非接触式音乐洗手计时器：基于 Arduino 与超声波传感器
项目概述
依据 CDC 建议，洗手需搓洗 20 秒以上。本项目制作一款非接触式洗手计时器：手在超声波传感器前挥动即可触发，7 段数码管倒计时显示，蜂鸣器同步播放 20 秒旋律（内置《生日歌》《Do-Re-Mi》《We Will Rock You》《危险边缘》主题曲），支持用户自行增减曲目。全程无需触碰，适合公共卫生场景。
核心组件与物料清单
- Arduino UNO ×1
- HC-SR04 超声波测距模块 ×1
- Adafruit 0.56" 4 位 7 段数码管（I2C 背包） ×1
- Adafruit 压电蜂鸣器 PS1240 ×1
- ProtoStax 系列外壳（Arduino 板、面包板、超声波模块专用套件、横向堆叠套件）
- 半尺寸免焊面包板 ×1
软件： Arduino IDE
硬件连接与原理图
原理图见项目附件。核心连接：
- HC-SR04：Trig/Echo 接数字引脚
- 7 段数码管：I2C 接 SDA/SCL (A4/A5)
- 蜂鸣器：接数字引脚（TONE_PIN）
- ProtoStax 外壳提供模块化堆叠与固定，超声波探头穿墙安装于侧壁
软件架构亮点
无阻塞并发：拒绝 delay()
需同时更新倒计时显示与播放音乐。利用 tone() 非阻塞特性（占用 Timer2），配合 millis() 时间戳实现“多任务”：
- 主循环按音符时长播放，期间反复刷新倒计时与数码管
- 倒计时结束后仍继续播放至曲终，避免音乐中断
乐谱转码：相对时值体系
定义 Note 结构体（频率 + 相对时值），用宏表示全/二分/四分/八分/十六分音符及附点：
#define NOTE_WHOLE 1
#define NOTE_HALF 0.5f
#define NOTE_QUARTER 0.25f
#define NOTE_EIGHTH 0.125f
#define NOTE_SIXTEENTH 0.0625f
#define DOTTED(X) (X * 1.5f)
结合 Melody 结构体（音符数组、音符数、全音符实际毫秒数），即可按标准乐谱逐音符转录，示例给出《生日歌》完整数组。
内存优化：PROGMEM 存放乐谱
UNO 仅 2 KB SRAM，4 首曲子占用 96% 导致数码管库失效。将 Note 与 Melody 数组移入 Flash（PROGMEM），动态内存从 76% 降至 22%，程序存储仅微增（31%→32%），可轻松容纳更多曲目。
代码结构要点
setup()：初始化 I2C 数码管、超声波引脚、串口loop()：轮询超声波距离 < 10 cm 触发 → 选曲、启动倒计时与播放- 播放循环：
tone()发声 → 计算音符间隔 →while(millis()-noteTime < pause)期间刷新显示 →noTone()止音
扩展建议
- 自行转录更多乐谱（注意注释掉旧曲目或迁移至 PROGMEM）
- 实现 PROGMEM 读取（进阶，需
pgm_read_word等） - 增加启动动画、音量控制、多语言提示等
资源链接
- 完整代码仓库：ProtoStax_Touchless_Musical_Handwash_Timer
- 原理图见项目附件（Schematics 部分）
制造工艺
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