超声波测距模块——PCA定时器驱动、温度补偿与避障实现

超声波测距在近几届蓝桥杯中几乎每年都考。这篇文章基于项目中的两版超声波驱动代码，把PCA定时器的使用、40KHz发射时序、距离计算和温度补偿全部讲透。

测距原理

超声波模块（HC-SR04）的工作方式很简单：

距离 = 声速 × 飞行时间 / 2
= 340 m/s × T / 2

硬件连接：

• TX（发射）：P1.0
• RX（接收）：P1.1

PCA定时器

STC15的PCA（可编程计数器阵列）本质上是一个16位定时器，非常适合超声波的微秒级计时。

CMOD = 0x00; // PCA时钟源：Fosc/12（12T模式）
CH = CL = 0; // 清零计数器
CR = 1; // 启动PCA计时
CF = 0; // PCA溢出标志

在12MHz晶振、12T模式下，每个PCA计数值 = 1us。16位最大计数65535，对应最大计时约65ms，可测距离约11m——远超超声波的实际量程（2cm~4m）。

超声波驱动完整代码

项目 Driver/U_Wave.c 中的实现：

#include <STC15F2K60S2.H>
#include <intrins.h>

sbit RX = P1^1; // 接收
sbit TX = P1^0; // 发射

/* 12us延时函数 */
void Delay12us(void) { // @12.000MHz
unsigned char i;
_nop_();
i = 3;
while(–i);
}

/* 发射8个40KHz超声波脉冲 */
void U_Wave_Init() {
unsigned char i;
EA = 0; // 关中断！保护发射时序
for(i = 0; i < 8; i++) {
TX = 1;
Delay12us(); // 高电平12us
TX = 0;
Delay12us(); // 低电平12us
}
EA = 1;
}

/* 完整测距函数 */
unsigned char U_Wave_Data() {
unsigned long int U_Wave_Time;

CMOD = 0x00;
CH = CL = 0; // 清零PCA

U_Wave_Init(); // 发射超声波

CR = 1; // 启动PCA
while((RX == 1) && (CF == 0)); // 等待回波或溢出
CR = 0; // 停止PCA

if(CF == 0) { // 未溢出 = 正常测距
U_Wave_Time = (CH << 8) | CL;
return U_Wave_Time * 0.017; // 距离(cm) = 时间(us) × 0.017
} else { // 溢出 = 超出量程
CF = 0;
return 0;
}
}

几个关键细节

1) 为什么发射时关中断？

40KHz超声波的周期是25us，半周期12.5us。代码用12us延时，已经非常接近。如果发射过程中Timer1中断触发，中断服务函数里会执行数码管扫描（大约需要几十微秒），这就破坏了发射脉冲的宽度，导致发出的不是40KHz的信号，测距会出错。

2) 为什么是8个脉冲？

8个脉冲只是经验值。理论上越多越好（接收端更容易识别），但太多会增加发射时间，而且需要精确的时序控制。8个脉冲（约192us）是硬件手册推荐的配置。

3) 距离计算公式推导

声速 V = 340 m/s = 0.034 cm/us
距离 d = V × t / 2 = 0.034 × t / 2 = 0.017 × t

其中 t 是PCA计数值（单位：us，12T模式下）
所以 d = PCA值 × 0.017 cm

4) 返回值类型问题

注意 U_Wave_Data() 返回 unsigned char，最大值255。这意味着距离超过255cm的测量结果会溢出截断。第16届省赛改进了这一点：

// 第16届省赛版：超量程返回255（区别于正常值0）
unsigned char Sonic_Read(void) {
unsigned int time;
CMOD = 0x00;
CH = CL = 0x00;
CR = 1;
Sonic_Init();
while((RX == 1) && (CF == 0));
CR = 0;
if(CF == 0) {
time = CH << 8 | CL;
return (time * 0.017);
} else {
CF = 0;
return 255; // 返回255表示超量程
}
}

虽然返回类型仍然是 unsigned char，但用255作为超量程标志，与正常的0距离区分开了。实际使用时，如果收到255就知道这次测距失败了。

温度补偿

声速不是恒定的，它随温度变化：

V(T) = 331.4 + 0.6 × T(°C)

0°C: 331.4 m/s
20°C: 343.4 m/s
40°C: 355.4 m/s

温度从0°C到40°C，声速差了约7%，对测距精度的影响非常大。

第16届省赛的补偿公式：

// 用DS18B20读到的温度修正测距结果
distance = (Sonic_Read() / 340.0) * (330 + 0.6 * temperature);

推导过程：

超声波模块内部用固定声速340m/s计算：
raw_distance = time × 340 / 2 = time × 0.017

实际距离：
real_distance = time × V(T) / 2 = time × (331.4 + 0.6T) / 2

所以：
real_distance = raw_distance × V(T) / 340
= (raw_distance / 340) × (331.4 + 0.6T)
≈ (raw_distance / 340) × (330 + 0.6T) ← 简化版

DAC同步输出

第16届省赛还把测距结果映射到DAC输出（1~5V）：

void DAC_Transition(unsigned int distance) {
if(distance <= 20)
DA_Output(1); // 20cm以下 → 1V
else if(distance >= 100)
DA_Output(5); // 100cm以上 → 5V
else
DA_Output(((distance – 20) / 20.0) + 1); // 20~100cm线性映射
}

20cm→1V, 40cm→2V, 60cm→3V, 80cm→4V, 100cm→5V，线性关系。

避障检测应用

国赛代码中的避障逻辑：

void Get_Distance() {
unsigned char temp;
temp = U_Wave_Data();
Distance_Now = temp;

if(Distance_Now < 30) { // 距离小于30cm
Barrier_Clean_Flag = 0; // 有障碍物
if(Running_Mode == 2)
Running_Mode = 1; // 运行 → 暂停
} else {
Barrier_Clean_Flag = 1; // 障碍物已清除
}
}

第16届省赛的运动状态检测更有意思——根据两次测距的差值判断前方物体是静止、徘徊还是跑动：

// 根据距离变化判断运动状态
if(D_Distance < 5)
Temp_Motion_State = 0; // 静止
else if(D_Distance < 10)
Temp_Motion_State = 1; // 徘徊
else
Temp_Motion_State = 2; // 跑动

// 状态变化锁定（防止频繁切换）
// 检测到状态变化后锁定3秒，3秒内不允许再次变化

常见问题