读取 HC-SR04 超声波传感器：用代码测出可靠距离

一台做避障的机器人，转向质量就等于它所依据的那个距离。那个数来自一颗 HC-SR04 超声波传感器：它发出一声超声脉冲，听回声，而往返时间告诉你最近的东西有多远。本文把那一下原始的超声波脉冲变成一个你可以信赖的厘米距离——一个能扛住传感器丢包和游离回波、而不是把你的机器人送进墙里的距离。

传感器怎么报告距离

HC-SR04 说的是一门简单的双脚语言。你把 Trigger 拉高 10 微秒；它发出八串 40 kHz 脉冲，并把 Echo 拉高直到反射回来。Echo 保持高电平的时间就是往返时间，而声音大约以 343 m/s 传播，于是：

distance_cm = echo_time_us * 0.0343 / 2

除以二，是因为声音出去又回来了。零件页覆盖接线与物理；这里关心的是如何在代码里干净地读出它。

用 pulseIn 读它——并且永远要传超时

除了正确性之外，超时还有第二个要紧的原因：pulseIn 是阻塞的，所以一次漏掉的回波会把你的整个循环卡住你允许的那么久。一台移动中的机器人为此付出多少，见非阻塞时序。

pulseIn 测量一个引脚保持高电平多久。陷阱在这里：如果回波永远不回来——范围内没东西，或者有个软表面把声音散射掉了——pulseIn 会阻塞满它的默认超时，你的控制环就卡住了。永远传一个显式超时，按你的最大量程来定：

const int TRIG = 9, ECHO = 10;
const unsigned long TIMEOUT_US = 25000UL;  // ~4 m of round trip

long 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;             // timed out: nothing in range
  return (long)(us * 0.0343 / 2.0);
}

超时时返回 -1 而不是 0 很重要。一个 0 读起来像“有障碍正贴着传感器”，而真实意思恰恰相反——“路是通的”。要把“没有回波”和“非常近”区分开。

原始读数为什么会跳

把 HC-SR04 对着墙，读数仍然会闪，因为真实世界是杂乱的：

• 柔软或有角度的目标把回波散射走，于是你偶尔会得到一个巨大的值或者一次丢包。
• 约 15° 的波束意味着传感器报告的是一个锥内最近的东西，所以旁边一条桌腿就能把读数顶上去。
• 轮询太快（间隔短于约 60 ms）会让上一次的回波漏进下一次读数。

把那些跳变直接喂进“停车还是转弯”的决策，机器人就会抽搐。你需要在不加延迟的前提下把数据流平滑掉。

五点中值滤波

正确的工具是中值，不是平均值。平均会把一个野生的尖峰抹到好几次读数上；中值直接把它扔掉。取五次脉冲，用中间那个：

int cmpLong(const void* a, const void* b) {
  return (*(long*)a) - (*(long*)b);
}

long medianCm() {
  long s[5];
  for (int i = 0; i < 5; i++) {
    long v = pingCm();
    s[i] = (v < 0) ? 400 : v;   // treat timeout as "far", not "touching"
    delay(30);                  // let the previous echo die away
  }
  qsort(s, 5, sizeof(long), cmpLong);
  return s[2];                  // the middle value
}

有两个细节让它健壮：把超时映射成一个很大的“远”值（这样一次丢失的回波永远不会读成有障碍），以及脉冲之间那个小 delay，让回波不互相串话。关于滤波而不过度平滑的理论，见传感器噪声、偏置与滤波。

别再阻塞循环

上面这些仍然会卡住循环。pulseIn 在等，delay(30) 在等，而五次间隔 30 ms 的脉冲就是 150 ms，这期间机器人不读任何别的传感器、也不做任何决策。在 0.3 m/s 下，那意味着每次测量 4.5 cm 的盲走。

解法是把这颗传感器做成一个小型状态机，让主循环一步一步推进它、从不等待：

enum PingState { IDLE, TRIGGERED, WAITING };

