第 28 课：倒车雷达

我是吴老师。这节课我们做的东西，你在每一辆车上都听过。

倒车的时候，那个声音：

嘀……嘀……嘀…… （还远）

嘀嘀嘀嘀嘀嘀！ （快撞上了！）

你不用看屏幕，闭着眼睛听声音，就知道车屁股离墙还有多远。

这节课我们把它做出来。 用超声波测距、蜂鸣器发声、LED 闪——三个模块一起上。

一、这节课有个新麻烦

前两个课题，你都是"一个传感器 + 一个执行器"，输入进来、输出出去，干干净净。

这一课不一样了。 三个模块，四根信号线，而且它们之间还互相牵制：

所以这一课真正的功夫，不在"怎么测距离"，在"怎么把毛数据变成能用的信号"。

这就是实战课题跟模块课的分水岭：模块课教你"这个零件怎么用"，实战课教你"怎么让它在一个真实的东西里好好干活"。

二、这个课题的三个环节

注意第二行——这次的"判断"不是简单的"是/不是"，是三档。 这就是这节课的核心。

三、材料清单

套件里拿这些：

身边自己准备：

四、接线

三个模块的 VCC 和 GND 全都接到拓展板的 3.3V 和 GND 上。 这点很重要，第五节会专门讲。

为什么超声波换到 GPIO6 / GPIO7 了？

第 15 课我们用的是 GPIO4 和 GPIO5。但这一课 GPIO5 要留给蜂鸣器（第 17 课就是它），一个脚不能干两件事。所以超声波整体往后挪两格。这两个脚都在 GPIO3~GPIO7 那一段里，是第 4 课说的"最安全"的那一批。

注意 Trig 和 Echo 别接反。 第 15 课说过：接反不会烧坏，但读数一定是错的——通常就是一个 0，或者一个吓死人的大数。

五、分步实现

第 1 步：先把距离读出来

跟第 15 课一样的代码，只是引脚号换了。

#define TRIG 6
#define ECHO 7

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

void loop() {
  digitalWrite(TRIG, LOW);
  delayMicroseconds(2);
  digitalWrite(TRIG, HIGH);
  delayMicroseconds(10);
  digitalWrite(TRIG, LOW);

  long d = pulseIn(ECHO, HIGH);
  float cm = d * 0.034 / 2;      // 别忘了那个 / 2

  Serial.print(cm);
  Serial.println(" cm");
  delay(100);
}

烧进去。把一本书立在桌上，慢慢往模块跟前推。 数字跟着变小，对吧？

第 2 步：看它有多"毛"

现在做一件事：把书固定在 30 厘米的地方别动，盯着串口看 10 秒。

你会看到类似这样的东西：

30.1 cm
29.7 cm
312.4 cm      ← 哎？
29.9 cm
0.0 cm        ← 又怎么了？
29.6 cm

第 15 课讲过这个，现在你亲眼见一次。 三个原因（第 15 课那张表）：材质、角度、斜面。再加上偶尔一次回声太弱，模块干脆没听见，pulseIn 等了一秒返回 0。

这种数据，你敢直接喂给蜂鸣器吗？

一试就知道：读数蹦到 312 的那一瞬间，蜂鸣器会以为"非常远"，安静下来；下一瞬间回到 30，它又开始响。 你的倒车雷达会像个神经病一样，嘀一下停一下，完全没有章法。

所以这一步不是"可选优化"，是必须做的。 第 15 课结尾我说过："传感器的原始数据都是毛的，变干净是你的活，不是传感器的活。"

第 3 步：洗干净——去掉最高分和最低分

办法特别土，但特别好用：连读 5 次，去掉最大和最小，剩下 3 个取平均。

这个套路你熟不熟？ 电视上那些比赛打分——评委打一堆分，去掉一个最高分、去掉一个最低分，剩下的算平均。 一模一样的道理。

float readDistance() {
  float minV = 9999;      // 用来记"最小的一次"
  float maxV = -1;        // 用来记"最大的一次"
  float sum  = 0;         // 用来记"加起来多少"

  for (int i = 0; i < 5; i++) {
    digitalWrite(TRIG, LOW);
    delayMicroseconds(2);
    digitalWrite(TRIG, HIGH);
    delayMicroseconds(10);
    digitalWrite(TRIG, LOW);

    long d = pulseIn(ECHO, HIGH);
    float cm = d * 0.034 / 2;

