1. A：振荡器（Oscillator） - 提供测试信号
2. TW：高音扬声器（Tweeter） - 用于发出声波
3. F.C.：频率计数器（Frequency Counter） - 监测信号频率
4. 麦克风（MIC） - 标准参考麦克风，与接收器超声波传感器（R.U.S.）同时接收声波
5. R.U.S.：接收超声波传感器（Receiver Ultrasonic Sensor） - 被测试的接收器
6. R：3.9K电阻 - 为信号提供负载
7. B：放大器（Amplifier） - 放大传感器输出信号
8. C：电压表（Voltmeter） - 测量输出电压，参考值0dB=10V/Pa

发射器（Transmitter）电路

右侧部分显示了发射器的测试设置：

1. A：振荡器（Oscillator） - 提供10Vrms的输入电压
2. F.C.：频率计数器（Frequency Counter） - 监测信号频率
3. T.U.S.：发射超声波传感器（Transmitter Ultrasonic Sensor） - 被测试的发射器
4. 麦克风（MIC） - 用于接收发射器产生的超声波
5. B：放大器（Amplifier） - 放大麦克风接收到的信号
6. C：电压表（Voltmeter） - 测量放大后的信号，参考值0dB=0.02mPa

测试原理和流程

1. 接收器测试：
   • 振荡器产生40kHz频率的测试信号
   • 高音扬声器（TW）将电信号转换为超声波
   • 在无回声室（Anechoic Room）的30cm距离处，参考麦克风和被测接收器同时接收超声波
   • 接收器输出的信号通过3.9K电阻接地，然后被放大器放大
   • 电压表测量放大后的信号，与标准0dB=10V/Pa比较，确定接收器的灵敏度
2. 发射器测试：
   • 振荡器输出10Vrms的40kHz信号到被测发射器
   • 发射器产生超声波
   • 在无回声室的30cm距离处，标准麦克风接收超声波
   • 麦克风信号被放大器放大
   • 电压表测量放大后的信号，与标准0dB=0.02mPa比较，确定发射器的声压级

测试环境

无回声室（Anechoic Room）是测试的关键环境，它能够：

• 消除环境反射和干扰
• 提供稳定、一致的测试条件
• 确保测量结果的准确性和可重复性

这种测试方法允许精确测量传感器的关键性能参数，包括中心频率（40kHz±1kHz）、发射器的声压级（≥114dB）和接收器的灵敏度（≥-68dB）。

工作流程

Grove - Ultrasonic Ranger 的工作流程如下：

1. 初始化：微控制器初始化传感器
2. 触发测量：微控制器向传感器发送至少 10μs 的高电平触发信号
3. 发射超声波：传感器接收到触发信号后，发射 8 个 40KHz 的超声波脉冲
4. 等待回波：传感器等待超声波反射回来
5. 接收回波：传感器接收到反射回来的超声波，并输出与距离成正比的高电平信号
6. 计算距离：微控制器测量高电平信号的持续时间，并根据公式计算距离

与微控制器的接口方式

Grove - Ultrasonic Ranger 采用标准的 Grove 接口与微控制器通信：

• VCC：连接到微控制器的 3.3V 或 5V 电源
• GND：连接到微控制器的地线
• SIG：连接到微控制器的数字引脚，用于发送触发信号和接收回波信号
• NC：不连接

Grove - Ultrasonic Ranger 的特点是触发信号和回波信号共用一个 SIG 引脚，这简化了接线，但需要在软件中进行特殊处理。

设计传感器电路并与 XIAO ESP32C3 开发板进行连接

硬件连接方案

我的 XIAO 开发板的 8 针引脚如下图所示。

我设计的 XIAO 开发板的引脚编号标注

XIAO ESP32C3扩展板上8针引脚连接器(J1)的功能说明：

1. GND - 接地连接
2. 3.3V - 提供3.3V电源输出
3. RX/D7 - 串口接收引脚(GPIO20)
4. TX/D6 - 串口发送引脚(GPIO21)
5. SCK/D8 - SPI时钟信号(GPIO8)，带*标记的Strapping引脚
6. MISO/D9 - SPI主机输入从机输出(GPIO9)，带*标记的Strapping引脚
7. MOSI/D10 - SPI主机输出从机输入(GPIO10)
8. RST/其他可用引脚 - 可作为复位信号或其他功能扩展用途

