第 15 课：超声波模块——量个距离

我是吴老师。这节课的模块，是套件里唯一一个能测距离的。

你先回头看看手上这些传感器，它们的"性格"是这样的：

看到最后一行的分量没有？ 红外只会喊一声"有东西！"，然后就没词了。超声波会给你一个具体的数字。

这就是为什么倒车雷达用它、扫地机器人用它、你后面第 28 课的"倒车雷达"和第 30 课的"坐姿提醒器"也用它——因为"有多远"这件事，只有它能说。

看视频时注意的 3 件事

这一课有配套的录屏，先看一遍再往下读。

第一，数一数它有几根针。四根。 别的模块都是三根，它多一根。

为什么多一根？ 因为它要又喊又听。别的模块一根信号线就够了（要么是读、要么是写），它得一个脚负责"喊"、一个脚负责"听"，一个脚干不了两件事。

第二，盯住 Trig 和 Echo 分别接在哪。 这俩在代码里是分开填的。接反了不会烧坏，但读数一定是错的——通常就是一个 0，或者一个吓死人的巨大数字。

第三，注意手掌移远的时候数字怎么变。 慢慢把手往远处移，看数字一点点变大。你会看到它不是完全平滑的——偶尔会跳一下。这不是坏了，别慌，后面第四、五节专门讲为什么。

一、认识它：那两只"眼睛"

模块最显眼的，是板子正面两个圆圆的金属筒，像两只眼睛：一个里头是发射头，负责"喊"；一个是接收头，负责"听"。

它俩长得一模一样，你分不出来也正常。 好在不用分——板子已经焊好了，你只管接那四根针。

顺带说一句：超声波是声音，不是光。 它的频率高到人耳听不见（所以叫"超声"），但它跟声音是一回事——需要空气才能传，真空里它就是个哑巴。

这一条很重要，后面讲"为什么读数会跳"的时候要用到。

二、原理：对着山谷喊一声

超声波的原理，是这节课最不难的部分——因为它就是你小时候干过的事。

你站在山谷这头，对着对面喊一声"喂——"，过一会儿听到"喂……喂……喂……"的回声。你怎么知道山谷有多远？看你喊出去到听见回声，中间隔了多久。

• 隔得短 → 山谷近
• 隔得长 → 山谷远

超声波模块干的就是这件事，一秒能喊几十次：

看图，从上往下三步走：

第一步，Trig 上给它一个 10 微秒的高电平。 这叫"喊一声"。10 微秒短到你根本反应不过来，但对板子来说够了。

第二步，它开始喊，同时把 Echo 拉高。 Echo 高着不动的这段时间，就是"喊出去到听见回声"的时间。 声音回来了，Echo 就落回低电平。

第三步，程序量出 Echo 高电平持续了多久，换算成距离。

所以这一整套东西，本质上就是一个"掐秒表"的活。 模块负责喊和听，板子负责计时。

注意 Echo 给的是一个"持续时间"，不是距离。 距离是你算出来的。

这个区别很重要——它意味着：算错了，读数就是错的，而且是那种"看着挺像那么回事"的错。比如下面这个。

三、那个最经典的错误：别忘了除以 2

这是本节课最重要的一节。

声音是跑过去，再跑回来。它走的路，是你到物体的两倍。

所以：

距离 = 声速 × 时间 ÷ 2

那个 ÷ 2 是整节课最容易漏的东西。 而且它特别阴险——漏了它，程序照样跑，读数照样出，只是所有的数字都正好是真实距离的两倍。 你可能要过很久才发现："咦，我明明量的是 30 厘米，它怎么说 60？"

来，一起算一遍，你就再也不会忘了。

声速在空气里大概是 340 米/秒。换成厘米每微秒就是 0.034 厘米/微秒——声音每走 1 微秒，前进 0.034 厘米。

那么，如果 Echo 高电平持续了 2000 微秒：

漏掉 ÷ 2 的话，你会得到 68 厘米。差了整整一倍。

代码长这样

#define TRIG 4
#define ECHO 5

void setup() {
  Serial.begin(115200);
  pinMode(TRIG, OUTPUT);    // Trig 是板子往外发信号，所以是 OUTPUT
  pinMode(ECHO, INPUT);     // Echo 是板子读它，所以是 INPUT
}

void loop() {
  // 1. 先把 Trig 拉低一下，确保电平是干净的
  digitalWrite(TRIG, LOW);
  delayMicroseconds(2);

