超音波距離センサーHC-SR04をRaspberry Pi Picoで使う｜仕組み・配線・精度検証

HC-SR04 × Raspberry Pi Pico

はじめに

こんにちは。ニンジンです🥕

「超音波距離センサー」を1つ買ってみました。Winova というメーカーの、検出範囲 2cm〜500cm・5V駆動のモジュールです。形は定番の「HC-SR04」とまったく同じで、目玉のような送受信部が2つ並んだ、あのセンサーです。

超音波距離センサーは、対象に触れずに距離を測れる部品です。身近なところだと、車のバックソナー(障害物に近づくとピピピと鳴るあれ)、自動ドアやトイレの人感、タンクの液面レベル計などに使われています。工作でも「壁までの距離を測って止まるロボット」「箱に手を近づけると光る」といった仕掛けが手軽に作れます。1個あたり数百円と安いのも魅力です。

この記事では、この HC-SR04(互換品)を Raspberry Pi Pico + MicroPython で動かします。ネットで「HC-SR04 使い方」を調べると Arduino の作例ばかりが出てきますが、Pico(MicroPython)での実装解説は意外と少なく、しかも Pico で使うときは Arduino にはなかった「配線の落とし穴」があります。そこを実機で確かめながら、次のことを一通りやります。

• 超音波で距離が測れる仕組み・原理
• Pico で安全に使うための配線(Echo の分圧が必須)
• 値がばらつくときのフィルタと気温補正
• メジャーと突き合わせた精度検証(どこまで信じていい数字か)
• OLED表示、障害物アラートへの応用

途中、2個セットの片方が初期不良だった話や、起動時にブザーが勝手に鳴った話など、実際にハマった箇所も挟んでいきます。

まずは完成形です。距離を OLED に数値と横バーで表示するプログラム(main.py)を動かしたところです。

なお、Raspberry Pi Pico への MicroPython の書き込みや Thonny のセットアップ、OLED(SSD1306)のライブラリ導入は過去記事で解説しているので、未経験の方はそちらを先にご覧ください。この記事では再掲しません。

超音波距離センサー(HC-SR04)とは｜非接触で距離を測れる仕組みと原理

まず「なぜ音で距離が測れるのか」からです。原理はコウモリやイルカ、船のソナーとまったく同じで、音を出して、跳ね返って戻ってくるまでの時間を測るだけです。

音を出して跳ね返りが戻る時間を測る(ソナーの原理)

音は空気中を1秒間におよそ 343m 進みます(20℃のとき)。センサーから対象に向けて音を「ポン」と出し、跳ね返って戻ってくるまでに 0.001 秒(1ミリ秒)かかったとすると、音は往復で 0.343m 進んだことになります。知りたいのは片道の距離なので、これを半分にして約 17cm、と分かります。

式にするとこうです。

距離 [m] = 音速 [m/s] × Echo が HIGH だった時間 [s] ÷ 2

人間の耳では聞こえない 40kHz(キロヘルツ)の高い音=超音波を使うのは、指向性(まっすぐ飛ぶ性質)を持たせやすく、周囲の生活音と混ざらないからです。

Trig(送信の合図)と Echo(反射の受信)の2本の信号線

HC-SR04 には信号線が2本あります。役割は完全に分かれています。

つまりプログラムがやることは「Trig を一瞬 HIGH にする」→「Echo が HIGH だった時間をストップウォッチで測る」の2つだけです。MicroPython には Echo のようなパルスの幅を測る専用関数 time_pulse_us() があるので、実装はとても短くなります(後述)。

距離の計算式と音速の温度補正(v = 331.5 + 0.6 × 気温)

音速は温度で変わります。気温が高いほど空気の分子が活発に動くので、音は速く伝わります。実用上は次の1次式で十分です。

音速 v [m/s] = 331.5 + 0.6 × 気温 [℃]

  0℃  → 331.5 m/s
 15℃  → 340.5 m/s
 25℃  → 346.5 m/s

0℃と25℃では音速が約 4.5% 違います。距離 3m を測るなら 13cm の差です。「20℃固定」で計算しているコードが多いですが、後半の精度検証で見るように、実際の室温を入れるだけで誤差がはっきり減ります。

