Arduino 超声波安防系统：HC-SR04 实时测距 + 多级声光报警

项目概览

基于 Arduino UNO 与 HC-SR04 超声波测距模块，构建分级安防演示系统：绿灯（>50 cm 安全） → 黄灯（20~50 cm 警戒） → 红灯+蜂鸣器（<20 cm 入侵）。适合初学者理解超声波测距原理、pulseIn() 计时、非阻塞 LED/蜂鸣器控制。

元件清单

接线图解

       HC-SR04                    Arduino UNO
    ┌─────────┐                 ┌───────────┐
    │ VCC ────┼─────────────────│ 5V        │
    │ Trig ───┼─────────────────│ D2        │
    │ Echo ───┼─────────────────│ D3        │
    │ GND ────┼─────────────────│ GND       │
    └─────────┘                 └───────────┘

LED 阳极 → D4(红) / D5(黄) / D6(绿) → 220Ω → GND
Buzzer + → D7 → (220Ω) → GND

核心代码（已修复原文变量名错误）

#define TRIG_PIN 2
#define ECHO_PIN 3
#define LED_GREEN 4
#define LED_YELLOW 5
#define LED_RED 6
#define BUZZER_PIN 7

void setup() {
  Serial.begin(9600);
  pinMode(TRIG_PIN, OUTPUT);
  pinMode(ECHO_PIN, INPUT);
  pinMode(LED_GREEN, OUTPUT);
  pinMode(LED_YELLOW, OUTPUT);
  pinMode(LED_RED, OUTPUT);
  pinMode(BUZZER_PIN, OUTPUT);
}

void loop() {
  // 1. 触发测距
  digitalWrite(TRIG_PIN, LOW);
  delayMicroseconds(2);
  digitalWrite(TRIG_PIN, HIGH);
  delayMicroseconds(10);
  digitalWrite(TRIG_PIN, LOW);

  // 2. 读取回波脉宽
  long duration = pulseIn(ECHO_PIN, HIGH, 30000); // 30 ms 超时 ≈ 5 m
  float distance_cm = duration * 0.0343 / 2;      // 声速 343 m/s

  // 3. 分级逻辑
  bool inRange = (distance_cm > 0 && distance_cm <= 400); // HC-SR04 有效量程
  
  digitalWrite(LED_GREEN,  inRange && distance_cm > 50);
  digitalWrite(LED_YELLOW, inRange && distance_cm <= 50 && distance_cm > 20);
  digitalWrite(LED_RED,    inRange && distance_cm <= 20);

  // 4. 蜂鸣器：入侵区间内发声，频率随距离升高
  if (inRange && distance_cm <= 20) {
    int freq = map(distance_cm, 1, 20, 2000, 500); // 1 cm→2kHz, 20 cm→500Hz
    tone(BUZZER_PIN, freq);
  } else {
    noTone(BUZZER_PIN);
  }

  // 5. 串口调试
  if (inRange) {
    Serial.print(distance_cm); Serial.println(F(" cm"));
  } else {
    Serial.println(F("Out of range"));
  }
  delay(100); // 10 Hz 刷新率
}

关键知识点解析

1. 超声波测距公式：distance = duration * 0.0343 / 2（单位 cm），0.0343 = 声速 343 m/s 转 cm/µs。
2. pulseIn() 超时参数：第三个参数防止死锁，30000 µs 对应 5.14 m，超出量程直接返回 0。
3. 分级阈值滞回：实际部署建议在 20/50 cm 增加 ±2 cm 滞回，避免临界点灯光闪烁。
4. 蜂鸣器保护：无源蜂鸣器直驱电流大，**必须串联 220 Ω** 或用三极管驱动，否则烧毁 GPIO。
5. 供电稳定性：HC-SR04 工作电流峰值 ~15 mA，UNO 5V 引脚可直接供电；若接多模块请外接 5V 稳压。

常见故障排查

进阶扩展

• 加入 OLED 显示实时距离波形图。
• 接入 ESP8266/ESP32 推送微信/钉钉报警。
• 改用 VL53L0X ToF 激光测距，精度 ±3 mm、抗干扰强。
• 增加舵机云台实现 180° 扫描雷达，配合 Processing 绘制极坐标地图。

安全提示：蜂鸣器音量可达 85 dB，近距离测试请佩戴耳塞；HC-SR04 盲区 < 2 cm，勿用于精密避障。