  // 2. 给它一个 10 微秒的高电平——"喊一声"
  digitalWrite(TRIG, HIGH);
  delayMicroseconds(10);
  digitalWrite(TRIG, LOW);

  // 3. 量 Echo 高电平持续了多久（单位：微秒）
  long duration = pulseIn(ECHO, HIGH);

  // 4. 换算成厘米——注意那个 / 2！
  float cm = duration * 0.034 / 2;

  Serial.print(cm);
  Serial.println(" cm");
  delay(200);
}

注意 pinMode 那两行，它俩是反的：

• Trig 是 OUTPUT——板子往外发触发信号
• Echo 是 INPUT——板子往里读回响

这是你第一次见到一个模块上有两个信号脚、而且方向相反。 想不清的时候就用那句话问自己：这个脚上的信号，是板子发出去的，还是板子读进来的？

还有个细节值得你知道：pulseIn 如果一直等不到回声，它会等一秒钟然后返回 0。

所以对着空气（没有东西反射）的时候，程序会明显卡一下——那不是死机，是它在傻等。这个现象你一定会遇到，先告诉你，免得到时候慌。

四、为什么读数会跳

第一次跑起来，你大概率会有点失望：这个数字怎么不安分？ 手不动，它也在 33、34、33、35、34 之间晃，有时候还蹦一个 200 出来。

这是超声波的"天性"，不是你的代码有问题。 三个原因：

第一，物体表面是什么材质。 声音遇到软的、多孔的东西——衣服、毛巾、海绵、窗帘——会被吸进去，几乎不反射。

声音被吸到哪去了？ 变成了材料内部的一点点热。这就是为什么录音棚墙上贴满了软包——不是为了好看，是为了不让声音弹来弹去。

第二，角度。 超声波不是一根直线，它是喇叭形散出去的。物体正对着它，回波最强；歪一点，回波就弱一截。

第三，斜面和尖角。 声音打到一个斜面上，会像台球一样弹到别处去，根本不往回来。尖角更惨——它把声音散射到四面八方。

所以别拿单个读数做判断。 想让读数稳一点，最简单的办法是连续读几次，去掉最大最小，取中间那几个的平均。这个技巧你在做倒车雷达的时候一定会用到——总不能让蜂鸣器跟着读数一起抽风吧。

这跟第 13 课麦克风那节的思路是同一个：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。

五、它有量程：太近测不出，太远也测不出

太近——测不出。 物体贴到模块脸上了（大概两三厘米以内），它反而读不出来，或者给你个乱数。

为什么？ 因为它刚"喊"完，还没切换到"听"的模式，回声就已经回来了——自己喊的声音还没停，怎么听得见回声？ 这个区域有个专门的名字，叫盲区。

太远——超出量程。 一般这类模块的上限在四米左右（具体多少看你的模块，以实测为准）。再远，声音散得太厉害，回来的那点动静它听不见。这也解释了 pulseIn 那个"等一秒返回 0"——对着墙外或者天花板，读数就会是 0，或者一个明显不靠谱的大数。

所以你的程序里迟早要加一句"这个是有效读数吗"的判断：比如小于 2 厘米、大于 400 厘米的，直接丢掉不算。这一步不做，你的倒车雷达会被一个野数据吓得乱叫。

六、动手：拿尺子验一验

这节课的动手环节，是我最喜欢的——因为你能自己验证它对不对。

第一步：接线。

第二步：跑上面的代码，打开串口监视器，用手在它前面晃。 看数字跟着你的手变大变小。

第三步——这一步是重点：把尺子拿出来。把一本书立在桌上，量出它到模块的距离，先量 10 厘米，然后看串口里读出来是多少。

• 对上了？ 恭喜，你刚才亲手验证了一个物理公式。这不是"教程说它对"，是你自己量出来的。
• 差了正好一倍？ 那去看看公式里那个 ÷ 2 是不是漏了。
• 差一点点（你量 10 厘米，它说 12）？ 正常。"你眼睛看到的位置"和"模块认定的位置"本来就不完全是一回事，加上声速是个近似值、温度也有影响，百分之几的误差很正常。

