超声波测距

2.3 超声波测距原理和方法

超声波测距方法从原理上可分为共振式、脉冲反射式[4]两种。由于共振法的应用要求复杂，一般采用脉冲反射式。超声波测距原理是通过超声波发射器向某一方向发射超声波，在发射时刻的同时开始计时（也有发射后开始计时，看各种情况不同运用方式），超声波在空气中传播，碰到障碍物就立即反射回来，超声波接收器收到反射波就立即停止计时（也有在接到最后一个返回波后停止计时，看设计者出发点而定）。

图2-6 超声波测距原理图

在已知超声波在空气中的传播速度为V的前提下，利用：

S12VT （2-1）

即可计算得传感器与反射点之间的距离S，测量距离： dh22s() （2-2）

2当S>>h时，则d≈S，即根据计时器记录的测出发射与接收回波的时间差T，就可以计算出发射点距障碍物的距离S，即：

d12VT

（2-3）

这就是所谓的时间差测距法。

由于超声波也是一种声波，其声速V与温度有关，附表列出了几种不同温度下的声速。在使用时，如果温度变化不大，则可认为声速是基本不变的。如果测距精度要求很高，则应通过温度补偿法加以校正。

以下给出声速与温度的关系表2-1：

表2-1 声速与温度的关系表

温度/℃ 声速:m/s -30 313 -20 319 -10 325 0 331 10 338 20 344 30 350 100 386 江苏技术师范学院毕业设计说明书(论文)

声速确定后，只要测得超声波往返的时间，即可求得距离，这就是超声波测距原理。

在理想状态下的超声波测距原理如图2-7所示：

V发射波超声波传感器t障碍物T反射波 图2-7 理想状态下的超声波测距原理

2.4系统涉及的主要参数

2.4.1传感器的指向角

传感器的指向角是声束半功率点的夹角，是影响测距的一个重要技术参数，记为

，它直接影响测量的分辨率。对圆片传感器来说，它的大小与工作波长，传感器

半径r有关。由：

（2/）* r *sin（/2）=1.615 （2-4）

当f40kHz时，=C/f=8.5mm。当f选定后，指向角近似与传感器半径成

000反比。指向角愈小，空间分辨率愈高，则要求传感器半径r愈大。鉴于目前电子市场的压电传感片规格有限，为降低成本，在不降低空间分辨率的条件下，选用国产现有压电传感器片最大半径r=6.3mm，故

 =2*arcsin（1.615*/(2**r)）=75° （2-5）

2.4.2测距仪的工作频率

空气中超声波的衰减系数为：

= a*= Af2Bf4 （2-6）

s所以，空气中超声波的衰减对频率f很敏感，要求合理选择超声波频率，一般在40KHz左右，太高频率的超声波在空气中是无法传播开去的。

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传感器的工作频率是测距系统的主要技术参数，它直接影响超声波的扩散和吸收损失，障碍物反射损失，背景噪声，并直接决定传感器的尺寸。

工作频率的确定主要基于以下几点考虑：

1. 如果测距的能力要求很大，声波传播损失就相对增加，由于介质对声波的吸收与声波频率的平方成正比，为减小声波的传播损失，就必须降低工作频率。

2. 工作频率越高，对相同尺寸的换能器来说，传感器的方向性越尖锐，测量障碍物复杂表面越准，而且波长短，尺寸分辨率高，“细节”容易辨识清楚，因此从测量复杂障碍物表面和测量精度来看，工作频率要求提高。

3. 从传感器设计角度看，工作频率越低，传感器尺寸就越大，制造和安装就越困难。

综上所述，由于本测距仪最大测量量程不大，因而选择测距仪工作频率在40KHz。这样传感器方向性尖锐，且避开了噪声，提高了信噪比，虽然传播损失相对低频有所增加，但不会给发射和接收带来困难。