検出範囲 2〜500cm・指向角 約15°という仕様の意味

今回の Winova のスペックは「2cm〜500cm」「指向角 15°」となっています。ここは額面通りには受け取らないほうがいいです。

• 下限 2cm: 近すぎると、送信した音がまだ鳴り終わらないうちに反射が戻ってきてしまい、受信回路が切り替わりません。実測でも 3cm は誤差が大きく出ました。
• 上限 500cm: 理想的な条件(大きく平らで固い壁に真正面)での値です。実用は 2〜3m と考えたほうが無難でした。
• 指向角 15°: センサーの正面 ±15° くらいの範囲の反射しか拾いません。裏を返すと、対象の面がその角度以上に傾いていると、音は明後日の方向へ反射して戻ってきません。

HC-SR04 は電源(VCC)5V、GND、Trig、Echo の4ピン構成です。この形と仕様が事実上の業界標準になっていて、各社から互換品が出ています。

今回使うセンサー(Winova 2cm-500cm)と HC-SR04 の互換性

ピン配列も使い方も HC-SR04 と同じ

購入した Winova のモジュールは、基板のシルク印字・ピンの並び(VCC / Trig / Echo / GND)・動作(Trig 10µs → Echo パルス)すべてオリジナルの HC-SR04 と同じでした。ネット上の HC-SR04 の情報や作例は、配線もコードもそのまま流用できます。

HC-SR04 / HC-SR04+ / 互換品の違い

売られているものには何種類かあります。

今回の Winova は無印相当(5V専用)なので、後述の通り Echo を分圧して使いました。「Pico や ESP32 で分圧なしに使いたい」なら、購入時に「+」や「3.3V対応」と明記されたものを選ぶと配線が1つ楽になります。

2個セットの片方が初期不良だった話 — 予備があると安心

今回のセンサーは2個セットでした。「1個は実験用、1個は完成品用に」くらいの気持ちだったのですが、結果的にこのセット構成に助けられました。

最初に配線した個体が、給電も配線もトリガも問題ないのに、反射音をただの一度も受信できませんでした。Echo は毎回「反射なし」を示す約 58ミリ秒(≒1000cm相当)を返すだけ。テスターで VCC に 5V が来ていることも、Trig のパルスが出ていることも確認しました。切り分けの結果、送信側のトランスデューサ(音を出す円筒)の不良と判断し、もう片方に差し替えたところ一発で動きました。

安い互換品にはこうした個体差・初期不良がそれなりの確率であります。2個セット以上を買っておくと、いざというとき原因の切り分け(センサーを替えて再現するか)ができて安心です。 次のセクションで、実際にやった切り分け手順も紹介します。

この記事で使う部品(Raspberry Pi Pico・HC-SR04・OLED ほか)

今回の工作で使った部品です。センサー本体以外は、これまでの Pico 記事で使ってきたものと同じで、電子工作の定番パーツです。

必須

HC-SR04 互換。2個入りなので、初期不良を引いても切り分け・交換ができる

winova 超音波距離センサーモジュール(2cm-500cm・5V対応・2個セット)

この記事で距離測定に使うセンサー。オリジナルの HC-SR04 とピン配列・使い方が同じで、5V 駆動。2個セットは「実験用+本番用」だけでなく、動かないときの原因切り分けにも効きます。

HC-SR04互換2個セット5V駆動

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必須

ピンヘッダー実装済みで、届いたその日からブレッドボードに挿せる

ヘッダー ハンダ付け済み Raspberry Pi Pico 2WH

今回のマイコン。無線付き(W)・ピンヘッダー実装済み(H)モデル。MicroPython が動けば初代 Pico / Pico W でも同じ配線・同じコードで動きます。

無線+ヘッダー実装済みMicroPython

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OLED表示で使用

I2C の2本+電源だけで、距離をその場に数字で出せる

0.96インチ OLED ディスプレイ(SSD1306・I2C)

「距離を OLED に表示する」章で使用。micropython-ssd1306 ライブラリで制御する定番モジュールで、temp-alert001・servo-moter002 でも使ったものと同じです。

I2C接続SSD1306

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必須

はんだ付けなしで回路を組み替えられる基本の作業台

ブレッドボード 400穴

分圧抵抗・センサー・OLED をまとめて挿すのに使用。400穴サイズで今回の回路は十分収まります。

はんだ付け不要

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必須

オス-オス/オス-メス/メス-メスが一通り入って使い回しが利く

ELEGOO 120pcs 多色デュポンワイヤー

Pico とブレッドボード、センサー、OLED をつなぐジャンパー線。色数が多いと配線の追いかけが楽になります。

3種コネクタ入り

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応用

全ピンがネジ端子+GPIO番号のシルク印字で、配線ミスがぐっと減る

Freenove Pico 1/2 W・H・WH 用 ブレイクアウトボード

Pico を載せると、全 GPIO が番号入りのネジ/ソケット端子で出てくる拡張ボード。今回のように分圧抵抗・OLED・ブザーと配線数が増えるときに重宝します(この記事の写真もこれを使用)。

