Arduino - 超声波传感器

Arduino - 使用超声波距离传感器 (HC-SR04)

HC-SR04 是一种廉价且流行的超声波传感器，用于非接触式距离测量。它像蝙蝠的声纳一样工作，通过发射超声波脉冲并测量回波返回所需的时间。这使得它能够测量大约 2 厘米到 400 厘米（1 英寸到 13 英尺）的距离。

它的读数不受阳光或深色表面的影响，但柔软、不规则或倾斜的表面（如布料）可能难以准确检测，因为它们可能会吸收或偏转声波。

技术规格

• 供电电压：+5V DC
• 工作电流：约 15mA
• 有效角度：<15°
• 测距范围：2cm – 400cm
• 分辨率：约 0.3 cm

所需组件

• 1 × Arduino Uno R3（或类似板）
• 1 × HC-SR04 超声波传感器
• 1 × 面包板
• 跳线

接线图

该传感器有四个引脚。连接方式如下：

• VCC → Arduino 5V
• Trig（触发引脚）→ Arduino 数字引脚 9
• Echo（回响引脚）→ Arduino 数字引脚 10
• GND → Arduino GND

工作原理：物理学原理

1. 我们向 Trig 引脚发送一个 10 微秒的短脉冲。
2. 传感器发射出一连串 8 个 40kHz 的超声波。
3. 传感器随后在 Echo 引脚上监听这些波的回波。
4. Echo 引脚在声音往返传播期间保持高电平。
5. 我们测量这段持续时间并利用声速计算距离。

公式：距离 = (传播时间 / 2) * 声速 我们将时间除以 2 是因为它是一个往返行程（到物体再返回）。

Arduino 代码：一个清晰且带有解释的程序（sketch）

// 为清晰起见定义引脚号
const int TRIG_PIN = 9;
const int ECHO_PIN = 10;

// 定义一个厘米/微秒为单位的声速常量
// (343 米/秒 = 34300 厘米/秒 = 0.0343 厘米/微秒)
const float SPEED_OF_SOUND_CM_US = 0.0343;

void setup() {
  Serial.begin(9600); // 初始化串口通信

  // 设置引脚模式
  pinMode(TRIG_PIN, OUTPUT);
  pinMode(ECHO_PIN, INPUT);
}

void loop() {
  // --- 1. 生成触发脉冲 ---
  // 确保触发引脚为低电平以获得干净的脉冲
  digitalWrite(TRIG_PIN, LOW);
  delayMicroseconds(2);

  // 发送一个 10 微秒的高电平脉冲
  digitalWrite(TRIG_PIN, HIGH);
  delayMicroseconds(10);
  digitalWrite(TRIG_PIN, LOW);

  // --- 2. 测量回波脉冲持续时间 ---
  // pulseIn() 等待引脚变为高电平，开始计时，
  // 并在引脚变为低电平时停止计时。它以微秒为单位返回持续时间。
  unsigned long duration_us = pulseIn(ECHO_PIN, HIGH);

  // --- 3. 计算距离 ---
  // 距离 = (持续时间 / 2) * 声速
  float distance_cm = (duration_us / 2.0) * SPEED_OF_SOUND_CM_US;

  // --- 4. 打印结果 ---
  if (distance_cm > 400 || distance_cm < 2) {
    Serial.println("Out of range");
  } else {
    Serial.print("Distance: ");
    Serial.print(distance_cm);
    Serial.println(" cm");
  }

  delay(500); // 等待半秒钟再进行下一次读数
}

超越基础：NewPing 库

对于更高级的项目，基本的 pulseIn() 函数可能会受到限制，因为它会阻塞——在等待回波时会暂停您的整个程序（sketch）。更好的方法是使用 NewPing 库。

NewPing 的优势：

• 非阻塞代码结构（使用定时器）。
• 内置滤波：轻松平均多次读数以获得更稳定的距离。
• 轻松管理多个传感器。

您可以通过 Arduino 库管理器安装它。这是提高测距项目可靠性的重要一步。

常见问题排查

• 读数始终为 0 或最大值：仔细检查您的 VCC、GND、Trig 和 Echo 引脚接线。连接松动是最常见的问题。
• 读数不稳定：传感器可能指向柔软、倾斜或非常小的物体，这些物体无法产生清晰的回波。确保测试时有一个清晰、平坦的表面。电源上的电噪声也可能导致问题。
• pulseIn() 超时：如果没有检测到回波，pulseIn() 将会超时（默认 1 秒后），返回 0。这就是代码检查超出范围值的原因。