    if (cm < minV) minV = cm;      // 比最小的还小？换掉
    if (cm > maxV) maxV = cm;      // 比最大的还大？换掉
    sum = sum + cm;

    delay(10);
  }

  // 总数减掉最大和最小，剩下的 3 个取平均
  return (sum - minV - maxV) / 3.0;
}

把 loop 改成调用它，再盯着串口看 10 秒。

数字稳多了吧？ 那个 312 和 0 都被当成"最高分"和"最低分"扔掉了。

两个细节：

1. 为什么是 5 次？ 3 次太少（扔两个只剩一个），7 次太慢（读一次要好几十毫秒）。5 次刚好。
2. minV 为什么一开始设 9999？ 因为要保证第一次比较的时候，任何一个真实的距离都比它小。设 0 就永远不会被替换了——这是"找最小值"的通用套路：给它一个足够大的初始值。

还有一句要紧的：这个办法治不了"一直不准"。 它只是把偶尔蹦出来的野数据扔掉。如果 5 次读出来都离谱，那是接线或者环境的问题——去翻第 15 课那张排查表。

第 4 步：分档——从"一个阈值"到"三个档"

这是这节课的灵魂。

新手的第一反应是这么写：if (cm < 20) { 响 } else { 不响 }。能用，但很蠢。

因为人在倒车的时候，需要知道的是"还有多远"，不是"近不近"。

打个比方：如果倒车雷达只有"近了就响"，那它跟"撞上了才响"没什么区别。

真正有用的信息是"渐变的紧迫感"——还远的时候慢悠悠嘀一下，让你知道"它在工作"；中等距离嘀得勤一点，你开始留意；很近的时候连成一片，你条件反射地踩刹车。

代码就是一个 if 加一个 else if：

#define TRIG 6
#define ECHO 7
#define BUZZER 5
#define LED 3

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

void loop() {
  float cm = readDistance();

  if (cm < 20) {
    // 危险：嘀嘀嘀嘀嘀
    digitalWrite(LED, HIGH);
    digitalWrite(BUZZER, HIGH);  delay(50);
    digitalWrite(BUZZER, LOW);   delay(50);

  } else if (cm < 50) {
    // 注意：嘀——嘀——
    digitalWrite(LED, HIGH);
    digitalWrite(BUZZER, HIGH);  delay(50);
    digitalWrite(BUZZER, LOW);   delay(350);
    digitalWrite(LED, LOW);

  } else {
    // 安全：安静
    digitalWrite(LED, LOW);
    digitalWrite(BUZZER, LOW);
  }
}

烧进去，拿书试。 60 厘米以外安静；推到 40 厘米"嘀——嘀——"，灯跟着闪；推到 15 厘米"嘀嘀嘀嘀嘀！"，灯常亮。

成了。这就是倒车雷达。

第 5 步：为什么"急"是靠节奏，不是靠音调

这一点我要专门讲，因为很多人会卡在这儿。

你可能会想：能不能让声音越来越高，像真的倒车雷达那样？不能。而且原因不在代码里。

第 17 课讲过：我们套件里的蜂鸣器是"有源"的。

"源"指的是振荡源——负责产生音调的那个部件。 有源 = 它自带音源，内部电路按一个固定速度振动，所以它只有一种音调。

你能控制的只有一件事：什么时候响、响多久、停多久。 所以"越近越急"只能靠改节奏：

差四倍，耳朵一耳朵就听出来了。

这也顺便解释了为什么这段代码里有那么多 delay——它们不是"等一等"，它们就是声音的节奏本身。

再说个小实话：readDistance() 读 5 次，本身要花掉大概 70 毫秒。所以"急响"最快也就到这儿了——你把 delay(50) 改成 delay(10) 也快不了多少，因为量距离这件事本身就要花时间。

第 6 步：调成你自己的

50 和 20 这两个数，是我随手划的。 你的"墙"很远想早点有反应，就把 50 改成 80；觉得慢响太慢，就把 delay(350) 改成 delay(200)。改完拿书试一遍，听到你觉得"对了"为止。

六、组装：冰棒棍支架

为什么要支架？ 因为超声波模块不能平放在桌上。它要是躺着、仰着，声波就打到天花板上去了，测出来的是天花板到桌面的距离，不是墙到你的距离。 我们需要它"朝前看"，所以把它架到大概离桌面 7 厘米的高度。

