《ESP32 入門》ESP32 超音波測距教學：HC-SR04 模組實作

超音波測距是 Maker 入門最經典的感測器應用之一。HC-SR04 超音波模組價格親民、用起來也很簡單，搭配 ESP32 NodeMCU-32S 開發板，只需要幾條杜邦線就能搞定距離量測。這篇教學會從原理介紹、接線方式到程式碼實作，帶你完成超音波測距專案。

所需材料

NodeMCU-32S 相容版本 ESP32開發板 WiFi 藍牙 可用Arduino IDE

全腳位引出，還保持迷你的身型，插上麵包後還能插杜邦線，真的是太棒了！ 和NodeMCU V2幾乎一樣尺寸！ 有5V供電輸出，非常方便！ 有了ESP32開發板，真的可以忘記原來的那些Arduino板子了！ 可以用Arduino IDE開發，但效能更強大，還內建WiFi 傑森實測記錄，大家可以到 F 粉 絲 團 B 看貼文哦！ ESP32-D0WDQ6 內置兩個低功耗 Xtensa® 32-bit LX6 MCU。片上存儲包括： • 448 KB 的 ROM，用於程序啟動和內核功能

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HC-SR04 超音波感測器 避障 測距

技術參數： 1：使用電壓：DC5V 2：靜態電流：小於2mA 3：電平輸出：高5V 4：電平輸出：底0V 5：感應角度：不大於15度 6：探測距離：2cm-450cm 7:高精度：可達0.3cm 接線方式，VCC、trig（控制端）、 echo（接收端）、 GND 工作原理： (1)採用IO觸發測距，給至少10us的高電平信號; (2)模塊自動發送8個40khz的方波，自動檢測是否有信號返回； (3)有信號返回，通過IO輸出一高電平，高電平持續的時間就是超聲波從發射到返回的時間．測試距離=(高

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ESP32S擴展板 適用於Nodemcu-32s 38Pin全引出

※ 不含ESP32S開發板，需另購！ ESP32S專用擴展板 適用於Nodemcu-32s，其它型號都不相容哦！請留意。 38Pin全引出，無敵方便！

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HC-SR04 超音波模組介紹

模組外觀與腳位

HC-SR04 模組上面有兩顆圓筒狀的超音波發射器跟接收器，模組總共有 4 支腳位：

• VCC：電源正極（5V）
• Trig：觸發腳位（輸入），送出 10μs 高電位脈衝啟動量測
• Echo：回波腳位（輸出），回傳高電位脈衝，脈衝寬度對應距離
• GND：電源負極（接地）

什麼是超音波？

人耳能聽到的聲音頻率大約在 20Hz ~ 20kHz 之間。超音波（Ultrasonic） 就是頻率高於 20kHz、超出人耳能聽到範圍的聲波。HC-SR04 用的頻率是 40kHz，所以我們在操作的時候完全聽不到它發出的聲音。

超音波跟一般聲波一樣，都是靠空氣中的分子振動來傳遞的機械波。當超音波碰到固體障礙物的時候，會像光照到鏡子一樣產生反射，模組就是利用這個反射特性來判斷障礙物的距離。這個原理跟蝙蝠在黑暗中靠回聲定位飛行是一樣的道理，所以超音波測距也被叫做「聲納（Sonar）」技術。

HC-SR04 模組內部構造

HC-SR04 模組上面那兩顆銀色圓筒，一顆是超音波發射器（Transmitter, T），另一顆是超音波接收器（Receiver, R）。發射器裡面有一片壓電陶瓷片，通電之後會以 40kHz 的頻率高速振動，把電能轉換成超音波。接收器的原理剛好相反，當反射回來的超音波打到壓電陶瓷片時，振動會轉換成微弱的電訊號，再經過模組上面的比較電路放大處理之後，輸出到 Echo 腳位。