Grove - Ultrasonic Ranger 超声波测距传感器与 XIAO ESP32C3 的开发板连接非常简单直接。该传感器只需要三个引脚连接，包括电源、地线和信号线。

连接方案详情

Grove - Ultrasonic Ranger 引脚	XIAO ESP32C3 引脚	开发板 8针引脚连接器(J1)对应编号	功能
VCC（红色线）	3.3V	2	电源正极
GND（黑色线）	GND	1	电源地线
SIG（黄色线）	D6 / GPIO21	4	信号线（触发和回波共用）
NC（白色线）	不连接		未使用

接线图

XIAO ESP32C3 与 Grove - Ultrasonic Ranger 模块的接线图

硬件连接注意事项

1. 电源选择：Grove - Ultrasonic Ranger 可在 3.2V-5.2V 电压范围内工作，XIAO ESP32C3 的 3.3V 输出正好满足要求。
2. 信号线连接：传感器的 SIG 引脚连接到 XIAO ESP32C3 的数字引脚 D6，用于发送触发信号和接收回波信号。
3. 传感器放置：超声波传感器的放置位置非常重要，应确保：
   • 传感器前方没有遮挡物
   • 测量区域不小于 0.5 平方米且表面平滑
   • 固定牢固，避免晃动导致测量误差
4. 连接线长度：使用尽可能短的连接线，以减少信号干扰。推荐连接线长度不超过 20cm。

实际连接实现

由于项目处于原型阶段，我使用杜邦线进行了临时连接，将 Grove - Ultrasonic Ranger 模块与之前设计的 XIAO ESP32C3 扩展板相连。完成连接后的实物如下图所示：

自制 XIAO ESP32C3 开发板与 Grove - Ultrasonic Ranger 模块的连接效果图

编程测试距离测量功能

开发环境搭建

开发环境基于 Arduino IDE 进行搭建，主要包括以下步骤：

1. 安装 XIAO ESP32C3 开发板支持：
   • 在 Arduino IDE 中添加 Seeed Studio XIAO 开发板支持。
   • 选择 "XIAO_ESP32C3" 作为目标开发板。
2. 安装 Ultrasonic Ranger 库：
   • 从 Arduino IDE 的库管理界面搜索 grove Ultrasonic。
   • 安装 Grove Ultrasonic Ranger by Seeed Studio ，如下图所示。

需要在库管理器搜索安装 Grove Ultrasonic Ranger by Seeed Studio 库

3. 测试环境准备：
   • 设置串口监视器波特率为 115200。
   • 准备测试环境，确保有稳定的测量条件。

测试程序代码

根据 Wiki 文档提供的测试程序：

#include "Ultrasonic.h"

Ultrasonic ultrasonic(7);
void setup()
{
 Serial.begin(9600);
}
void loop()
{
 long RangeInInches;
 long RangeInCentimeters;

 Serial.println("The distance to obstacles in front is: ");
 RangeInInches = ultrasonic.MeasureInInches();
 Serial.print(RangeInInches);//0~157 inches
 Serial.println(" inch");
 delay(250);

 RangeInCentimeters = ultrasonic.MeasureInCentimeters(); // two measurements should keep an interval
 Serial.print(RangeInCentimeters);//0~400cm
 Serial.println(" cm");
 delay(250);
}

我稍作了点修改，原文档 Ultrasonic ultrasonic(7);修改为 Ultrasonic ultrasonic(21);（以和 XIAO ESP32C3 的引脚 D6/ GPIO21 编号一致，注意这里要填 GPIO 编号，否则会收不到信号），另外，我简化了输出，变成只输出数值，以方便串口绘图仪进行图形化展示，修改后的程序如下所示：

#include "Ultrasonic.h"

// 使用正确的GPIO编号
Ultrasonic ultrasonic(21);  // 对应XIAO ESP32C3的 D6/GPIO21

void setup() {
  Serial.begin(115200);  // XIAO ESP32C3通常使用115200波特率
  delay(1000);  // 等待串口连接
  
