HC-SR04 超声波测距实战

📅 2026-05-13 · 📂 硬件编程 · ⏱ 阅读约 6 分钟

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概述

HC-SR04 是最经典的单片机测距模块，价格不到 5 元。利用超声波发射-反射原理，可实现 2cm-4m 的非接触式距离测量。

学习目标：理解超声波测距原理（脉冲-回波法），掌握微秒级定时，学会滤波和精度优化。

物料清单

ESP32 ×1
HC-SR04 超声波模块 ×1
杜邦线 ×4

测距原理

HC-SR04 有两个"眼睛"：Trig（发射换能器）和 Echo（接收换能器）。工作流程：

Trig 引脚给 ≥10μs 的高电平脉冲 → 模块自动发送 8 个 40kHz 超声波
超声波遇到障碍物反射回来
Echo 引脚输出高电平，持续时间 = 超声波往返时间
距离 = 高电平时间 × 声速 / 2（往返除以2）

声速 ≈ 340m/s（0.034 cm/μs），所以：距离(cm) = 高电平时长(μs) × 0.034 / 2 ≈ 高电平时长 / 58

接线图

🔌 接线

     ESP32           HC-SR04
  ┌─────────┐      ┌─────────┐
  │ 5V(VIN) ┼──────┼ VCC     │
  │ GND     ┼──────┼ GND     │
  │ GPIO5   ┼──────┼ Trig    │
  │ GPIO18  ┼──────┼ Echo    │
  └─────────┘      └─────────┘
  
  ⚠️ HC-SR04 工作电压 5V，但 Echo 输出为 5V！
  需加分压电阻 (1kΩ+2kΩ) 降到 3.3V
  或直接接（仅限测试，可能烧引脚）

完整代码

// Ultrasonic_HCSR04.ino — 超声波测距
#define TRIG 5
#define ECHO 18

float getDistance() {
  digitalWrite(TRIG, LOW);
  delayMicroseconds(2);
  digitalWrite(TRIG, HIGH);
  delayMicroseconds(10);
  digitalWrite(TRIG, LOW);
  
  long duration = pulseIn(ECHO, HIGH, 30000); // 30ms超时 ≈ 5m
  if (duration == 0) return -1; // 超时/无回波
  return duration * 0.034 / 2;
}

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

void loop() {
  float dist = getDistance();
  if (dist < 0) Serial.println("⚠ 超出范围");
  else Serial.printf("距离: %.1f cm
", dist);
  delay(500);
}

精度优化：滑动平均滤波

// 多次测量取中位数 — 滤除偶发错误
float getDistanceFiltered(int samples = 5) {
  float readings[samples];
  for (int i = 0; i < samples; i++) {
    readings[i] = getDistance();
    delay(20); // 间隔20ms避免干扰
  }
  // 冒泡排序后取中位数
  for (int i = 0; i < samples-1; i++)
    for (int j = 0; j < samples-i-1; j++)
      if (readings[j] > readings[j+1]) { float t = readings[j]; readings[j] = readings[j+1]; readings[j+1] = t; }
  return readings[samples/2];
}

常见问题

⚠️ 5V Echo 兼容：HC-SR04 的 Echo 输出是 5V 电平，直接接入 ESP32 会烧毁 GPIO！解决方案：用两个电阻分压（1kΩ+2kΩ），或买 HC-SR04P（3.3V兼容款）。

⚠️ 最小盲区：HC-SR04 最小测量距离约 2cm。小于 2cm 时 Echo 脉冲和 Trig 脉冲混叠，读数不准。

💡 替代方案：需要更高精度或更小体积？用 VL53L0X 激光测距模块（I²C接口，精度 ±1mm，尺寸 4×2mm）。