第 1 步，摆三角形。 拿三根冰棒棍，在桌上摆成一个三角形（大概等边就行，边长 7~8 厘米）。

第 2 步，点胶。 在三个角上各挤一小坨热熔胶，按住十几秒。

注意是三个角，不是三条边。 边上糊一条又费胶又难看。

按住的时候别松手。 热熔胶十几秒凝，但没凝之前它会滑。

第 3 步，立起来试稳不稳。 三角形立在桌上，用手指轻轻推一下。不倒就对了。

为什么不倒？ 因为它的两个底角撑开了一段距离——底面越宽越稳。 这道理跟你骑自行车、跟你家桌子的四条腿是一样的。

第 27 课那个纸皮底座，我让你粘的那块"三角撑"，也是同一个道理。 三角形是最稳的形状——这不是巧合，是力学。

第 4 步，粘模块。 在三角形顶角上挤一坨胶，把超声波模块按上去，两个金属筒朝前，别让胶糊到它们上面。

方向要想清楚：它要朝哪儿？ 你做的是倒车雷达，那它就该朝着你要测的那面"墙"。粘之前先摆一摆，确认方向对了再上胶。

第 5 步，等胶干，通电，把"墙"摆到它前面。推近、推远，听声音变急变慢。

这一刻你会发现：你刚才做的不只是"把模块粘在棍子上"。

前面两个课题，光敏和红外都是"摊在那儿就行"；超声波不行——它的朝向就是它的视野。装歪了，它就瞎了。

这是你的作品第一次需要"瞄准"。

七、排查：如果读数全是乱的

开始之前我要先说一句话：这一课的排查比前两课难。因为你会遇到一个"看起来像已知问题"的现象，而那个"已知问题"会把你带偏。

症状

你做完了，通电了。结果是：

• 串口读数大部分是 0，偶尔蹦一个 300 多
• 蜂鸣器一会儿狂叫，一会儿安静，完全没有章法
• LED 跟着乱闪

你的第一反应可能是："哦，第 15 课说过，超声波读数天生会跳，加个滤波就好了。"

然后你就去改 readDistance()——读 7 次、读 10 次、改成各种花样。没用，一点用都没有。

为什么没用？因为你认错了敌人。

第一步：把滤波关掉，看原始读数

这一步是破案的关键。 把 readDistance() 里的滤波去掉，改成最原始的单次读取，连读 10 次全部打印出来：

void loop() {
  for (int i = 0; i < 10; i++) {
    digitalWrite(TRIG, LOW);
    delayMicroseconds(2);
    digitalWrite(TRIG, HIGH);
    delayMicroseconds(10);
    digitalWrite(TRIG, LOW);

    long d = pulseIn(ECHO, HIGH);
    Serial.print(d * 0.034 / 2);
    Serial.print("  ");
    delay(50);
  }
  Serial.println();
  delay(1000);
}

盯着看：

0.0  0.0  0.0  0.0  0.0  0.0  0.0  0.0  312.4  0.0
0.0  0.0  0.0  0.0  0.0  0.0  0.0  0.0  0.0  0.0

看清楚了：绝大多数是 0。

这时候你要停下来想一件事：

"抖动"和"读不到"，是两件完全不同的事。

• 抖动：数字在真实值附近晃。书在 30 厘米，读数在 28~32 之间跳——那叫抖。
• 读不到：数字根本不着边。全是 0，偶尔蹦个 300——那不叫抖，那叫"它压根没测到东西"。

第 15 课教你的那条真知识（"超声波读数会跳"），在这一刻变成了障眼法。 你以为你知道原因，所以你不再去看现象了。

这是硬件调试里最常见的一种翻车方式：你脑子里那个"我知道"，挡住了你眼前那个"实际是"。（第 5 课那句话怎么说的？"先测，再猜。"）

第二步：量电——模块有没有吃到电

万用表拨直流电压档。先短接表笔确认表是好的。

• 黑表笔搭拓展板的 GND
• 红表笔搭超声波模块的 VCC 针

读数：3.3V 左右。有电。 好，电源没问题，往下走。

第三步：量地——这一步是关键

万用表拨通断档（)))）。先短接两支表笔，听一声"嘀"确认表是好的。

• 一支表笔搭超声波模块上的 GND 针
• 另一支表笔搭拓展板上任意一个 GND 针

听到了吗？

——没有嘀。

找到了。

等一下，为什么要专门量这个？

因为前面几步你只量了 VCC，那只能说明"电源送到了"。但一个模块要好好工作，它必须有"电"、也必须有"地"。

地和电是两根线，得分别查。 很多人查故障只查电源，一量有 3.3V 就放心了，然后在地上翻了半天。

第四步：确认是"线断了"还是"没插好"

