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蓝桥杯单片机超声波到底要发几个周期脉冲？

发布于 2026-05-19

网上的蓝桥杯教程（模块）中，超声波模块大多发送八个周期的40khz方波. 然而在实际操作中，会显得非常不稳定.

在一次ai debug会话中，ai给出了以下发送超声波代码：

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void Transmit() {
    EA=0;
    TX=1;
    Delay12us();
    Delay12us();  
    TX=0;
 }

这段脉冲的周期远低于八个周期，但出乎意料的，这段代码运行的很稳定.

于是，为了求证，我在4T平台找到蓝桥杯官方给出的超声波代码：

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unsigned char Dist_Meas(void)
{
  unsigned char ucNum = 10;

  TX = 0;
  CL = 0xf4;  CH = 0xff;     // PCA 重载值，每 12μs 溢出一次
  CR = 1;                      // 启动 PCA
  while (ucNum--)              // 翻转 10 次 = 5 个完整 40kHz 周期
  {
    while (!CF);               // 等 PCA 溢出
    TX ^= 1;                   // 翻转 TX
    CL = 0xf4;  CH = 0xff;
    CF = 0;
  }
  CR = 0;                      // 关闭 PCA

  CL = 0;  CH = 0;             // PCA 清零
  CR = 1;                      // 启动
  while(RX && !CF);            // ← 等 RX 下降沿（和原始代码一样！）
  CR = 0;
  return ((CH<<8)+CL)*0.017;   // 同 t*17/1000
}

它一共翻转了ucNum次电平，翻转了10次，也就是5个周期的40khz方波.

以上似乎已经说明：8个周期的方波对于蓝桥杯的超声波模块来说过于多了，以至于可能出现RX 的放大/比较电路在发射期间被串扰饱和的情况。导致等脉冲发完，换能器还在机械余震，RX 继续振荡，造成干扰.

8周期的 8051 超声波例程最早来自某个开发板，那个板的接收电路增益低，需要 8 个脉冲才能让回波高于比较器阈值. 蓝桥杯竞赛板的模拟前端比那些开发板好，1个脉冲就够了.

验证

考虑从稳定性和准确性两个方面。

测量方法

拿一本书，使得其距离超声波传感器上沿距离为15cm、35cm、55cm，在不同的距离下，改变发射周期 (1≤i≤111 \le i \le 11) 并记录数码管显示数据.

公式部分

在每次测量中，间隔500ms更新一次数码管显示距离，一共产生五次数据，计算平均值和标准差 (N=5N=5)

平均值计算公式为：

μ=1N∑i=1Nxi\mu = \frac{1}{N} \sum_{i=1}^{N} x_i

标准差计算公式为：

σ=1N∑i=1N(xi−μ)2\sigma = \sqrt{\frac{1}{N} \sum_{i=1}^{N} (x_i - \mu)^2}

其中，标准差用于衡量稳定性，平均值作如下运算用于衡量准确性

d误差=∣μ−d实际距离∣d_{误差} = |\mu - d_{实际距离}|

代码部分

通过改变按键增减waveNum的值来改变发射次数.

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#include <REGX52.H>
#include <INTRINS.H>

sfr         AUXR        =           0x8E;
sfr         CL          =           0xE9;
sfr         CCAP0L      =           0xEA;
sfr         CCON        =           0xD8;
sbit        CF          =           CCON^7;
sbit        CR          =           CCON^6;
sbit        CCF0        =           CCON^0;
sfr         CH          =           0xF9;
sfr         CCAP0H      =           0xFA;
sfr         CMOD        =           0xD9;
sfr         CCAPM0      =           0xDA;
sfr         T2H         =           0xD6;
sfr         T2L         =           0xD7;
sbit        TX          =           P1^0;
sbit        RX          =           P1^1;
unsigned char segData[8] = {10, 10, 10, 10, 10, 10, 10, 10};
unsigned value=1000;
unsigned char code segTable[18] = {0xC0, 0xF9, 0xA4, 0xB0, 0x99, 0x92, 0x82, 0xF8, 0x80, 0x90, 0xFF, 
    0xBF, /*11 -*/
    0xC7, /*12 L*/
    0x89, /*13 H*/
    0x8E, /*14 F*/
    0x8C, /*15 P*/
    0x86, /*16 E*/
    0x88, /*17 A*/
};
void PCA_Init(void)		//1毫秒@12.000MHz
{
    CCON = 0;
    CL = 0;
    CH = 0;
    CMOD = 0x00;//禁止溢出中断，设置时钟源
    CCAP0L = value;
    CCAP0H = value>>8;
    CCAPM0 = 0x49; //设置为16定时器模式
    value += 1000;
    CR = 1; //开始工作
    EA = 1;
}
void Init() {
    P2 = (P2&0x1F)|0xA0;
    P0_4=0; P0_6=0;
    P2 = (P2&0x1F)|0x80;
    P0=0xFF;
    P2 = (P2&0x1F);
}

bit runFlag=0; unsigned char waveNum=9;
void Delay12us(void)	//@12.000MHz
{
	unsigned char data i;

	_nop_();
	_nop_();
	i = 33;
	while (--i);
}

void Transmit() {
    unsigned char i;
    EA=0;
	for(i = 0; i < waveNum; i++) {
		TX = 1;Delay12us();TX = 0;Delay12us();
	}
    EA=1;
}
unsigned GetDistance() {
    unsigned t=0;