模組上除了收發器之外，還有一顆主控 IC，負責處理觸發時序、發射 8 組脈衝、計算回波時間這些工作，所以我們只要控制 Trig 跟讀取 Echo 就好了。

測距原理與時序

超音波測距的完整工作流程長這樣：

1. 觸發（Trigger）：微控制器對 Trig 腳位送出一個至少 10 微秒（μs） 的高電位脈衝
2. 發射（Transmit）：模組收到觸發訊號後，自動透過發射器連續打出 8 組 40kHz 的超音波脈衝（Burst）
3. 等待反射（Wait）：超音波以音速向前傳播，碰到障礙物之後反射回來
4. 接收（Receive）：反射波被接收器偵測到
5. 回報（Echo）：Echo 腳位輸出一個高電位脈衝，脈衝持續的時間就等於超音波從發射到接收的來回時間

整個時序可以用下面這張示意圖來理解：

Trig 腳位：
         ┌──┐
─────────┘  └──────────────────────────────
         |10μs|

模組發射：
              ┌┐┌┐┌┐┌┐┌┐┌┐┌┐┌┐
──────────────┘└┘└┘└┘└┘└┘└┘└┘└─────────────
              |  8 組 40kHz 脈衝  |

Echo 腳位：
                    ┌──────────────────┐
────────────────────┘                  └───
                    |← 高電位持續時間 →|
                    |  = 超音波往返時間  |

重點在這裡：Echo 高電位的持續時間，就是超音波從發射到收到回波的總時間。我們在程式裡面用 pulseIn(echoPin, HIGH) 這個函式來量測這段時間，單位是微秒（μs）。

距離計算公式

知道超音波的來回時間之後，搭配音速就能算出距離：

距離（cm）= Echo 高電位持續時間（μs）× 音速（cm/μs）/ 2

音速是怎麼算出來的？

聲音在空氣中跑的速度會隨溫度改變。精確的公式是：

音速（m/s）= 331.3 + 0.606 × 溫度（°C）

在不同溫度下，音速大約為：

一般教學裡面，我們取常溫（大概 20~25°C）的近似值 0.034 cm/μs 來算，在大部分室內環境已經夠準了。如果你的應用場景溫差很大（像是戶外或工廠環境），可以搭配 DHT11 / DHT22 溫度感測器讀取即時溫度，動態修正音速，進一步拉高量測精度。

代入計算

以常溫 0.034 cm/μs 為例：

距離（cm）= Echo 高電位持續時間（μs）× 0.034 / 2

• 除以 2 是因為超音波走了「去程 + 回程」兩趟路，Echo 量到的是來回總時間，實際到障礙物的距離只有一半

舉個例子：如果 Echo 回傳的高電位持續了 1000μs，那距離 = 1000 × 0.034 / 2 = 17 cm。

HC-SR04 規格與限制

要特別注意的是偵測角度：HC-SR04 的超音波並不是一條直線射出去的，而是以大約 15 度的錐形向前擴散。也就是說，如果障礙物不在正前方、但在錐形範圍內，一樣會被偵測到。反過來講，如果障礙物太小（像是一根細桿子）或表面角度太斜，超音波可能沒辦法有效反射回來，就會造成量測失敗或數值不準。

另外，軟的材質（像布料、海綿）會吸收超音波，反射訊號很微弱，也容易造成量測不穩定。

接線說明

重要提醒：電壓相容性

HC-SR04 模組的工作電壓是 5V，Echo 腳位輸出的高電位也是 5V。但 ESP32 的 GPIO 是 3.3V 邏輯電位。

好消息是：大部分 ESP32 的 GPIO 都有 5V 容忍能力，實際上直接接通常都能正常動。不過如果你想要更保險一點，可以在 Echo 腳位跟 ESP32 GPIO 之間加一個簡單的分壓電路（用兩顆電阻，像是 1kΩ + 2kΩ 就行了）。

接線表

接線圖

提示：Trig 跟 Echo 用的 GPIO 腳位可以自己換，只要在程式碼裡面跟著改就好。建議避開 GPIO 0、2、12、15 這幾支有開機功能的腳位。

Arduino IDE 環境設定

如果你還沒裝好 ESP32 的開發環境，先看一下之前的教學哦！

在Arduino IDE中新增ESP32的開發板-以Nodemcu-32s為例

雖然Arduino Uno方便好用，如果真的需要WiFi功能，傑森一律建議直接換塊ESP32的板子，這是最直接的方法。 但Arduino IDE安裝好時並沒有ESP32開發板的選項，所以必須自行安裝，不過其實很簡單的。