配線ミス防止ネジ端子

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必須

Echo の分圧に使う 1.0kΩ・2.2kΩ も、その他の値もこれ1箱でまかなえる

GOODCHI 金属皮膜抵抗器 抵抗セット(10Ω〜1MΩ・30種×20本・600個)

次章の Echo 分圧に 1.0kΩ と 2.2kΩ を1本ずつ使います。手持ちの抵抗が無ければ、こういう詰め合わせが1つあると電子工作全般で困りません。1.8kΩ+3.3kΩ など近い比でも代用できます。

30種類1% 金属皮膜ケース付き

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応用

電圧をかけるだけで鳴る「連続音」タイプ。PWM 不要でコードが簡単

LIKENNY 電子ブザー(連続音・DC3-24V・圧電・2個入)

「障害物アラート」の章を作る場合に使用。電圧 HIGH で鳴る連続音(アクティブ)タイプなら Pin.high() だけで鳴らせます。DC3〜24V 品ですが Pico の 3.3V でも鳴ります(音量は控えめ)。

連続音(アクティブ)PWM不要2個入

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※リンクはアフィリエイトを含みます。価格・在庫・同梱内容は変わることがあるので、購入前に各商品ページをご確認ください。

Arduino ではなく Raspberry Pi Pico + MicroPython で動かす(配線の注意点)

ここがこの記事のいちばん大事なところです。

Arduino の作例は多いが、配線の考え方は同じ

HC-SR04 の作例は Arduino UNO のものが大量にあります。UNO は 5V マイコンなので、Echo の 5V 信号をそのまま digital ピンに入れて pulseIn() で測る、というのが定番です。

Raspberry Pi Pico は 3.3V マイコンです(今回の実機は Pico 2 W ですが、初代 Pico / Pico W でも配線・コードは同じです)。中身のチップ(初代=RP2040、Pico 2=RP2350)の GPIO は 5V 入力に対応しておらず、絶対最大定格は 3.6V 前後です。ここに HC-SR04 の Echo(5V)を直結すると、チップにダメージを与える可能性があります。

Trig と Echo で扱いが違うので、分けて考えます。

【重要】Echo の 5V を Pico の GPIO に直結しない — 抵抗2本で分圧する

Echo はセンサーから出てくる信号で、HIGH のとき電源電圧(5V)近くまで上がります。これを Pico が安全に読める電圧まで下げます。いちばん簡単なのが抵抗2本の分圧です。

今回は手元にあった 1.0kΩ と 2.2kΩ を使いました。

HC-SR04 Echo ──[ 1.0kΩ ]──┬── GP2(Pico)
                          │
                       [ 2.2kΩ ]
                          │
                         GND

分圧ノードの電圧 ≒ 5V × 2.2 /(1.0 + 2.2)≒ 3.4V

3.4V は RP2040 / RP2350 の絶対最大定格 3.6V の範囲内で、かつ Pico が HIGH と判定するには十分な電圧です。実測でも問題なく測定できました。

• もっと 3.3V ぴったりに寄せたいなら 1.8kΩ + 3.3kΩ などでも構いません(ノード ≒ 3.24V)。
• 抵抗を触りたくなければ、市販の「ロジックレベル変換モジュール」を Echo の間に挟む方法もあります。

Trig は 3.3V 直結で OK・VCC は VBUS(5V)から取る

• Trig: Pico から出す信号です。Pico の 3.3V を HC-SR04 に入れることになりますが、HC-SR04 側は 3.3V でも「HIGH」と認識してくれたので、今回は直結で動きました(動かない個体に当たったら、Trig にもレベル変換かトランジスタ1石が必要です)。
• VCC: センサーの動作電源は 5V が必要です。Pico の「3V3(OUT)」から取ると、送信する超音波が弱く、近くの物しか測れない・まったく測れないといった症状が出ます。Pico を USB 給電しているなら、USB の 5V がそのまま出ている VBUS(物理40番) から取ります。

配線一覧

配線図と MicroPython の最小コード(使い方の基本)

