超声波眼睛：双 8×8 LED 矩阵跟随人体移动的互动装置

项目简介

一个俏皮的桌面装置：两个 HC-SR04 超声波测距模块作为“左右眼”，驱动两个级联 MAX7219 8×8 LED 矩阵显示卡通眼球。眼睛会根据左右测距差异向左/右/前注视，随机眨眼，环境光传感器自动调节亮度。无需复杂图像处理，仅用两路测距即可实现生动的“注视跟随”效果，适合放在办公桌、展柜入口吸引目光。

所需材料

• Arduino Nano (或兼容板，需硬件 SPI 引脚 D11/D13)
• HC-SR04 超声波模块 ×2
• MAX7219 8×8 LED 矩阵模块 ×2 (级联接口)
• 光敏电阻 (LDR) + 330Ω 电阻 (分压采样)
• 半尺寸面包板、公母杜邦线若干
• 可选：3D 打印外壳 (作者提供 STL)，巧板固化

接线指南

电源与地

• Nano 3.3V/5V → 面包板正/负轨 (矩阵模块部分要求 5V，实测 3.3V 也可，不稳则改 5V)
• 两路超声波 VCC/GND 并联到电源轨
• 两块矩阵级联：第一块 VCC/GND 接电源轨，第二块从第一块输出端取电

信号线

注意：代码使用硬件 SPI (D11 MOSI, D13 SCK)，换板子需对应修接线。

软件库

• MD_MAX72XX (库管理器安装，驱动矩阵)
• NewPing (库管理器安装，超声波中位值滤波)

眼球图案定义 (8×8 位图)

uint8_t eye_forward[8] = {
  0b00111100, 0b01000010, 0b01011010, 0b10101101,
  0b10111101, 0b10011001, 0b01000010, 0b00111100
};
uint8_t eye_right[8] = { ... };   // 瞳孔偏右
uint8_t eye_left[8]  = { ... };   // 瞳孔偏左
uint8_t eye_blink[8] = { ... };   // 闭合动画帧

主循环逻辑

1. 读取 LDR 光照值 (0-1023) → 映射到矩阵亮度 0-15
2. 左眼 ping_median(5) 获取中位距离 distance1
3. 延时 500ms 避免串扰，右眼同理得 distance2
4. 随机触发眨眼：单眨/双眨，眨完恢复原注视方向
5. 判向逻辑：
   • |d1-d2| < 25cm 或均为 0 (无物体) → 看前方
   • d2 < d1 且 d1>0 → 右侧更近 → 看右
   • d1 < d2 且 d2>0 → 左侧更近 → 看左
6. 延时 250ms 进入下一轮

完整代码

#include <MD_MAX72xx.h>
#include <NewPing.h>

#define CS_PIN 10
#define MAX_DEVICES 2
#define LIGHT A5

MD_MAX72XX mx = MD_MAX72XX(CS_PIN, MAX_DEVICES);

#define t1 2; #define e1 3;
#define t2 4; #define e2 5;
#define maxDist 400

NewPing eyeL(t1, e1, maxDist);
NewPing eyeR(t2, e2, maxDist);

int currentState = -1;  // 0 前, 1 右, 2 左
float nextBlink = millis() + 1000;
float lightAmount = 0;

// 眼球位图数组 ... (同上)

void setup() {
  mx.begin();
  pinMode(t1, OUTPUT); pinMode(e1, INPUT);
  pinMode(t2, OUTPUT); pinMode(e2, INPUT);
  digitalWrite(t1, LOW); digitalWrite(t2, LOW);
  pinMode(LIGHT, INPUT);
  ShowEye_Forward(); currentState = 0;
}

void loop() {
  lightAmount = analogRead(LIGHT);
  lightAmount = (lightAmount / 255.0) * MAX_INTENSITY;
  mx.control(MD_MAX72XX::INTENSITY, lightAmount);

  distance1 = eyeL.ping_median(5);
  delay(500);
  distance2 = eyeR.ping_median(5);

  if (nextBlink < millis()) {
    nextBlink = millis() + random(2000, 10000);
    if (random(1,13) <= 6) ShowEye_Blink_Dbl(); else ShowEye_Blink();
    delay(250); return;
  }

  float diff = distance2 - distance1;
  if (abs(diff) < 250 || (distance1==0 && distance2==0)) {
    ShowEye_Forward(); currentState = 0;
  } else if (distance2 < distance1 && distance1 > 0) {
    ShowEye_Right(); currentState = 1;
  } else if (distance1 < distance2 && distance2 > 0) {
    ShowEye_Left(); currentState = 2;
  }
  delay(250);
}

// ShowEye_Forward/Right/Left/Blink/Blink_Dbl 函数实现 ...
// 均通过 mx.setColumn(row, pattern[row]) 双屏同步写入

进阶玩法

• 加电容触摸/按钮切换表情包 (心形、星星、动漫眼)
• 增加第三个超声波模块实现上下视觉
• 接入 MPU6050 做头部摇摆 (舵机驱动整个装置)
• 做成墙挂式“守护者”，配合 PIR 传感器有人靠近才激活
• 移植到 ESP32 增加 WiFi 控制、MQTT 上报互动数据

制作建议

• 面包板验证无误后再焊巧板，节省调试时间
• 超声波模块发射角约 15°，安装时略微向外张角 (约 30°) 扩大覆盖
• 矩阵模块级联排线要短，防止信号衰减
• LDR 分压电阻 330Ω 适合室内，强光环境可改 1kΩ
• 3D 打印外壳建议 PETG 耐热，内部留出散热槽