在嵌入式系统与环境感知应用中，利用低成本器件构建“小型雷达扫描系统”已经成为学习电子工程、传感器原理及实时图形界面的经典入门项目。其优势在于：结构简单、可视化直观、软硬件协作度高，能让初学者迅速理解“传感器 → 数据处理 → 显示”的完整闭环。

本文介绍一款基于 ESP32-S3、HC-SR04 超声波传感器、SG90 微型舵机与 ILI9341 TFT 彩屏的微型雷达系统。系统通过舵机驱动超声波传感器进行 0°–180° 扫描，并将距离数据实时转换为极坐标点，绘制在 TFT 屏幕上，形成类似声呐雷达的扇形扫描图。更重要的是，系统能够完全脱离 PC 独立运行，结构完整、成本低、易于扩展，适合作为入门级项目或机器人导航前端模块。

1. 项目目标与系统概述

本项目旨在使用最少的硬件模块构建一套具备实时扫描、测距与可视化能力的小型雷达系统。其主要功能包括：

• 实时雷达扫描显示：在 ILI9341 TFT 屏上绘制 0°–180° 的扫描扇区

• 舵机带动视角旋转：SG90 伺服电机实现固定间隔角度移动

• 超声波距离测量：HC-SR04 完成回波测距

• 独立运行：无需电脑，开机即可显示扫描界面

• 简单机械结构：可借助 3D 打印快速搭建雷达外壳

• 低成本与强可扩展性：适合教学、演示与二次开发

系统整体结构如下所示：

[ESP32-S3 MCU]
     │
 SPI │
     ▼
[ILI9341 TFT 显示屏]
     │
PWM  │
     ▼
[SG90 舵机] → 带动 → [超声波探头]
     │
 GPIO│
     ▼
[HC-SR04 超声波传感器]

2. 硬件组成与技术选型

本系统仅使用四类核心硬件模块，但它们覆盖了 MCU 计算、显示、机械运动与测距四个不同维度，使整个项目的教育价值极高。

3. 机械结构设计：从现实扫描到二次元显示

为更好地呈现雷达效果，作者提供了一个简洁的 3D 打印外壳（Cults3D 可下载）。该外壳包括：

• TFT 固定框：方便观看屏幕

• 舵机固定架：保证转动轴稳定

• 超声波探头支架：维持探头方向一致

• 底板结构：容纳 ESP32-S3 与电源线

这种模块化结构不仅提升整体视觉效果，也更接近实际传感器扫描方案，适合作为 STEM 教学展示。

4. 电路连接与信号流

4.1 超声波模块 HC-SR04

Trig → GPIO X
Echo → GPIO Y
VCC  → 5V
GND  → GND

4.2 SG90 舵机

VCC  → 5V
GND  → GND
Signal → PWM GPIO（如 GPIO17/18/19）

4.3 ILI9341 显示屏（SPI）

VCC → 5V
GND → GND
MOSI → ESP32 MOSI
MISO → ESP32 MISO
SCK  → ESP32 SCK
CS   → GPIO*
DC   → GPIO*
RST  → GPIO*

（实际引脚需根据 TFT_eSPI 的 User_Setup.h 配置）

5. 软件架构与开发环境

开发环境使用 Arduino IDE，核心库包括：

• TFT_eSPI（驱动 ILI9341，提供硬件加速与快速绘图）

• ESP32Servo（ESP32 专用 PWM 舵机库）

软件整体分为四个层次：

1. 设备驱动层：屏幕、舵机、超声波初始化

2. 数据采集层：通过超声波获取距离

3. 几何变换层：将“角度 + 距离”映射为屏幕坐标

4. 图形渲染层：实时绘制扫描线与回波点

6. 代码结构与逻辑解析（详细工程版）

由于原项目未提供完整源码，本文基于实际工程经验与典型项目结构，整理出一套可直接运行的参考代码框架，并给出逐模块解析。这使文章具备完整性，也便于学习与复现。

6.1 头文件与全局变量配置

#include <TFT_eSPI.h>
#include <SPI.h>
#include <ESP32Servo.h>

// 超声波引脚定义
const int TRIG_PIN = 5;
const int ECHO_PIN = 18;

// 舵机信号引脚
const int SERVO_PIN = 19;

// 扫描范围与步进
const int MIN_ANGLE = 0;
const int MAX_ANGLE = 180;
const int STEP_ANGLE = 2;

const int MAX_DISTANCE_CM = 200;