配線ができたら、まず「1回測って距離を print する」だけの最小コードで動作確認します。

MicroPython の書き込みや Thonny の使い方が初めての方は、先にこちらをご覧ください。

この記事で使うコード（test001〜test004・main.py・切り分け用スクリプト）は、まとめてダウンロードできます。

📦 この記事のコード一式をダウンロード（ZIP・test001〜test004 / main.py ほか）

time_pulse_us() で Echo のパルス幅を測る

machine.time_pulse_us(pin, level, timeout_us) は、「指定ピンが level(今回は 1=HIGH)である時間をマイクロ秒で返す」関数です。HC-SR04 の Echo を測るためにあるような関数で、これを使うと測定部分が数行で書けます。

パルス幅から距離(cm)へ変換する

test001 の全文です。

"""
ultrasonic-distance-sensor001 test001: HC-SR04 で距離を1回測る最小コード
"""
from machine import Pin, time_pulse_us
import time

trig = Pin(3, Pin.OUT)
echo = Pin(2, Pin.IN)

# 20℃ のときの音速 [m/s]。気温で変わる(test002 で補正する)
SOUND_SPEED = 343.2
# この距離を超えたら「測れなかった」とみなす(センサーの実用上限)
MAX_RANGE_CM = 500


def measure_cm(timeout_us=60000):
    """1回だけ測って距離[cm]を返す。範囲外 / 反射なしなら None"""
    # Trig を最低 2us LOW にしてからパルスを出す
    trig.low()
    time.sleep_us(2)
    trig.high()
    time.sleep_us(10)
    trig.low()

    # Echo が HIGH になっている時間(us)を測る
    dur = time_pulse_us(echo, 1, timeout_us)
    if dur < 0:
        return None

    # dur[us] -> [s] にして音速[m/s]を掛け、cm に直して往復ぶんを半分にする
    distance_cm = (dur / 1_000_000) * SOUND_SPEED * 100 / 2
    if distance_cm > MAX_RANGE_CM:
        return None
    return distance_cm


while True:
    d = measure_cm()
    if d is None:
        print("測定できませんでした(範囲外 / 反射なし)")
    else:
        print("距離: {:.1f} cm".format(d))
    time.sleep(0.5)

対応ファイル: ultrasonic-distance-sensor001-test001.py

反射が返らないときの落とし穴 — 「約58ms」というダミー値

HC-SR04 でいちばんハマりやすいのがここです。

time_pulse_us() は、指定した timeout_us の間ずっと Echo が HIGH にならなければ、負の値(-2 など)を返します。それなら if dur < 0 で弾けそうに見えます。

ところが このモジュールは、反射音を受け取れなかったとき Echo を約 58ミリ秒(距離に直すと約1000cm)HIGH にしてから LOW に戻します。 これは正の値なので dur < 0 はすり抜けます。何も対策しないと「1000cm」というありえない距離がしれっと混ざります。

対策は、MAX_RANGE_CM(実用上限=500cm)を超えた値を None にすることです。上のコードの if distance_cm > MAX_RANGE_CM: return None がそれです。ここを入れておかないと、次の章のフィルタも意味をなしません。

測れないときの切り分け手順

「配線したのに測れない」ときは、time_pulse_us を使わず自分で Echo を監視するデバッグ用スクリプトで、どこで詰まっているか切り分けます。今回、前述の初期不良を特定したときにやった順番です。

1. Echo のアイドル電位: 測定していないとき Echo は LOW のはず。echo.value() を1000回読んで全部 0 か確認する。0 でない回が多ければ、Echo の配線か分圧抵抗の向きを疑う
2. 自前でパルス幅を測る: Trig を出した後、echo.value() が 1 になるのを待ち、0 に戻るまでの時間を time.ticks_us() で測る。ここで一度も HIGH にならなければ、Trig が弱い(3.3V)か分圧しすぎ
3. time_pulse_us の生の戻り値: -2 ばかり=一度も HIGH にならない、-1=HIGH のまま戻らない、正の値=そのパルス幅
4. テスターで VCC を実測: センサーの VCC に本当に 5V 来ているか。VBUS の電圧も見る

今回の初期不良品は「1・2・3 すべて正常なのに、パルス幅が毎回 約58800µs(反射なしのタイムアウト値)で一定」でした。センサーの正面で手や本を前後に動かしても数値がまったく変わらない=送信または受信ができていない、という結論です。別個体に替えて解決しました。

