DIY 数字身高仪：Arduino Nano + VL53L0X 激光测距 + OLED 显示

项目概述

本项目基于 Arduino Nano 与 ST VL53L0X (Time-of-Flight) 激光测距传感器，构建非接触式数字身高仪。安装于门框顶部，人员站立其下即可自动测量身高，结果显示于 128×64 OLED 屏，蜂鸣器播放提示音。旋钮编码器用于设置安装高度偏移量 (Offset)，参数存入 EEPROM 掉电保持。适合家庭记录儿童生长、学校体检、诊所分诊等场景。

所需组件与物料

• Arduino Nano R3 × 1
• CJMCU-530 (VL53L0X) 激光测距模块 × 1
• KY-040 旋转编码器 (带按键) × 1
• SSD1306 OLED 128×64 (I2C) × 1
• 无源蜂鸣器 × 1
• 10kΩ 电阻 × 2 (I2C 上拉)
• 3D 打印外壳 (STL 文件提供)

核心原理：VL53L0X ToF 测距

VL53L0X 发射 940nm 不可见激光脉冲，SPAD 阵列接收回波，测量光子飞行时间 (ToF) 直接换算距离，量程 0~2m，精度 ±3% (典型 ±1cm)。优势：不受目标反射率影响、抗环境光干扰、Class 1 激光安全、I2C 接口易集成。本项目配置 **高精度 + 长距离模式** (Timing Budget 200ms)，牺牲速度换取稳定性。

硬件接线指南

安装与校准指南

安装位置

设备固定于门框顶部**正中**，避免侧壁干扰激光束 (Crosstalk 串扰)。若门框较宽，可用延长杆将传感器伸出远离侧壁。测量并记录 **传感器发射面至地面垂直距离 (Offset)**，单位厘米。

Offset 校准流程

1. 长按编码器按键 (>1s) 进入校准模式，OLED 显示 "CALIBRATION" 与当前 Offset。
2. 旋转编码器调整数值 (顺时针 +1cm，逆时针 -1cm)，范围 0~255cm。
3. 再次按下按键确认，蜂鸣器发出两音确认音，参数写入 EEPROM 地址 0~1。
4. 1 分钟无操作自动退出不保存。

软件库依赖

• Wire.h (内置)
• Adafruit_SSD1306.h + Adafruit_GFX.h (OLED)
• VL53L0X.h (Pololu 版，轻量易用)
• EEPROM.h (内置)

核心代码逻辑

测量状态机

• IDLE：持续测距，OLED 实时显示当前距离 (cm)。
• STABLE：连续 2.5 秒 (可调) 读数波动 < 5mm，判定为有效测量，锁定显示，蜂鸣器播放《小星星》片段，进入 HOLD 状态。
• HOLD：显示锁定身高值 (Offset - Distance)，5 秒后自动回 IDLE。
• CALIBRATE：编码器调整 Offset，实时预览。

关键代码片段

// Pololu VL53L0X 初始化
VL53L0X sensor;
sensor.init();
sensor.setTimeout(500);
sensor.setSignalRateLimit(0.1);
sensor.setVcselPulsePeriod(VL53L0X::VcselPeriodPreRange, 18);
sensor.setVcselPulsePeriod(VL53L0X::VcselPeriodFinalRange, 14);
sensor.setMeasurementTimingBudget(200000); // 200ms 高精度
sensor.startContinuous();

// 主循环测量
uint16_t dist = sensor.readRangeContinuousMillimeters();
if (sensor.timeoutOccurred()) { /* 错误处理 */ }
float height = offset_cm - dist / 10.0; // mm 转 cm

3D 打印外壳

作者设计一体化外壳 (STL 文件 `HTAY.stl`)，包含：传感器窗口 (无盖玻璃避免串扰)、OLED 显示窗、编码器旋钮孔、蜂鸣器声孔、Nano USB 口预留、背部安装槽 (适配门框螺丝/胶带)。建议 PETG 材料打印，耐热耐用。

使用注意事项

• 激光安全：Class 1 不伤眼，但避免直视发射口。
• 串扰消除：传感器四周 >10cm 无遮挡物，必要时按 ST 文档做盖玻璃校准。
• 供电稳定：VL53L0X 峰值电流 ~40mA，Nano USB 供电通常足够，长线供电建议加 100μF 电解电容。
• 温度漂移：极端温度下可加入温度传感器补偿。

项目文件

• Arduino 代码：`HTAY.ino` (文末下载)
• 3D 模型：`HTAY.stl`
• 原理图：`schematic.png`
• GitHub：Pololu VL53L0X Library