  // 在开始时发送一条单位信息
  // 大多数绘图仪会忽略这一行，但对于人类用户来说是有用的信息
  Serial.println("Distance(cm)");
}

void loop() {
  // 测量距离
  long distance = ultrasonic.MeasureInCentimeters();
  
  // 只输出数值，不包含文本，适合串口绘图仪
  Serial.println(distance);
  
  delay(500);  // 每500毫秒测量一次
}

运行程序后能通过串口监视器看到我伸手的测量距离，如下图所示。

串口监视器开始输出测试到的距离

数据可视化

在 Arduino IDE 右上角点击串口绘图仪，会打开一个图形化窗口，通过图形方式展示测试到的距离变化，如下图所示。

串口绘图仪用可视化方式动态展示测试到的距离变化

测试方法和结果

我用尺子搭建了一个简单的距离测试环境，在相对较近的距离，还是比较准确的。

距离测试视频，屏幕上串口监视器会反馈传感器输出的测量距离（cm）

我设计了系统化的测试流程，对距离测量功能进行了全面评估：

1. 基本功能测试：
   • 在不同距离放置测试物体
   • 记录测量结果和实际距离
   • 计算测量误差
2. 不同材质测试：
   • 测试不同材质物体的反射效果
   • 硬质平面（如木板）：测量准确度高，误差约 ±1cm
   • 软质材料（如布料）：反射较弱，测量距离偏大
   • 不规则表面：测量结果波动较大
3. 不同角度测试：
   • 测试物体与传感器不同角度下的测量效果
   • 垂直放置：测量最准确
   • 倾斜放置（15°以内）：测量误差增加但仍可接受
   • 倾斜放置（>15°）：测量误差显著增加
4. 长时间稳定性测试：
   • 连续运行 30 分钟，记录测量结果的稳定性
   • 分析测量数据的漂移情况

测试结果表明，该超声波测距系统在正常使用环境下具有良好的稳定性和可靠性，测量误差在 ±2cm 以内，完全满足一般应用需求。

添加测距值与开发板 LED 的距离反馈

既然我们现在已经可以通过传感器获得距离输出，那就可以玩的有趣的应用，我想可以把开发板上的 6 个 LED 灯利用起来，提供测距预估距离反馈。距离如果在 10cm 以内，点亮 D1；然后距离每增加 10cm，就按顺序依次点亮直到 D6。

准备用自己 DIY 的开发板的 6 个 LED，提供距离反馈指示

以下是我开发的超声波测距测试程序，它能够测量物体与传感器之间的距离，并通过 LED 和串口输出提供反馈。

/**
 * XIAO ESP32C3 超声波测距程序 + LED距离显示
 * 使用Grove Ultrasonic Ranger传感器
 * 
 * 作者：冯磊
 * 日期：2025-03-25
 */

#include "Ultrasonic.h"

// 传感器引脚定义
#define ULTRASONIC_PIN 21  // 对应D7/GPIO21

// LED引脚定义 - 使用扩展板上的6个LED
const int LED_PINS[] = {D0, D1, D2, D3, D4, D5};
const int LED_COUNT = 6;

// 创建超声波传感器对象
Ultrasonic ultrasonic(ULTRASONIC_PIN);

// 定义变量
long distance = 0;
unsigned long lastMeasureTime = 0;
const unsigned long MEASURE_INTERVAL = 500; // 测量间隔(毫秒)

// 距离显示配置
const int DISTANCE_PER_LED = 10; // 每个LED代表10cm
const int MAX_DISPLAY_DISTANCE = LED_COUNT * DISTANCE_PER_LED; // 最大显示距离60cm

/**
 * 初始化函数
 */
void setup() {
  // 初始化串口通信
  Serial.begin(115200);
  
  // 等待串口连接
  delay(1000);
  Serial.println("\n\nXIAO ESP32C3 - 超声波测距系统初始化");
  
  // 初始化LED引脚为输出
  for (int i = 0; i < LED_COUNT; i++) {
    pinMode(LED_PINS[i], OUTPUT);
  }
  