測定値がばらつく・ちらつく問題への対策

test001 をしばらく動かすと、対象を固定していても値がチラチラ変わり、ときどき大きく外れた数字が出ることに気づきます。実用に使うにはひと手間必要です。

数十回に数回混ざる「飛び値」を中央値で無視する

面にきちんと正対させていても、数十回に数回は「反射なし(≒1000cm、コード上は None)」や、実際より大きく外れた値が混ざります。超音波が一度あらぬ方向に反射して、遠回りして戻ってきたケースなどです。

ここで平均を取ると、1回の大外れに全体が引きずられます。中央値(ソートして真ん中の値) なら、飛び値はきれいに無視できます。5回測って3番目の値を採用する、という単純な処理です。

測定と測定の間隔を 60ms 以上あける理由

立て続けに測ると、前回出した超音波の反射(残響)がまだ空気中や周囲に残っていて、それを拾って誤測定します。HC-SR04 のデータシートでも測定周期は 60ms 以上が推奨されています。連続測定するときは各測定の間に time.sleep_ms(60) を入れます。

気温を使った音速補正で誤差を減らす

test001 では音速を 343.2 m/s(20℃相当)で固定していました。ここを実際の室温で計算し直します。

今回の環境は室温 25.6℃でした。v = 331.5 + 0.6 × 25.6 ≒ 346.9 m/s です。この補正を入れたら、後述の 50cm 測定で 誤差がほぼゼロになりました。気温センサー(DHT11 など)を積んでいれば自動で、なければ手元の温度計の値を定数で渡します。

test002 の全文です。

"""
ultrasonic-distance-sensor001 test002: 測定値のばらつき対策 + 気温補正
"""
from machine import Pin, time_pulse_us
import time

trig = Pin(3, Pin.OUT)
echo = Pin(2, Pin.IN)

MEASURE_GAP_MS = 60      # 測定と測定の最小間隔
DEFAULT_TEMP_C = 25.6    # 気温センサーが無いときの仮の室温
MAX_RANGE_CM = 500       # これを超えたら「測れなかった」とみなす


def sound_speed(temp_c):
    """気温[℃]から音速[m/s]を返す"""
    return 331.5 + 0.6 * temp_c


def measure_once(temp_c, timeout_us=60000):
    """1回測って距離[cm]。範囲外 / 反射なしなら None"""
    trig.low()
    time.sleep_us(2)
    trig.high()
    time.sleep_us(10)
    trig.low()

    dur = time_pulse_us(echo, 1, timeout_us)
    if dur < 0:
        return None
    dist = (dur / 1_000_000) * sound_speed(temp_c) * 100 / 2
    if dist > MAX_RANGE_CM:
        return None
    return dist


def measure_cm(samples=5, temp_c=DEFAULT_TEMP_C):
    """samples 回測って中央値[cm]を返す。全部失敗したら None"""
    values = []
    for _ in range(samples):
        d = measure_once(temp_c)
        if d is not None:
            values.append(d)
        time.sleep_ms(MEASURE_GAP_MS)

    if not values:
        return None
    values.sort()
    return values[len(values) // 2]


while True:
    d = measure_cm(samples=5, temp_c=DEFAULT_TEMP_C)
    if d is None:
        print("測定できませんでした")
    else:
        print("距離(中央値): {:.1f} cm".format(d))
    time.sleep(0.3)

対応ファイル: ultrasonic-distance-sensor001-test002.py

▲ test002.py 実行中のシェル。値の暴れが収まる

左が test002 実行中のシェルです。中央値フィルタが効いて、test001 で見られた値の暴れ(たまに混ざる 1000cm など)が収まります。

右の写真は 50cm の位置に対象を置いた測定の様子です。

実際に測って精度を検証してみた

カタログの「2〜500cm」を鵜呑みにせず、メジャーで実距離を測って対象を置き、センサーの値と突き合わせました。「この数字はどこまで信じていいのか」を知っておくと、応用のときに判断できます。

精度検証用のロガー(test003)

指定回数ぶん連続測定して、平均・中央値・最小・最大・ばらつき(標準偏差)・実距離との誤差を出すだけのスクリプトです。TRUE_DISTANCE_CM にメジャーの値、ROOM_TEMP_C に室温を入れて実行し、対象を 10 / 20 / 50 / 100 / 200 / 300cm と動かして毎回実行しました。

# test003 の集計部分(全文は配布ファイル参照)
def stats(values):
    n = len(values)
    mean = sum(values) / n
    var = sum((x - mean) ** 2 for x in values) / n
    s = sorted(values)
    return mean, s[n // 2], s[0], s[-1], var ** 0.5   # 平均, 中央値, 最小, 最大, 標準偏差