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程式碼：基本測距

範例一：基礎版超音波測距

// ESP32 NodeMCU-32S + HC-SR04 超音波測距
// 傑森創工 jmaker.com.tw

const int trigPin = 5;    // Trig 腳位
const int echoPin = 18;   // Echo 腳位

long duration;            // 超音波往返時間（μs）
float distance;           // 計算出的距離（cm）

void setup() {
  Serial.begin(115200);
  pinMode(trigPin, OUTPUT);
  pinMode(echoPin, INPUT);
  Serial.println("HC-SR04 超音波測距啟動！");
}

void loop() {
  // 確保 Trig 為低電位
  digitalWrite(trigPin, LOW);
  delayMicroseconds(2);
  
  // 送出 10μs 高電位脈衝
  digitalWrite(trigPin, HIGH);
  delayMicroseconds(10);
  digitalWrite(trigPin, LOW);
  
  // 讀取 Echo 腳位的高電位持續時間（μs）
  duration = pulseIn(echoPin, HIGH);
  
  // 計算距離（cm）
  distance = duration * 0.034 / 2.0;
  
  // 輸出結果
  Serial.print("距離：");
  Serial.print(distance);
  Serial.println(" cm");
  
  delay(500);  // 每 0.5 秒量測一次
}

上傳程式之後，打開序列埠監控視窗（鮑率設定 115200），你應該就能看到持續更新的距離數值了。

程式碼：進階版（含濾波與異常處理）

實際用起來的時候，超音波模組偶爾會吐出不太穩定的數值。下面這個進階版加入了中位數濾波跟超出範圍偵測，讓量測結果更穩、更可靠。

範例二：進階穩定版

// ESP32 NodeMCU-32S + HC-SR04 進階穩定版
// 傑森創工 jmaker.com.tw

const int trigPin = 5;
const int echoPin = 18;

const float MAX_DISTANCE = 400.0;  // SR04 最大量測距離（cm）
const float MIN_DISTANCE = 2.0;    // SR04 最小量測距離（cm）
const int NUM_SAMPLES = 5;         // 取樣次數（中位數濾波）

void setup() {
  Serial.begin(115200);
  pinMode(trigPin, OUTPUT);
  pinMode(echoPin, INPUT);
  Serial.println("HC-SR04 超音波測距（進階版）啟動！");
}

// 單次量測距離
float measureOnce() {
  digitalWrite(trigPin, LOW);
  delayMicroseconds(2);
  digitalWrite(trigPin, HIGH);
  delayMicroseconds(10);
  digitalWrite(trigPin, LOW);
  
  // 設定 timeout，避免程式卡住（最大距離約 23ms 往返）
  long duration = pulseIn(echoPin, HIGH, 30000);
  
  if (duration == 0) {
    return -1;  // 超時，回傳 -1 表示無效
  }
  
  float dist = duration * 0.034 / 2.0;
  
  if (dist < MIN_DISTANCE || dist > MAX_DISTANCE) {
    return -1;  // 超出有效範圍
  }
  
  return dist;
}

// 氣泡排序（用於中位數濾波）
void bubbleSort(float arr[], int n) {
  for (int i = 0; i < n - 1; i++) {
    for (int j = 0; j < n - i - 1; j++) {
      if (arr[j] > arr[j + 1]) {
        float temp = arr[j];
        arr[j] = arr[j + 1];
        arr[j + 1] = temp;
      }
    }
  }
}

// 中位數濾波量測
float measureFiltered() {
  float samples[NUM_SAMPLES];
  int validCount = 0;
  
  for (int i = 0; i < NUM_SAMPLES; i++) {
    float d = measureOnce();
    if (d > 0) {
      samples[validCount] = d;
      validCount++;
    }
    delay(30);  // 每次量測間隔 30ms
  }
  
  if (validCount == 0) {
    return -1;  // 全部無效
  }
  
  // 排序後取中位數
  bubbleSort(samples, validCount);
  return samples[validCount / 2];
}

void loop() {
  float distance = measureFiltered();
  
  if (distance < 0) {
    Serial.println("⚠ 量測失敗：物體超出範圍或無回波");
  } else {
    Serial.print("距離：");
    Serial.print(distance, 1);  // 保留一位小數
    Serial.println(" cm");
  }
  
  delay(500);
}

實用應用：距離警報器

搭配一顆 LED 或蜂鳴器，就能做出簡單的距離警報器，偵測到東西太近的時候自動發出警報。

《ESP32 入門》NodeMCU-32S搞定 有源蜂鳴器、無源蜂鳴器

用 ESP32 NodeMCU-32S 學習有源與無源蜂鳴器。有源蜂鳴器用 HIGH/LOW 控制開關，無源蜂鳴器透過 LEDC 產生不同頻率播放旋律，含完整接線、程式碼與常見問題。