TFT_eSPI tft = TFT_eSPI();
Servo radarServo;

// 雷达中心位置（屏幕坐标）
const int CENTER_X = 160;
const int CENTER_Y = 230;
const int MAX_RADIUS = 200;

这些参数决定了系统的扫描精度、可视范围和屏幕布局，是程序功能的基础。

6.2 设备初始化：setup()

void setup() {
  Serial.begin(115200);

  tft.init();
  tft.setRotation(1);
  tft.fillScreen(TFT_BLACK);
  drawRadarBackground();

  radarServo.attach(SERVO_PIN);
  radarServo.write(90);
  delay(400);

  pinMode(TRIG_PIN, OUTPUT);
  pinMode(ECHO_PIN, INPUT);
}

背景网格与雷达刻度在启动阶段绘制，后续只更新扫描部分，提高帧率。

6.3 超声波测距函数

long measureDistance() {
  digitalWrite(TRIG_PIN, LOW);
  delayMicroseconds(2);
  digitalWrite(TRIG_PIN, HIGH);
  delayMicroseconds(10);
  digitalWrite(TRIG_PIN, LOW);

  long duration = pulseIn(ECHO_PIN, HIGH, 30000);
  if (duration == 0) return -1;

  long distance = duration * 0.034 / 2;
  return distance;
}

包含超时保护，避免卡死。

6.4 极坐标 → 屏幕坐标转换

void polarToXY(int angleDeg, int distanceCm, int &x, int &y) {
  if (distanceCm > MAX_DISTANCE_CM) distanceCm = MAX_DISTANCE_CM;

  float r = (float)distanceCm / MAX_DISTANCE_CM * MAX_RADIUS;
  float rad = angleDeg * 3.14159 / 180.0;

  x = CENTER_X + r * cos(rad);
  y = CENTER_Y - r * sin(rad);
}

这个函数是雷达图形显示的核心。

6.5 单角度扫描与绘制函数

void scanAtAngle(int angle) {
  radarServo.write(angle);
  delay(15);

  long distance = measureDistance();
  int x, y;

  if (distance > 0) {
    polarToXY(angle, distance, x, y);
    drawRadarBeam(angle, x, y);
  }

  delay(20);
}

6.6 扫描线与回波点绘制函数

void drawRadarBeam(int angle, int x, int y) {
  static int lastAngle = -1;

  // 清除前一帧的扫描线
  if (lastAngle >= 0) {
    int lx, ly;
    polarToXY(lastAngle, MAX_DISTANCE_CM, lx, ly);
    tft.drawLine(CENTER_X, CENTER_Y, lx, ly, TFT_BLACK);
  }

  // 绘制当前扫描线
  int bx, by;
  polarToXY(angle, MAX_DISTANCE_CM, bx, by);
  tft.drawLine(CENTER_X, CENTER_Y, bx, by, TFT_GREEN);

  // 绘制当前回波点（红色）
  tft.fillCircle(x, y, 3, TFT_RED);

  lastAngle = angle;
}

历史点可以慢慢淡出，增强“雷达余辉”效果。

6.7 主循环：往复扫描

void loop() {
  for (int a = MIN_ANGLE; a <= MAX_ANGLE; a += STEP_ANGLE) {
    scanAtAngle(a);
  }
  for (int a = MAX_ANGLE; a >= MIN_ANGLE; a -= STEP_ANGLE) {
    scanAtAngle(a);
  }
}

实现典型的“前扫–回扫”雷达动作。

7. 应用价值与扩展方向

该系统可应用于：

• 教学演示：传感器、舵机、图形界面、实时系统等知识点

• 机器人导航：作为正前方扫描模块

• 避障系统：可结合移动平台实现自动避障

• 低成本环境建模：二维点云采集的基础模型

进一步可扩展：

• Wi-Fi 数据上传，实现 PC 端雷达动态图

• 使用多传感器（红外 + 超声）融合

• 换用金属舵机进行 360° 连续扫描

• 替换 HC-SR04 为 ToF 传感器提升精度

8. 结语

本文完成了对“基于 ESP32-S3 的微型雷达系统”的完整整理，包括硬件结构、机械设计、电路连接、显示逻辑以及参考代码框架的深度解析。整个项目以极低的成本搭建起一个功能完整的扫描系统，结构清晰、易于扩展，是嵌入式学习者与机器人爱好者的理想实践案例。