対応ファイル: ultrasonic-distance-sensor001-test003.py

メジャー実測 vs センサー値(10cm〜300cm)

室温 25.6〜26.3℃、平らで固い面(本・板)に正対、各条件 30 回連続測定した結果です。

誤差が大きくなる条件(斜めの面・柔らかい面・至近距離)

すべて実距離 50cm で、条件だけ変えた結果です。

▲ 50cm の位置に対象を 45° 傾けて置くと、平均で +10cm 近くずれる

左は 50cm の位置に対象を 45° 傾けて置いたときの様子です。平均で +10cm 近くずれました。指向角から外れた面は、音がまっすぐ返ってこないためです。

下は同じ 50cm の位置にタオルを置いたとき。値が倍近くになり、3割は「反射なし」でした。布はほぼ測れないと考えたほうがよいです。

カタログの 500cm は実用でどこまで届くか

• 300cm は、対象の面をセンサーときっちり平行にしないと検出できませんでした。何度も位置を調整してようやく安定します。指向性がシビアです。
• 人が横切ったのを拾えるのは体感 250cm くらいまで。
• 500cm は今回の環境(6畳間)では条件を作れず未検証。カタログ値は理想条件の数字なので、実用は 2〜3m と見ておくのが安全です。

この個体で分かったこと(記事の結論)

距離を OLED(SSD1306)にリアルタイム表示する

PC につながず単体で距離が見えるように、0.96インチ OLED(SSD1306、I2C接続)に数値と横バーグラフを出します。

OLED の配線(SDA / SCL / VDD / GND)と micropython-ssd1306 ライブラリの導入は過去記事で解説しているので、そちらを参照してください。

追加の配線はこれだけです。

i2c.scan() で 0x3C を確認する

まず配線が正しいか、I2C バス上に OLED が見えているかを確認します。

from machine import Pin, I2C

i2c = I2C(0, scl=Pin(1), sda=Pin(0), freq=400000)
print("I2Cデバイス検出:", i2c.scan())   # [60] (0x3C) が出れば正常

I2Cデバイス検出: [60] と出れば OK です(60 は 0x3C、SSD1306 の標準アドレス)。[] なら SDA/SCL の挿し間違い、ジャンパの半挿し、VDD/GND の未接続を疑います。

標準フォントを拡大して大きく表示する

ssd1306 ライブラリの oled.text() は 8×8 ピクセル固定で、距離の数字を出しても離れると読めません。小さな FrameBuffer に一度描いてから、点いているピクセルを scale×scale の四角として拡大コピーする text_scaled() を使います。この仕組みは前回の記事で詳しく書いたので、ここでは関数だけ載せます。

import framebuf

def text_scaled(fb, s, x, y, scale, color=1):
    """標準8x8フォントの文字列を scale 倍に拡大して描画する"""
    w = len(s) * 8
    tmp = framebuf.FrameBuffer(bytearray(8 * ((w + 7) // 8)), w, 8, framebuf.MONO_HLSB)
    tmp.fill(0)
    tmp.text(s, 0, 0, 1)
    for ty in range(8):
        for tx in range(w):
            if tmp.pixel(tx, ty):
                fb.fill_rect(x + tx * scale, y + ty * scale, scale, scale, color)

ちらつき対策 — 変化したときだけ描き直す

oled.show() は 128×64=1024バイトのバッファを I2C で丸ごと送るため、1回 20ms 以上かかります。毎ループ呼ぶと画面がちらつき、測定周期も伸びます。前回表示した距離と 0.5cm 以上変わったときだけ draw() を呼ぶようにして、静止時は再描画しないようにしました。

main.py 全文

test002(中央値フィルタ + 気温補正)に OLED 表示を統合した本番プログラムです。Pico 本体に main.py として保存すれば、PC も Thonny もつながず、モバイルバッテリー給電などで単体動作します。

"""
ultrasonic-distance-sensor001 main.py: HC-SR04 の距離を OLED(SSD1306)に
数値＋横バーグラフでリアルタイム表示する

配線 (結線図と同じ):
- HC-SR04 VCC  -> VBUS(5V) / 物理40番
- HC-SR04 Trig -> GP3 / 物理5番
- HC-SR04 Echo -> 1.0kΩ -> 分圧ノード -> GP2 / 物理4番
                  分圧ノード -> 2.2kΩ -> GND
- HC-SR04 GND  -> GND / 物理38番
- OLED SDA -> GP0 / SCL -> GP1 / VCC -> 3V3(OUT) / GND -> GND

