超声波传感器测距学习笔记教程

一、知识储备

（一）超声波基础

1. 超声波概念：频率高于20000赫兹的声波，人耳听不到，具有方向性好、反射能力强等特点，可用于测距、测速等场景 。
2. 测距原理：超声波传感器发射超声波，遇到障碍物反射，通过测量发射与接收回波的时间差，结合声速（空气中约340米/秒 ），利用公式 距离 = （声速×时间差）/ 2 计算距离（除以2是因为声波往返 ）。

（二）Arduino 相关函数

1. delayMicroseconds(value)：让程序暂停运行设定时间，单位微秒（1毫秒 = 1000微秒 ），用于精准控制触发信号时长。
2. pulseIn(pin, value, timeout)：读取指定引脚的脉冲（高电平或低电平 ）持续时间，返回微秒值。pin 是引脚号，value 是脉冲类型（HIGH 或 LOW ），timeout 是等待脉冲的超时时间（默认1秒 ），用于获取超声波回波高电平持续时间。

二、代码实现（Arduino 控制超声波传感器测距）

（一）完整代码

// 定义超声波传感器触发引脚（Trig），连接到 Arduino 数字引脚 2
const int trigPin = 2; 
// 定义超声波传感器回声引脚（Echo），连接到 Arduino 数字引脚 3
const int echoPin = 3; 

void setup() {
  // 初始化触发引脚为输出模式，用于发送触发信号
  pinMode(trigPin, OUTPUT); 
  // 初始化回声引脚为输入模式，用于接收反射信号
  pinMode(echoPin, INPUT); 
  // 初始化串口通信，波特率 9600，用于在串口监视器显示测量结果
  Serial.begin(9600); 
  // 串口打印提示信息，确认程序启动
  Serial.println("超声波开始工作啦！"); 
}

void loop() {
  // 1. 触发超声波模块发射超声波
  // 先将触发引脚拉低 2 微秒，确保初始状态稳定
  digitalWrite(trigPin, LOW); 
  delayMicroseconds(2); 
  // 向触发引脚发送 10 微秒高电平，触发超声波发射（模块要求的触发条件）
  digitalWrite(trigPin, HIGH); 
  delayMicroseconds(10); 
  // 触发完成，拉低触发引脚结束信号
  digitalWrite(trigPin, LOW); 

  // 2. 接收反射信号并计算距离
  // 测量回声引脚高电平持续时间（即超声波往返时间），单位微秒
  long duration = pulseIn(echoPin, HIGH); 
  // 根据公式计算距离，340 米/秒 = 0.034 厘米/微秒，往返距离除以 2，简化为除以 58.0（0.034/2 的倒数约 58 ）
  double distance = duration / 58.0; 

  // 3. 串口输出测量结果
  Serial.print("前方障碍物的距离："); // 打印提示文字
  Serial.print(distance); // 打印距离数值
  Serial.println("cm"); // 打印距离单位

  // 延迟 20 毫秒后再次测量，避免频繁测量导致结果不稳定
  delay(20); 
}

（二）代码逐行注释解析

1. 引脚定义：

// 定义超声波传感器触发引脚（Trig），连接到 Arduino 数字引脚 2
const int trigPin = 2; 
// 定义超声波传感器回声引脚（Echo），连接到 Arduino 数字引脚 3
const int echoPin = 3; 

• 明确超声波传感器两个关键引脚 trigPin（触发 ）和 echoPin（回声 ）在 Arduino 上的连接引脚，const 修饰表明引脚号程序运行中不变。

2. setup() 函数：

void setup() {
  // 初始化触发引脚为输出模式，让其能输出电信号触发超声波发射
  pinMode(trigPin, OUTPUT); 
  // 初始化回声引脚为输入模式，用于接收反射波的信号
  pinMode(echoPin, INPUT); 
  // 初始化串口通信，设置波特率 9600，后续通过串口打印测距结果
  Serial.begin(9600); 
  // 串口打印提示，方便在串口监视器确认程序启动状态
  Serial.println("超声波开始工作啦！"); 
}

• 完成引脚模式初始化（输出/输入 ）和串口初始化，还给出程序启动提示。

3. loop() 函数：
   • 触发超声波发射：

// 先拉低触发引脚 2 微秒，让初始电平稳定，避免干扰
digitalWrite(trigPin, LOW); 
delayMicroseconds(2); 
// 输出 10 微秒高电平，触发超声波模块发射超声波（符合模块触发时序要求）
digitalWrite(trigPin, HIGH); 
delayMicroseconds(10); 
// 触发完成，拉低引脚，结束触发信号
digitalWrite(trigPin, LOW); 

- 通过控制 `trigPin` 电平变化，严格按照超声波模块触发时序，先稳初始电平，再发触发高电平，最后结束触发。
- **计算距离**：

// 测量回声引脚高电平持续时间，也就是超声波从发射到返回的总时间（微秒）
long duration = pulseIn(echoPin, HIGH); 
// 利用公式简化计算距离，(340m/s 换算为 0.034cm/μs，往返距离除以 2，即 0.034/2 = 0.017 ，1/0.017≈58 ，所以除以 58.0 得到厘米距离 ）
double distance = duration / 58.0; 

- 用 `pulseIn` 获取超声波往返时间，再通过简化公式快速算出距离（单位厘米 ）。
- **串口输出与延时**：

Serial.print("前方障碍物的距离："); // 打印提示文本
Serial.print(distance); // 打印测距数值
Serial.println("cm"); // 打印距离单位
// 延迟 20 毫秒，让测量间隔合理，避免结果波动大
delay(20); 

- 串口打印清晰展示测距结果，`delay(20)` 控制测量频率，保障结果稳定。 

三、实际操作与扩展

（一）硬件连接

将超声波传感器的 VCC 接 Arduino 5V ，GND 接 Arduino GND ，Trig 接代码中定义的触发引脚（如数字引脚 2 ），Echo 接回声引脚（如数字引脚 3 ）。

（二）功能扩展

1. 数据滤波：多次测量取平均值，减少测距波动，比如连续测 5 次，去掉最大最小值后求平均。
2. 阈值报警：设定距离阈值，当小于阈值（如距离障碍物过近 ），让 Arduino 控制蜂鸣器报警或指示灯闪烁。
3. 结合显示屏：连接 OLED 显示屏，实时在屏幕显示测距数值，让结果展示更直观。

通过学习上述内容，就能掌握 Arduino 配合超声波传感器实现测距的核心逻辑与实操方法，后续可基于此拓展更多有趣的智能项目，比如自动避障小车、智能垃圾桶测距开盖等 。