HC-SR04 超声波测距传感器
| 器材 | 数量 | 参考 |
|---|---|---|
| HC-SR04 模块 | 1 | — |
| 杜邦线 | 4 | — |
价格随渠道波动，以购买页实时为准。
想让一辆小车知道"前面有没有墙、还有多远"，最便宜的办法不是激光，也不是摄像头，而是这块巴掌一半大、价格三五块钱的蓝板子——HC-SR04。它的工作方式和蝙蝠一模一样：朝前喊一嗓子（人耳听不见的超声波），听回声什么时候弹回来，时间差一算，距离就出来了。
它不是"看"到距离，而是"算"出距离。理解这一点，后面的坑就好躲了。
工作原理
把它板子上那两个银色的金属圆筒看成一只嘴、一只耳朵，整个测距过程就是四步：
- 触发：你给 Trig 脚一个至少 10 微秒的高电平脉冲，告诉模块"开始测"。
- 发声：模块收到触发后，从发射头打出 8 个 40kHz 的超声脉冲串。这个频率远超人耳上限（约 20kHz），所以全程悄无声息。
- 听回声：声波撞到物体反弹回来，接收头收到回声的瞬间，模块把 Echo 脚拉低。从发声开始到收到回声，Echo 脚一直是高电平。
- 算距离：Echo 高电平持续的这段时间，就是声波"去 + 回"的总往返时间。
核心就一条公式。声波在常温空气里约 340 米/秒，换算成方便的单位是 0.034 cm/μs（每微秒走 0.034 厘米）。声波是往返跑了两趟，所以要除以 2：
距离(cm) = Echo高电平时间(μs) × 0.034 ÷ 2
把 0.034 ÷ 2 算出来约等于 0.017，倒过来就是大家常用的"除以 58"那个魔法数字——距离(cm) ≈ Echo时间(μs) / 58，两种写法等价，记哪个都行。
想搞清楚 GPIO 怎么发脉冲、怎么读高电平，先看 /principle/gpio/ 打底。
接线
| HC-SR04 | ESP32 | 说明 |
|---|---|---|
| VCC | 5V | 注意不是 3.3V，供 3.3V 会测不准或不工作 |
| Trig | 任意 GPIO（如 GPIO5） | 单片机发触发脉冲给它 |
| Echo | 任意 GPIO（如 GPIO18） | 它回送回声信号，5V 电平需分压 |
| GND | GND | 共地 |
HC-SR04 的 Echo 脚回给单片机的是 5V 高电平。 ESP32 的 GPIO 只认 3.3V，长期直接接 5V 的 Echo 有打坏引脚的风险。规范做法是在 Echo 和 ESP32 之间加一个分压：1kΩ 串联 2kΩ 对地，从中间取信号，就能把 5V 压到约 3.3V。或者用专门的电平转换模块。短期面包板实验很多人直连也没烧，但要做产品请务必加分压。原理见 /principle/level-shift/。
完整代码
下面是阻塞式的标准写法，逻辑和上面四步严格对应：
const int trigPin = 5;
const int echoPin = 18;
void setup() {
Serial.begin(115200);
pinMode(trigPin, OUTPUT);
pinMode(echoPin, INPUT);
}
void loop() {
// 1. 触发：先拉低确保干净，再给 10μs 高电平
digitalWrite(trigPin, LOW);
delayMicroseconds(2);
digitalWrite(trigPin, HIGH);
delayMicroseconds(10);
digitalWrite(trigPin, LOW);
// 2. 测 Echo 高电平持续时间（微秒），第三参数是超时 30ms
long duration = pulseIn(echoPin, HIGH, 30000);
// 3. 换算成厘米：往返要除以 2，声速 0.034 cm/μs
float distance = duration * 0.034 / 2;
// 4. 超时返回 0 表示没收到回声（太远 / 没对准 / 接线问题）
if (duration == 0) {
Serial.println("超出量程或无回声");
} else {
Serial.print("距离: ");
Serial.print(distance);
Serial.println(" cm");
}
delay(200); // 两次测量间隔，别打太密，否则上一次的回声会干扰
}