事前準備: Thonny の「パッケージを管理...」で micropython-ssd1306 を入れておく
"""
from machine import Pin, I2C, time_pulse_us
import framebuf
import ssd1306
import time

# ===== HC-SR04 =====
trig = Pin(3, Pin.OUT)
echo = Pin(2, Pin.IN)

MEASURE_GAP_MS = 60
DEFAULT_TEMP_C = 26.7     # 気温センサーが無いときの仮の室温
BAR_MAX_CM = 300          # 横バーが振り切れる距離
MAX_RANGE_CM = 500        # これを超えたら「測れなかった」とみなす
OFFSET_CM = 0.0           # 実測すると全体に +1cm ほど出る個体があった。
                          # メジャーと比べて詰めたいときはここに補正値(例 -1.0)を入れる
REDRAW_THRESHOLD_CM = 0.5  # この差より小さい変化では描き直さない(ちらつき対策)


def sound_speed(temp_c):
    return 331.5 + 0.6 * temp_c


def measure_once(temp_c, timeout_us=60000):
    trig.low()
    time.sleep_us(2)
    trig.high()
    time.sleep_us(10)
    trig.low()
    dur = time_pulse_us(echo, 1, timeout_us)
    if dur < 0:
        return None
    dist = (dur / 1_000_000) * sound_speed(temp_c) * 100 / 2 + OFFSET_CM
    if dist > MAX_RANGE_CM:
        return None
    return dist


def measure_cm(samples=5, temp_c=DEFAULT_TEMP_C):
    values = []
    for _ in range(samples):
        d = measure_once(temp_c)
        if d is not None:
            values.append(d)
        time.sleep_ms(MEASURE_GAP_MS)
    if not values:
        return None
    values.sort()
    return values[len(values) // 2]


# ===== OLED =====
i2c = I2C(0, scl=Pin(1), sda=Pin(0), freq=400000)
print("I2Cデバイス検出:", i2c.scan())   # [60] (0x3C) が出れば正常
oled = ssd1306.SSD1306_I2C(128, 64, i2c)


def text_scaled(fb, s, x, y, scale, color=1):
    """標準8x8フォントの文字列を scale 倍に拡大して描画する"""
    w = len(s) * 8
    tmp = framebuf.FrameBuffer(bytearray(8 * ((w + 7) // 8)), w, 8, framebuf.MONO_HLSB)
    tmp.fill(0)
    tmp.text(s, 0, 0, 1)
    for ty in range(8):
        for tx in range(w):
            if tmp.pixel(tx, ty):
                fb.fill_rect(x + tx * scale, y + ty * scale, scale, scale, color)


def draw(distance_cm):
    oled.fill(0)
    if distance_cm is None:
        text_scaled(oled, "-- cm", 8, 10, 2)
        oled.text("out of range", 16, 44, 1)
        oled.show()
        return

    # 上段: 距離の数値(2倍角)
    text_scaled(oled, "{:>3d} cm".format(int(round(distance_cm))), 4, 6, 2)
    # 下段: 0-BAR_MAX_CM の横バーグラフ
    bx, by, bw, bh = 6, 42, 116, 16
    oled.rect(bx, by, bw, bh, 1)
    ratio = min(1.0, distance_cm / BAR_MAX_CM)
    fill_w = int(ratio * (bw - 4))
    oled.fill_rect(bx + 2, by + 2, fill_w, bh - 4, 1)
    oled.show()


# ===== メイン =====
last_shown = None
draw(None)
print("準備完了")

while True:
    d = measure_cm(samples=5, temp_c=DEFAULT_TEMP_C)

    if d is None:
        if last_shown is not None:
            draw(None)
            last_shown = None
        print("距離: 範囲外")
    else:
        if last_shown is None or abs(d - last_shown) >= REDRAW_THRESHOLD_CM:
            draw(d)
            last_shown = d
        print("距離: {:.1f} cm".format(d))

    time.sleep_ms(120)

対応ファイル: main.py

動いている様子は冒頭の完成動画のとおりです。対象を近づける/遠ざけると、OLED の数字とバーがリアルタイムに追従します。

応用アイデア(駐車アシスト・障害物検知・液面レベル計)

距離が測れて表示できると、あとは「ある距離より近づいたら何かする」だけでいろいろ作れます。

• 駐車アシスト / バックソナー: 壁との距離に応じてブザーの間隔を変える。近いほど速く鳴らす
• 障害物検知ロボット: 前方の距離が一定以下になったら停止・方向転換
• 液面レベル計: タンクの上からセンサーを下向きに付け、水面までの距離で残量を推定(水面は平らなので相性が良い)
• 自動点灯 / 人感: 一定距離内に人が入ったら LED や照明を点ける

