HC-SR04 超声波传感器

它是什么

HC-SR04 是超声波测距传感器——就是那块带两个银色圆柱、看起来像机器人眼睛的小板。它像蝙蝠或潜艇那样测距：发出一串人耳听不见的声音，听回波，计时往返要多久。花几块钱就能让机器人感知到前方的空间，所以它几乎成了每个人做的第一台避障车的默认传感器。

两个圆柱是发射器和接收器。一个负责发声，另一个负责听。板上其余部件全是计时电路，把回波变成单片机能量出来的信号。

工作原理

传感器说简单的双线语言：

1. Trigger 脚拉 HIGH 10 微秒。
2. 传感器打出八个 40 kHz 超声脉冲，Echo 脚拉高。
3. 回波回来 Echo 拉回 LOW。
4. 量 Echo 高了多久。

脉宽就是往返时间。空气声速约 343 m/s，距离 =（回波时间 × 343）/ 2——除二因为声音去又回。大多数 Arduino 代码 pulseIn() 加减算术包了。

读数会随温度轻微漂移（暖空气里声速更快）。对一台躲墙的机器人来说这点误差可以忽略；但要精确测距就很重要，那时你需要做温度补偿。

什么时候用它

机器人需要知道最近的物体大概有多远时，就用 HC-SR04——避障、沿墙走、“别开下桌子”的保险，或者在有东西靠近时触发某个行为。这里宽波束其实是好事：障碍很难被漏掉。

要精确距离、窄波束、快更新看别处。飞行时间传感器用光不用声音，又窄又快毫米级——建图或判断具体间隙更好。

接线与坑

• **Echo 是 5 V 引脚。**在 Arduino Uno 这样的 5 V 板子上没问题。但在 ESP32 这样的 3.3 V 板子上，要给 Echo 加一个分压器，否则有可能烧掉引脚。
• **注意盲区和锥角。**比约 2 cm 更近的东西测不到，而约 15° 的波束意味着传感器报的是锥形区域里最近的东西——旁边一条桌腿就能触发它。
• **柔软和倾斜的目标会骗人。**泡沫、布料，或者以很陡的角度遇到的墙，会把回波散射到接收器收不到的方向，于是传感器读出“很远”或者干脆没有。它在正对着的平整硬表面上表现最好。
• **别轮询太快。**两次读数之间留出约 60 ms，让上一个回波彻底消散；发射太勤，杂散回波就会造成错误读数。对数据流做滤波会有帮助——见驯服传感器噪声。

引脚

四脚永远这顺序，模块几乎永远换能器反面朝脚，VCC 在看“眼睛”时左边。

接到 Arduino

3.3 V 问题

Echo 引脚输出满 5 V，而 ESP32 或树莓派的 GPIO 额定只有 3.3 V。把 5 V 灌进去超出了它的绝对最大值，虽然往往一时没事，但确实在损伤引脚。用两个电阻就能解决：

Echo ──┬── 1 kΩ ──┬── to 3.3 V GPIO
       │          │
       │        2 kΩ
       │          │
       └──────────┴── GND

分压 5 V × 2/(1+2) = 3.33 V。任何接近 2:1 的比例都行——1 kΩ 配 2 kΩ，或者 10 kΩ 配 20 kΩ。不要用大于约 20 kΩ 的阻值，否则引脚的输入电容会把边沿拖得足够慢，破坏你正要测量的时序。

距离算术，以及错哪

distance = (echo_microseconds x speed_of_sound) / 2

20 °C 声速 343 m/s，即 0.0343 cm/µs。人人用的常数：回波时间除 58.2 得厘米。

声速随温度，约：

speed (m/s) = 331.3 + 0.606 x temperature_celsius

在 2 m 的距离上，这意味着冬天的车库和温暖的房间之间大约差 7 cm。对避障来说无关紧要。但要测量间隙就得补偿——而且如果机器人上有 MPU-6050 或任何一款 I²C 传感器，你其实已经有一个温度读数了。

能跑的最小代码

const int TRIG = 9, ECHO = 10;
const unsigned long TIMEOUT_US = 25000UL;   // ~4.3 m, past the sensor's range

void setup() {
  Serial.begin(115200);
  pinMode(TRIG, OUTPUT);
  pinMode(ECHO, INPUT);
}

// Returns centimetres, or -1 when nothing came back.
float pingCm() {
  digitalWrite(TRIG, LOW);  delayMicroseconds(2);
  digitalWrite(TRIG, HIGH); delayMicroseconds(10);
  digitalWrite(TRIG, LOW);

  unsigned long us = pulseIn(ECHO, HIGH, TIMEOUT_US);
  if (us == 0) return -1.0f;        // timeout: no echo, NOT "zero distance"
  return us / 58.2f;
}

// Median of three kills the occasional wild reading.
float pingMedianCm() {
  float a = pingCm(); delay(60);
  float b = pingCm(); delay(60);
  float c = pingCm();
  if (a > b) { float t = a; a = b; b = t; }
  if (b > c) { float t = b; b = c; c = t; }
  if (a > b) { float t = a; a = b; b = t; }
  return b;
}

void loop() {
  float cm = pingMedianCm();
  if (cm < 0) Serial.println("no echo");
  else        Serial.println(cm);
  delay(60);
}

这里有三个细节，决定了传感器能用还是不能用：

**超时不是可选项。**没有超时的 pulseIn 会一直阻塞到回波到来，而在柔软或倾斜的表面上，回波永远不会来。机器人会毫无规律地卡住，而原因看上去什么都不像传感器。

**零不是距离。**超时是“没回来”，一般最近的东西很远或看不见——零的反面。当 0 cm 的代码空房间急停。

三取中值能丢掉这类传感器经常出现的单个离谱读数。在空旷环境里，一个假的 20 cm 读数，就足以把机器人拐到墙上。

老实读波束图

规格 15° 听着手电窄束。不是——主瓣半角，实践 1 m 处传感器听约 50 cm 宽的锥。

传感器报锥内最近，不说锥内哪。这就是 HC-SR04 发现定位不了的门框，边上桌腿触发停车的原因。

在房间里四处游走时，这是个优点——障碍很难被漏掉。但如果要测量到某个特定目标的距离，这一点就是致命的，你要的是 VL53L0X。

它看不见什么

物理，不是缺陷，绕着设计是活：

只靠超声波测距的机器人，早晚会把窗帘一直推到某个东西让步为止。这正是碰撞开关是整台机器人上最便宜的可靠性保障的原因。

故障排查

HC-SR04 还是 VL53L0X？

它们在相反的材料上失效，所以只要了解房间环境，选择就很容易。声呐能看见激光看不见的黑布包箱子；激光能看见声呐看不见的、斜着遇到的玻璃门。在一台必须可靠的机器人上，诚实的答案往往是两个都用——再加一个碰撞开关，应付两个传感器同时失灵的情况。