pulseIn 会一直等到 Echo 变高再计时到它变低，所以它是阻塞的——在它返回前 CPU 干不了别的。对避障小车这种场景一般够用。如果你的程序还要同时跑别的任务，可以改用中断 + micros() 记录时间的非阻塞写法，让 AI 按这个思路帮你改即可。
你应该看到什么
烧录后打开串口监视器（波特率 115200），把手掌伸到模块正前方：
- 手在 20cm 处，串口大约打印
距离: 20.xx cm； - 手慢慢往前推到 10cm、5cm，数字跟着平滑减小；
- 把手完全移开、前方 4 米内无障碍，会看到
超出量程或无回声。
数字能随手的距离连续变化，就说明发声、回声、计时这条链路全通了。
读数解读
- 量程：约 2cm 到 400cm。超过 4 米回声太弱，常返回 0。
- 精度：理想条件下约 ±3mm，但这是对硬质平面正对的成绩，实际玩法里到厘米级就不错了。
- 波束角：约 15°，是一个锥形探测区，而不是一条激光线。这意味着它"看"的是前方一个扇面里最近的那个东西，分辨不出具体方位。
选型 / 避坑
便宜、量程大、5V 就能跑，是它的全部优点。缺点也很集中，下面几条几乎人人踩过：
① 盲区：小于约 2cm 测不准。发声和收声共用模块的时间窗口，物体贴太近时回声还没来得及被正确捕捉。 ② 软物 / 斜面漏检：海绵、布料、窗帘吸声，回声太弱收不到；斜面会把声波反射到别处而不是弹回来，于是"看不见"明明在眼前的东西。对硬质、正对的平面最准。 ③ 波束太宽：15° 锥角容易把旁边的桌腿、墙角也算进来，误报"前方有障碍"。窄空间里尤其明显。 ④ Echo 是 5V：接 ESP32 不分压有烧引脚风险（见上方安全提示）。 ⑤ 温度影响声速：声速随温度变化，0°C 约 331m/s、30°C 约 349m/s。对厘米级精度影响不大，要做高精度可按温度修正声速。
什么时候不该用它、该换别的：
- 要精度高、要小体积、要抗声音干扰、不想折腾分压 → 上激光 ToF 的 VL53L0X（I2C 接口，原生 3.3V，无需分压），见 /sensor/vl53l0x/。
- 要便宜、要测得远（几米）、对精度和体积无所谓 → 就用 HC-SR04，它依然是这个价位的标杆。
故障排查
| 现象 | 可能原因 | 排查 |
|---|---|---|
| 一直读 0 或超大值 | Echo / Trig 接反，或 Echo 没接好 | 核对接线，Trig 是输出、Echo 是输入 |
| 一直读 0 | 前方 >4m 无障碍，或目标吸声 / 斜面 | 拿硬质平面对正面试，距离放在 5–100cm |
| 读数乱跳不稳 | 供电不足 5V 掉压；测量太密回声串扰 | 用稳定 5V，两次测量间隔 ≥60ms |
| 数值整体偏大 | Echo 5V 直连导致电平异常 | 加 1k+2k 分压再试 |
| 完全无反应 | VCC 接了 3.3V | 必须给 5V |
进阶 / 变体
- 舵机云台扫描：把 HC-SR04 装在一个舵机上，让舵机从 0° 转到 180°，每隔几度测一次距离，就能画出前方的"扇形地图"——这是很多避障小车和雷达可视化项目的做法，能部分弥补单点测距分辨不出方位的短板。
- 多次取中值滤波：单次读数偶尔会跳。连测 5 次取中位数（不是平均值，中位数更抗突变），读数会稳很多，代价是采样慢一点。
- 多模块协同：小车前方左中右各装一个，分时触发（避免互相收到对方的回声），就能粗略判断障碍偏哪边。
典型应用
- 避障小车：检测前方障碍并提前刹车 / 转向；
- 停车入库提醒：车尾装一个，离墙越近蜂鸣越急（停车雷达原理）；
- 智能垃圾桶：手靠近自动开盖；
- 水位 / 液位检测：装在水箱顶部隔空向下测，算出剩余高度。
小结 · 相关
HC-SR04 用最低的成本解决了"前面有没有东西、有多远"这个最常见的需求。记住三件事：它测的是时间不是距离、Echo 是 5V 接 3.3V 单片机要分压、对软物斜面会瞎。把这三条躲过去，它就是个稳定耐用的好帮手。
- 原理打底：/principle/gpio/、/principle/level-shift/、/principle/digital-analog/
- 升级替代：/sensor/vl53l0x/（激光测距，更准更小）
- 更多传感器：/sensor/ ｜ 系统学习：/guide/l4-sensor-ai/
参数以上方 datasheet 为准；本页为公开资料整理，接线与代码请结合实物验证。