ここでは1つめの「バックソナー風の障害物アラート」を作りました(test004)。距離に応じて LED・ブザー・OLED の警告レベルを切り替えます。

使ったブザーは「アクティブ・アクティブハイ」だった

手元のブザー(基板に「PCB120」の表記)が、電圧をかけるだけで鳴る「アクティブブザー」なのか、PWM で周波数を与えないと鳴らない「パッシブブザー」なのか分からなかったので、1状態ずつ確認しました。

# buzzer-check.py の要点
buz = Pin(15, Pin.OUT)
buz.low()          # step0: 静かなはず
buz.high()         # step1: 鳴れば「アクティブ・アクティブハイ」
time.sleep(3)
buz.low()          # step2: 止まるはず
# step3: PWM 2kHz -> アクティブなら不要、パッシブならここで初めて鳴る

• DC HIGH で鳴りっぱなし → アクティブブザー(自励式)。今回のはこれ
• 一瞬「プッ」と鳴るだけ → パッシブブザー(PWM が必要)
• 見た目の目安: 裏が黒く密閉されている=アクティブ、緑の基板が見える=パッシブ。極性線(赤黒)があるものはアクティブが多い

今回の品は GP15 を HIGH にすると鳴る(アクティブハイ) で、PWM は不要でした。PWM 2kHz でも鳴りましたが、内蔵発振の共振周波数から外れるため音は弱く低くなります。

起動時に勝手に「ピー」と鳴る問題

電源を入れてからプログラムが動き出すまでの一瞬、GP15 の状態が不定になり、アクティブブザーが「ピー」と鳴ることがあります。対策はスクリプトの冒頭で必ず出力を LOW にすることです。

buzzer = Pin(15, Pin.OUT)
buzzer.low()   # 起動直後のノイズ鳴りを止める。他の初期化より先に

ハードで確実に消したい場合は、GP15 と GND の間に 10kΩ 程度の抵抗(プルダウン)を入れておくと、マイコンが制御する前は必ず LOW に落ちます。

test004 のレベル判定と OLED 反転表示の要点です。

def level_of(distance_cm):
    if distance_cm is None or distance_cm >= 50:
        return "SAFE"
    if distance_cm >= 30:
        return "CAUTION"
    if distance_cm >= 20:
        return "WARNING"
    return "DANGER"

# WARNING / DANGER は OLED を白背景に反転させて目立たせる
LEVELS = {
    "SAFE":    (None, False),   # (ブザー周期ms / None=消灯 / 0=鳴りっぱなし, 反転表示)
    "CAUTION": (600,  False),
    "WARNING": (200,  True),
    "DANGER":  (0,    True),
}

対応ファイル: ultrasonic-distance-sensor001-test004.py

この記事のコードをまとめてダウンロード

ここまでで登場した MicroPython コードを ZIP にまとめました。配線メモを書いた README.txt と、うまく測れないときの切り分け用スクリプト（debug.py / debug2.py）、ブザー判別用の buzzer-check.py も同梱しています。

📦 この記事のコード一式をダウンロード（ZIP・test001〜test004 / main.py ほか）

よくある質問（FAQ）

まとめ

HC-SR04(互換品)を Raspberry Pi Pico + MicroPython で、距離測定から OLED 表示・障害物アラートまで一通り動かしました。

• 仕組みは「超音波を出して跳ね返る時間を測る」だけ。距離 = 音速 × Echo パルス幅 ÷ 2、音速は 331.5 + 0.6 × 気温
• Pico で使うときの肝は Echo の分圧。5V の Echo を抵抗2本(1.0kΩ + 2.2kΩ)で 3.4V に落として GP2 へ。Trig は 3.3V 直結、VCC は VBUS(5V)から
• 反射がないとき約1000cm のダミー値が返るので上限で弾く。値のばらつきは中央値フィルタと 60ms 間隔で抑える
• 精度は、30cm〜3m・正対・固い面なら誤差1%以下で優秀。20cm 以下と、斜め・柔らかい面は苦手
• 2個セットの初期不良、起動時のブザー鳴りなど、実機ならではの小さいハマりもあった

安くて扱いやすいセンサーですが、「どういう条件で正確に測れて、どういう条件でダメか」を先に知っておくと、応用のときに悩まずに済みます。