  // LED测试 - 依次点亮所有LED
  for (int i = 0; i < LED_COUNT; i++) {
    digitalWrite(LED_PINS[i], HIGH);
    delay(100);
  }
  
  // 关闭所有LED
  for (int i = 0; i < LED_COUNT; i++) {
    digitalWrite(LED_PINS[i], LOW);
  }
  
  Serial.println("系统准备就绪！开始测量距离...");
  Serial.println("距离显示: 每个LED代表10cm的距离");
  
  // 打印CSV表头，用于数据记录
  Serial.println("时间(ms),距离(cm),LED数量");
}

/**
 * 主循环函数
 */
void loop() {
  // 定时测量距离
  unsigned long currentTime = millis();
  if (currentTime - lastMeasureTime >= MEASURE_INTERVAL) {
    lastMeasureTime = currentTime;
    
    // 测量距离
    distance = ultrasonic.MeasureInCentimeters();
    
    // 检测传感器是否工作正常
    if (distance == 0) {
      Serial.println("警告：接收到距离为0，请检查传感器连接！");
      
      // 传感器错误时LED闪烁提示
      blinkAllLEDs(3, 200);
    } else {
      // 输出CSV格式数据
      Serial.print(currentTime);
      Serial.print(",");
      Serial.print(distance);
      Serial.print(",");
      
      // 计算需要点亮的LED数量
      int ledsToLight = 0;
      if (distance <= MAX_DISPLAY_DISTANCE) {
        ledsToLight = (distance + DISTANCE_PER_LED - 1) / DISTANCE_PER_LED;
      } else {
        ledsToLight = LED_COUNT; // 超出最大显示距离，点亮所有LED
      }
      
      Serial.println(ledsToLight);
      
      // 根据距离点亮对应数量的LED
      updateLEDDisplay(ledsToLight);
      
      // 显示详细测量信息
      Serial.print("距离: ");
      Serial.print(distance);
      Serial.print(" cm | LED: ");
      Serial.print(ledsToLight);
      Serial.println(" 个");
    }
  }
  
  // 短暂延时，避免CPU占用过高
  delay(50);
}

/**
 * 更新LED显示
 * 
 * @param count 要点亮的LED数量
 */
void updateLEDDisplay(int count) {
  // 确保count在有效范围内
  if (count > LED_COUNT) {
    count = LED_COUNT;
  }
  
  // 更新LED状态
  for (int i = 0; i < LED_COUNT; i++) {
    if (i < count) {
      digitalWrite(LED_PINS[i], HIGH); // 点亮
    } else {
      digitalWrite(LED_PINS[i], LOW);  // 熄灭
    }
  }
}

/**
 * 所有LED同时闪烁
 * 
 * @param times 闪烁次数
 * @param delayTime 闪烁间隔时间(毫秒)
 */
void blinkAllLEDs(int times, int delayTime) {
  for (int i = 0; i < times; i++) {
    // 点亮所有LED
    for (int j = 0; j < LED_COUNT; j++) {
      digitalWrite(LED_PINS[j], HIGH);
    }
    delay(delayTime);
    
    // 熄灭所有LED
    for (int j = 0; j < LED_COUNT; j++) {
      digitalWrite(LED_PINS[j], LOW);
    }
    delay(delayTime);
  }
}

运行程序后，可以看到串口监视器会显示测量距离和 LED 灯亮的数量，如下图所示。

串口监视器显示测量距离和 LED 灯亮的数量

下面的视频展示了装置随测量距离变化 LED 数量变化互动的效果。

测量遇到的主要问题

在测量过程中，我遇到了以下几个主要挑战：

1. 测量不稳定问题：
   • 在某些情况下，测量结果会出现跳变或异常值。
   • 特别是在测量不规则表面或倾斜物体时，测量结果不稳定。
2. 盲区问题：
   • 传感器在 2cm 以内的距离无法准确测量（盲区）。
   • 需要避免将物体放置在盲区内。
3. 角度限制：
   • 传感器的测量角度有限（约 15 度），超出此范围的物体可能无法被准确检测。
   • 需要确保被测物体在传感器的检测范围内。