PingState state = IDLE;
unsigned long stateSince = 0;
long lastDistance = -1;

const unsigned long PING_PERIOD_MS = 60;   // let the previous echo die away
const unsigned long ECHO_TIMEOUT_MS = 30;  // beyond the sensor's range

void updatePing() {
  const unsigned long now = millis();

  switch (state) {
    case IDLE:
      if (now - stateSince < PING_PERIOD_MS) return;
      digitalWrite(TRIG, HIGH);
      stateSince = micros();          // note: microseconds for this short step
      state = TRIGGERED;
      break;

    case TRIGGERED:
      if (micros() - stateSince < 10) return;
      digitalWrite(TRIG, LOW);
      stateSince = now;
      state = WAITING;
      break;

    case WAITING:
      if (echoComplete) {             // set by the interrupt below
        lastDistance = echoMicros / 58.2;
        echoComplete = false;
        stateSince = now;
        state = IDLE;
      } else if (now - stateSince > ECHO_TIMEOUT_MS) {
        lastDistance = -1;            // no echo — far, or invisible
        stateSince = now;
        state = IDLE;
      }
      break;
  }
}

现在循环调用 updatePing() 然后继续往下走。lastDistance 永远是最近一次完成的测量，最多老 60 ms，而机器人身上别的东西都没有为它等待。

用中断给回波计时

状态机仍然需要知道回波什么时候到了，而主循环里轮询 digitalRead 要付出分辨率的代价。在 Echo 引脚的两个边沿上都挂中断则不花任何代价：

volatile unsigned long echoStart = 0;
volatile unsigned long echoMicros = 0;
volatile bool echoComplete = false;

void echoISR() {
  if (digitalRead(ECHO) == HIGH) {
    echoStart = micros();
  } else if (echoStart != 0) {
    echoMicros = micros() - echoStart;
    echoStart = 0;
    echoComplete = true;
  }
}

void setup() {
  pinMode(TRIG, OUTPUT);
  pinMode(ECHO, INPUT);
  attachInterrupt(digitalPinToInterrupt(ECHO), echoISR, CHANGE);
}

在 Arduino Uno 上这必须是 2 脚或 3 脚——仅有的两个外部中断引脚——而如果你的机器人有轮子编码器，它们两个都想要。这个冲突是真实的，也是一个项目迁到 Nano 的引脚变化中断、Mega 或 ESP32 的更常见原因之一。

注意那个 echoStart != 0 的保护。没有它，一个没有先来上升沿的下降沿——超时之后的第一次中断就会发生这种情况——会用过期的时间戳算出一个毫无意义的时长。

滤波怎么选

中值是正确的默认值，但知道其他几种到底在做什么也值得，因为它们的失效方式不同：

超声波噪声不是高斯的——它是在一个本来稳定的信号上偶尔出现的野生离群点，而这恰恰是均值处理得很糟、中值处理得完美的那种情况。五个 30 cm 的读数里混进一个 400 cm 的尖峰，均值会动 74 cm，中值一动不动。

需要精度的话，温度也算一份

那个 58.2 的除数假定 343 m/s，也就是 20 °C 时的声速。它不是常数：

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

对避障来说完全无视这个——2 m 处 7 cm 不改变任何决策。对一台在量缝隙的机器人、或者冬天在车库里干活的机器人，就该补偿：

float cmPerMicrosecond(float tempC) {
  return (331.3f + 0.606f * tempC) / 20000.0f;   // /1e6 for us, /2 for round trip
}

如果机器人已经带着一颗 MPU-6050——或者几乎任何 I²C 传感器——你就白得了一个温度读数。

同时跑多颗传感器

两颗同时发脉冲的 HC-SR04 会各自听到对方那一声，在两边都产出乱七八糟的读数。它们必须轮流来：

const int SENSORS = 3;
int current = 0;
long distance[SENSORS];

void updateAll() {
  if (pingComplete(current)) {
    distance[current] = lastDistance;
    current = (current + 1) % SENSORS;    // round-robin
    startPing(current);
  }
}

代价是刷新率：三颗传感器各 60 ms，意味着任何单颗传感器每 180 ms 才更新一次。如果这太慢——在移动的机器人上往往如此——答案要么是少用几颗超声波传感器，要么混进一颗 VL53L0X，它用光，所以完全干扰不到声呐。

故障排查

接下来去哪

你现在有了一个干净的数：正前方的距离。有两件事建立在它之上。把传感器装到舵机上扫描，看哪一边是空的——用舵机扫描超声波传感器——再把结果喂进避障算法里的决策环。你也可以先在避障模拟器里把整段感知加转向的行为试一遍。