    TMOD &= 0x0f;
    TL1 = 0x00;
    TH1 = 0x00;
    TF1 = 0;
    TR1 = 0;

    Transmit();       
    TR1 = 1;    
    while(RX==0 && TF1==0);
    while(RX==1 && TF1==0);      // ← 等 RX 变低（真实回波到达）
    TR1 = 0;

    if(TF1) { TF1=0; return 0; }
    t  = (TH1<<8) | TL1;
    return t*0.017;
}
void main() {
    Init();
    PCA_Init();
    while(1) {
        static unsigned char cnt=0;
        unsigned char i;
        unsigned temp;
        if(runFlag) {
            cnt++;
            runFlag=0;
            segData[0]=waveNum/10;
            segData[1]=waveNum%10;
            if(cnt>=10) {
                cnt=0;
                temp = GetDistance();
                segData[3]=segData[4]=segData[5]=segData[6]=segData[7]=10;
                i=7; segData[i]=0;
                while(temp) {
                    segData[i--]=temp%10;
                    temp /= 10;
                }
            }
        }
    }
}
sfr P4 = 0xC0;
sbit COL1 = P4^4;sbit COL2 = P4^2;sbit COL3 = P3^5;
sbit ROW3 = P3^2;sbit ROW4 = P3^3;
unsigned char ScanKeyboard(){
    unsigned char key=0;
    COL1=0; COL2=1; COL3=1;
    if(!ROW3) key=5;
    if(!ROW4) key=4;

    COL1=1; COL2=0; COL3=1;
    if(!ROW3) key=9;
    if(!ROW4) key=8;

    COL1=1; COL2=1; COL3=0;
    if(!ROW3) key=13;
    if(!ROW4) key=12;
    return key;
}

void ProKey() {
    static unsigned char preKey=0;
    unsigned char key=ScanKeyboard();
    if(key==0 && preKey!=0) {
        if(preKey==4) {
            if(waveNum-1>=0) waveNum--;
        }
        if(preKey==5) {
            if(waveNum+1<=11) waveNum++;
        }
    }
    preKey=key;
}
void DisplaySingleDigit(unsigned char addr) {
    P2 = (P2 & 0x1F) | 0xE0;
    P0 = 0xFF;
    P2 = (P2 & 0x1F) | 0xC0;
    P0 = (1<<addr);
    P2 = (P2 & 0x1F) | 0xE0;
    P0 = segTable[segData[addr]];
    P2 = (P2 & 0x1F);
}
void PCA_Routine(void) interrupt 7 {
    static unsigned char clkCnt=0, segCnt=0;
    CCF0 = 0;
    CCAP0L = value;
    CCAP0H = value>>8;
    if(clkCnt>=100) {clkCnt=0;runFlag=1;ProKey();}
    if(segCnt>=8) segCnt=0;
    DisplaySingleDigit(segCnt);
    clkCnt++; if(clkCnt&0x01)segCnt++;
    value += 1000;
}

数据

测量得以下数据（主包手比较抖，距离偏差为±1cm\pm 1 \text{cm}）：

目标距离 发射周期数 1 2 3 4 5
15cm 1 15 15 15 15 15
3 14 14 14 14 14
5 14 13 13 14 13
7 5 6 7 13 4
9 6 5 5 5 5
35cm 1 36 36 36 36 36
3 34 34 34 34 34
5 34 34 34 34 34
7 6 5 5 5 5
9 4 7 4 5 4
55cm 1 56 56 56 56 56
3 55 54 54 55 55
5 54 55 7 55 55
7 6 5 6 5 4
9 4 4 4 4 4

计算得：

目标距离 (cm) 发射周期数 均值 标准差 误差
15 1 15.0 0.00 0.0
3 14.0 0.00 1.0
5 13.4 0.49 1.6
7 7.0 3.16 8.0
9 5.2 0.40 9.8
35 1 36.0 0.00 1.0
3 34.0 0.00 1.0
5 34.0 0.00 1.0
7 5.2 0.40 29.8
9 4.8 1.17 30.2
55 1 56.0 0.00 1.0
3 54.6 0.49 0.4
5 45.2 19.10 9.8
7 5.2 0.75 49.8
9 4.0 0.00 51.0

可视化

a Number of emission cycles Standard deviation (cm) Measurement variability vs. emission cycles 0 5 10 15 20 1 3 5 7 9 Target 15 cm Target 35 cm Target 55 cm b Number of emission cycles Absolute error (cm) Measurement error vs. emission cycles 0 10 20 30 40 50 60 1 3 5 7 9 Target 15 cm Target 35 cm Target 55 cm

结论

总的来说，短距离时，waveNum在[1,5][1,5]这个区间内，超声波测量值基本准确. 这个检验还是有不严谨的地方，测量次数太少且未去除极端数据（去除极端数据的话，waveNum为5也可用）.

补充

此外，长距离时，则需要更长的发射周期. 但是受串扰影响，代码需要修改：在Transmit()后硬编码几个Delay12us()或添加while(RX==1&&TF1==0);while(RX==0&&TF1==0);while(RX==1&&TF1==0);.

若有错误，欢迎指出.

本文作者： Genkaim

本文链接： https://www.genkaim.top/posts/abb27f10

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