表笔别动。 把两根表笔都挪到同一根 GND 线的两头：一头搭这根线在模块上那一端，一头搭它在拓展板上那一端。

还有"嘀"吗？

• 有 → 线是好的，问题在插的位置（多半是没插到底，或者插歪了）
• 没有 → 线内部断了（第 4 课说过，新买的线真的有坏的），换一根

拔出来，对着丝印看清楚，重新插一次。再量第三步——这次"嘀"了。通电，看书，读数正常了。

根因

超声波模块的 GND 没有接上，它和板子没有"共地"。

听起来只是少接一根线，但后果比你想的严重得多：

超声波模块的 Echo 脚，是靠"输出电压的高低"跟板子说话的。 而这个"高"和"低"，是相对于它自己的地来说的。板子要判断"这根线现在是高还是低"，必须拿同一个地当参照。

两边的地不在一起，板子就完全判断不了。 于是 pulseIn 要么测出一个荒唐的数，要么一直等不到、等满一秒返回 0。

第 4 课的原话，你还记得吗？

"两个模块之间如果没有共同的地，它们的信号就是对牛弹琴——各说各话，谁也听不懂谁。"

你当时听到这句话，可能觉得是个抽象的道理。今天它是你眼前这堆乱跳的数字。

这个坑，是我在这个课题里故意留的。

它比前两课的坑都阴，因为它满足了一个条件：它伪装成一个你已经知道的问题。 前两课的坑，你至少还知道"出事了"；这一课的坑，会让你以为自己知道原因，然后在错误的路上改半天代码。

再捋一遍这次排查的骨架：

记住第 1 步和第 3 步。

• 第 1 步教的是："症状像某个已知问题"，不等于"就是那个问题"。 别急着套答案，先看数据。
• 第 3 步教的是："有电"和"有地"是两件事，得分开查。

自测

本节你要动手做的事

• [ ] 接好线：超声波 Trig→GPIO6、Echo→GPIO7；蜂鸣器 I/O→GPIO5；LED Signal→GPIO3（先断电再接）
• [ ] 先跑通单次测距，拿尺子验证一次（第 15 课那个动作）
• [ ] 亲眼见一次"毛数据"：把书固定住不动，盯串口 10 秒
• [ ] 加上去掉最高最低的滤波，再盯 10 秒，对比一下
• [ ] 写分档代码：>50 安静、20~50 慢响、<20 急响
• [ ] 推着书走一遍，从头到尾听一次"嘀……嘀——嘀嘀嘀嘀嘀！"
• [ ] 搭冰棒棍支架：三根棍、三个角上胶、模块粘顶角、朝前
• [ ] 用万用表跑一遍第七节那个排查表（就算没坏也走一遍，练手）
• [ ] 做完自测题

这节课你做的是三个模块一起干活的东西。

但我希望你带走的最重要的一件事，是第七节那半句话：

"症状像某个已知问题"，不等于"就是那个问题"。

你手上有一些真知识——超声波读数会跳、红外只有几厘米、有源蜂鸣器只有一个音。这些知识值钱，但它们有一个副作用：它们会让你在出故障的时候，第一时间就把现象塞进一个熟悉的解释里，然后停止观察。

高手和新手的区别就在这儿。 新手看到乱跳的数字，说"哦，抖动，滤波一下"。高手会先把原始数据打出来看一眼，然后说："等一下，这不是抖动，这是根本没读到。"

这句话，你以后会用到无数次。

另外，你今天是第一次同时指挥三个模块。你会发现它们之间会互相牵制——超声波要时间，蜂鸣器要时间，两者还会打架。 这种"资源要分配"的感觉，是往系统集成走的第一步。

下一课我们做调光台灯——把"开关"变成"旋钮"。

第 6 课我提过一句："你家那个灯要么开要么关，没有'开一半'这一说。（'开一半'是另一回事，叫 PWM。）"下一课就是那个"另一回事"。

而且那一课有个新麻烦：LED 只有两种状态，而你要做的是一个能连续变亮变暗的灯。怎么用"两种状态"做出"连续变化"？下一节课说。