换几个距离再量：20 厘米、30 厘米、50 厘米，画个小表格记下来。你会发现越远误差越大——声音散得越开，回波越弱，越容易判早或判晚。

第四步：换材料挡。 手、书本、衣服、一块毛巾——同样放在 20 厘米的地方，读数一样吗？衣服和毛巾多半会让你读不到，或者数字跳得厉害。

做完这一步你就明白了一件事：超声波的"准"，是"在特定条件下的准"。 换个材质、换个角度，它就不一样了。这不叫"不准"，这叫"你要知道它的边界在哪"。

这跟第 14 课结尾那句是一回事——先搞清楚一个传感器的物理极限，再动手。

七、读数一直是 0，怎么查

这个故障你八成会碰到，我提前把排查顺序给你。

看这张图：不用串口，你只能对着一个不动的数字猜；用了串口，你能直接看到数值。第 7 课那句"先打印，再判断"，在这儿就是救命的话。按顺序查，别跳步：

注意最后一行——代码排在最后，不是因为它不重要，是因为前面的更常见。

"先测，再猜"（第 5 课）、"先打印，再判断"（第 7 课）——这两句话你从第 5 课听到现在，今天终于用在一个真正的"疑难杂症"上了。

你以后面对的任何一块不工作的板子，排查顺序都是这个套路：先看电，再看线，再看信号，最后才改代码。

自测

本节你要动手做的事

• [ ] 认清四根针：VCC、Trig、Echo、GND，接之前先断电
• [ ] 接好线：Trig→GPIO4，Echo→GPIO5，用一个本子记下你接的是哪两个脚
• [ ] 跑通读数：手在它前面慢慢移动，看数字跟着变
• [ ] 拿尺子验证：量 10 / 20 / 30 / 50 厘米，记下读数和实际值的差
• [ ] 故意漏掉 ÷ 2：把代码改成 duration * 0.034，看读数变成什么样——亲眼见一次，以后就忘不了
• [ ] 换材料：手、书本、衣服、毛巾，同样距离各测一次，看哪个读不出来
• [ ] 试一次"没有东西"：对着空气测，看程序卡一下然后打出 0（这就是 pulseIn 在傻等）；做完自测题

这节课你第一次拿到了一个"带单位"的读数。

前面所有的传感器给你的都是"相对值"——光敏读 3000，什么意思？不知道，得看你那个房间。而超声波说的是"34 厘米"，这是个谁都听得懂的数。

代价是：这个数得你自己算，而且算错了它不会报错。

所以这节课真正教你的，不是 pulseIn 这个函数，是"换算"这件事——一个物理量，从传感器到你手上，中间隔了几步？每一步有没有可能出错？那步 ÷ 2 有没有漏？

这个习惯你后面会一直用。 比如下一课的温度，DHT11 给你的是一串二进制位，你得知道怎么把它读成"26.5°C"，不然读出来就是个莫名其妙的整数。

而且你今天验证公式的方式，是拿尺子量。 这件事听起来特别土——但它就是硬件工程的样子。 没有人靠"我觉得应该对"来验收，都是拿个东西量一下。

从今天起，你手上那块板子有了"感知空间"的能力。 这是它第一次知道"世界有多大"。

下一节我们学温湿度传感器 DHT11——它跟今天这个正好相反。

超声波是你自己算的，算错了也没人管你；DHT11 是模块自己算好了，直接告诉你"26.5 度"。听起来省事多了，但它有另一套脾气——它用一种叫"单总线"的方式跟你说话，讲错一个字，它转身就走。

下节课见。