超声波测距雷达系统设定阈值报警Python/C++编程树莓派与ESP32使用例程

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传感器超声波C++Python

一：传感器介绍

HC-SR04 是一款专为近距离精准测距设计的高性价比超声波传感器，基于回声定位原理实现非接触式距离检测，凭借稳定性能、灵活适配性和广泛场景覆盖，成为智能硬件、工业控制与创意电子项目的核心感知部件。

1.声波原理

HC-SR04 超声波测距传感器的工作原理基于声波反射测距法，模仿蝙蝠的回声定位机制，通过发射高频超声波、在接收反射的回波，在编程计算声波往返时间来换算目标距离，全程为非接触式检测，不损伤被测量物体。那么在现实生活中实际存在的物体都能被检测到，包括水和玻璃。

核心的工作流程（4 步完整闭环）

触发测距指令
控制器（如树莓派 Pico、Arduino、ESP32等单片机）向传感器的引脚发Trig送一个 10μs 以上的高电平脉冲，这个脉冲是启动一次测距的 “指令信号”。收到指令后，传感器内部电路立即进入工作状态。
发射高频超声波脉冲
传感器的发射探头（T）会自动发射 8 组频率为 40kHz 的超声波脉冲。那么40kHz 的声波属于人耳无法听到的超声波频段，具备传播方向性强、能量集中的特点，适合近距离精准测距。
接收反射回波
超声波脉冲遇到被测物体后会发生反射，形成回波信号。会由传感器的接收探头（R）会捕捉到反射回波，一旦检测到回波，传感器会立即将Echo引脚的电平从低电平切换为高电平。
2.距离换算
Echo引脚的高电平持续时长，就是超声波从发射到接收的往返总时间。
控制器通过捕获这个高电平的时间长度，结合声波在空气中的传播速度，就能计算出传感器到被测物体的距离，核心公式如下：
- 单程时间 = 高电平持续时间 ÷ 2
- 距离（cm）= 单程时间（μs）÷ 58
- 距离（m）= 声波速度（340m/s）× 单程时间（s）
注：声波速度受温度和不同物体的影响，常温下（20℃）下约为 340m/s，温度每变化 1℃，速度会增减约 0.6m/s。

3.参数原理图

HC-SR04原理图

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二：树莓派例程

1.树莓派接线图

以树莓派Pico开发板为例，提醒: 请按下图的引脚标识接线，务必不能接错。如果接错线通电后会导致设备烧毁！

2.Python程序

hcsr04下载这个hcsr04的源代码上传至树莓派pico文件内，直接运行查看数据（如下图）

如果你还没有搭建好树莓派Python编程环境可参考这个帖子→：如何搭建Python编程环境

3.代码解析

引脚配置：

Trig 引脚配置为输出模式，用于发送触发信号，Echo 引脚配置为输入模式，用于接收回响信号

测量函数：

measure_distance()函数实现了完整的测距逻辑

使用time_pulse_us()函数精确测量 Echo 引脚高电平持续时间

通过公式计算距离，并进行四舍五入处理

距离计算公式：

声速在空气中约为 343.2 米 / 秒 = 0.03432 厘米 / 微秒

超声波往返一次，所以需要除以 2

最终公式：距离(厘米) = 时间(微秒) × 0.0343 ÷ 2

注意事项：

避免在强电磁干扰环境中使用，可能影响测量精度，测量距离过近（<2cm）或过远（>400cm）时会测量不准确，对于光滑平面，测量精度较高；对于柔软或不规则表面，精度可能下降，建议两次测量之间保留至少 50ms 的间隔，避免回声干扰

4.添加报警显示功能

上面的程序只是测试传感器功能是否正常，我们要再次升级功能让其脱离电脑也能使用，那么我们加个显示屏和报警器。实现将测距数据展现在显示屏上并且可设定低于阈值报警。通过扩展板上的ABCD按键来调节阈值。请严格按下图的引脚标识进行连接，务必不能接错，接错会损坏设备！

5.升级Python程序

超声波测距+显示屏源代码

下载这个源代码Zip压缩包，在解压出来将里面所有文件全部上传至树莓派pico文件内，直接运行查看数据（如下图）

下载源代码并解压后，上传至树莓派Pico内，通电后可遮挡超声波探头测试距离，距离越近报警声频率越高（如下）

按键功能：A阈值调节，BC加减数字，D保存阈值

6.视频演示

7.代码解析

引脚配置：

将蜂鸣器配置GP0引脚，输出高电平就能触发报警声

报警功能：

ALARM_THRESHOLD：报警触发阈值（30cm）

MIN_INTERVAL/MAX_INTERVAL：控制蜂鸣器鸣叫间隔的范围

核心逻辑：根据距离动态调整蜂鸣器频率

1. 报警条件判断：当距离小于 30cm 时进入报警模式

2. 距离范围限制：确保距离在 2-30cm 的有效区间内，避免计算异常

3. 频率计算：ratio：将距离转换为 0~1 的比例（2cm 对应 0，20cm 对应 1），使用四次方关系(ratio**4)计算间隔时间，使近距离的频率提升更显著（非线性变化），蜂鸣器控制：通过高低电平交替产生声音，间隔时间越短，频率越高，非报警状态：距离≥30cm 时，蜂鸣器保持低电平

三：ESP32/Arduino例程

1.ESP32接线图

本次以ESP32-S3主板为例按下图接好连接线，务必注意不可接反，否则会烧毁传感器。

2.C++程序

HC-SR04 下载HC-SR04这个源代码直接用Arduino IDE编译上传程序打开串口监视查看（如下图）

3.逻辑解析

ESP32 (GPIO 13) 发送 10 微秒脉冲 └──> 超声波发射器发出声波 └──> 遇到障碍物折返 ┌─── 超声波接收器收到回波 ESP32 (GPIO 14) 记录声波往返高电平时间 (duration) └──> 超出 25ms (即 >400cm) 直接判定为“无效” └──> 计算：距离 = (时间 × 0.0343 cm/us) ÷ 2

关键代码段详解

pulseIn(ECHO_PIN, HIGH, 25000)

作用：测量 Echo 引脚维持高电平的微秒数。

超时限制（25000us）：由于声波往返 400 cm 耗时约 23.3 毫秒，设置 25 毫秒（25000 微秒）超时。超过这个时间传感器如果没收到回波，函数会直接返回 0，避免 ESP32 死等或计算出几千厘米的假数据。

float distanceCm = duration * SOUND_SPEED / 2.0;

作用：将时间转化为物理距离。

运算逻辑：SOUND_SPEED 为 0.0343 cm/μs（即空气声速 343 m/s）。因为声波经历了从传感器到障碍物“往复”两次的路程，所以最终结果除以 2 得到单程距离。

if (duration == 0 || distanceCm > 400.0 || distanceCm < 2.0)

作用：软件滤波边界检测。

原理：HC-SR04 的物理极限是 2 cm ~ 400 cm。因传感器超出测量距离没收到回波导致的异常值，都会被这个条件直接拦截