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範例三：超音波距離警報器

// ESP32 + HC-SR04 距離警報器
// 傑森創工 jmaker.com.tw

const int trigPin = 5;
const int echoPin = 18;
const int ledPin = 2;       // 板載 LED（GPIO 2）
const int buzzerPin = 4;    // 蜂鳴器（選配）

const float ALERT_DISTANCE = 20.0;  // 警報距離（cm）

void setup() {
  Serial.begin(115200);
  pinMode(trigPin, OUTPUT);
  pinMode(echoPin, INPUT);
  pinMode(ledPin, OUTPUT);
  pinMode(buzzerPin, OUTPUT);
  Serial.println("距離警報器啟動！");
}

float getDistance() {
  digitalWrite(trigPin, LOW);
  delayMicroseconds(2);
  digitalWrite(trigPin, HIGH);
  delayMicroseconds(10);
  digitalWrite(trigPin, LOW);
  
  long duration = pulseIn(echoPin, HIGH, 30000);
  if (duration == 0) return -1;
  return duration * 0.034 / 2.0;
}

void loop() {
  float distance = getDistance();
  
  if (distance > 0 && distance < ALERT_DISTANCE) {
    // 物體太近 → 發出警報
    digitalWrite(ledPin, HIGH);
    tone(buzzerPin, 1000);  // 1kHz 蜂鳴聲
    
    Serial.print("⚠ 警報！距離：");
    Serial.print(distance, 1);
    Serial.println(" cm");
  } else {
    // 安全距離 → 關閉警報
    digitalWrite(ledPin, LOW);
    noTone(buzzerPin);
    
    if (distance > 0) {
      Serial.print("距離：");
      Serial.print(distance, 1);
      Serial.println(" cm");
    }
  }
  
  delay(100);
}

常見問題排除

Q1：序列埠顯示的距離一直都是 0

• 先看一下 Trig 跟 Echo 的線有沒有接反
• 確認 GPIO 腳位編號跟程式碼裡面寫的一樣

Q2：距離數值跳來跳去

• 確定超音波模組前面沒有太小或太斜的東西（超音波碰到光滑斜面容易亂反射）
• 改用進階版的中位數濾波程式碼
• 把量測間隔時間（delay）拉長一點

Q3：距離最大只能到幾十公分

• HC-SR04 的標稱最大距離為 400cm，但實際受物體材質與大小影響
• 確認 VCC 供電是否穩定（供電不足會縮短量測距離）

Q4：pulseIn 經常超時

• 檢查模組是否正常（可以用萬用表測量 Trig 送出脈衝時 Echo 是否有回應）
• 確認 GND 有正確共地
• 嘗試更換一顆 HC-SR04 模組

延伸應用想法

學會超音波測距之後，你可以繼續嘗試這些專案：

• 智慧垃圾桶：偵測到有人靠近就自動開蓋（搭配舵機 Servo）
• 倒車雷達：不同距離發出不同頻率的蜂鳴聲
• 液位偵測器：放在水塔上方朝下偵測水面高度
• 自走車避障：搭配馬達模組，遇到障礙物自動轉向
• IoT 遠端監控：透過 ESP32 的 WiFi 功能，將距離數據上傳到雲端儀表板

總結

本篇教學介紹了如何使用 ESP32 NodeMCU-32S 搭配 HC-SR04 超音波模組進行距離量測。從基本原理到接線、程式碼都做了完整說明，並提供了基礎版、進階濾波版、以及距離警報器三個範例。HC-SR04 是非常適合入門的感測器，搭配 ESP32 強大的 WiFi 與藍牙功能，可以延伸出各種有趣的 IoT 應用。

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