2.4.3温度对声速的影响

空气中传播的超声波是由机械振动产生的纵波，由于气体具有反抗压缩和扩张的弹性模量，气体反抗压缩变化力的作用，实现超声波在空气中传播。因此，超声波的传播速度受气体的密度、温度及气体分子成份的影响，即：

Cs=B[5]

 (2-7)

式中：Cs为超声波声速；B为气体的弹性模量；为气体的密度。 气体弹性模量，由理想气体压缩特性可得：

B=P （2-8）

式中：为定压热容与定容热容的比值，空气为1.40；为气体的压强。而气体的压强公式为：

PRTVRTM （2-9）

式中：R为普适常量8.134kg/mol；T为气体温度K(绝对温度)；M为气体分子量；空气为28.8*103kg/mol。所以：

CsRTM （2-10）

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由上式可知，温度对超声波在空气中的传播速度有明显的影响。其变化公式为：

Cs20.067T（m/s） （2-11）

式中：T 为气体温度(K绝对温度)。由于该测距系统用于室内测量，且量程也不大，温度可以看作定值。在常温20℃下，声音在空气中的传播速度可依据上式计算出为344m/s。但当需要精确确定超声波传播速度时，必须考虑温度的影响。

2.4.4发射脉冲宽度

发射脉冲宽度决定了测距仪的测量盲区，也影响测量精度，同时与信号的发射能量有关。根据资料，减小发射脉冲宽度，可以提高测量精度，减小测量盲区，但同时也减小了发射能量，对接收回波不利。但是根据实际的经验，过宽的脉冲宽度会增加测量盲区，对接收回波及比较电路都造成一定困难。在具体设计中，比较了25s(1个40KHz方波脉冲)，100s(4个40KHz方波脉冲)，200s(8个40KHz方波脉冲)，800s(32个40KHz方波脉冲)的发射脉冲宽度，作为发射信号后的接收信号。最终采用短距离(2m内)发射200s(8个40KHz方波脉冲)发射脉冲宽度；长距离(2m外)发射800s(32个40KHz脉冲方波)的发射脉冲宽度，同时单片机编程避开盲区。此时，从接收回波信号幅度和测量盲区两个方面来衡量比较适中，并且接收准确响应速度快。

2.5 本章小结

本章首先介绍了超声波的形成以及在本设计中的应用；详细分析超声波传感器的内部结构以及给出了本系统设计中所用的超声波传感器；分析了超声波测距的基本原理，并在此基础上给出了测距的常用方法以及系统主要参数对超声测距精度的影响。

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第三章 基于AT89C51单片机的超声波测距仪总体设计

上一章我们就系统药参数做了分析，并为本系统选择了比较适合的传感器，本章主要在此基础上就如何具体设计本系统进行详细分析。

3.1概述

该系统主要采用AT89C51单片机；晶振：12M，单片机用P1.0口输出超声波换能器所需的40KHz方波信号，利用外中断0口监测超声波接收电路输出的返回信号，显示电路采用简单的4位共阳LED数码管，断码用74LS244，位码用8550驱动。

3.1.1 系统结构框图

按基本超声波测距系统所具功能，结构如图3-1所示：

超声波接收单片机控制器数码管显示超声波发送扫描驱动

图3-1 系统结构框图

3.1.2 系统原理及说明

本系统原理图附录一所示。

工作原理说明：主要由单片机系统及显示电路、超声波发射电路和超声波检测接收电路四部分组成。采用AT89C51来实现对CX20106A红外接收芯片和TCT40-10系列超声波转换模块的控制。单片机通过P1.0引脚经反相器来控制超声波的发送，然后单片机不停的检测INT0引脚，当INT0引脚的电平由高电平变为低电平时就认为超声波已经返回。计数器所计的数据就是超声波所经历的时间，通过换算就可以得到传感器与障碍物之间的距离。

[6]

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3.2 硬件设计

3.2.1显示电路

显示电路采用简单实用的4位共阳LED数码管，段码用74LS244驱动，位码用PNP三极管驱动。单片机系统及显示电路如下图所示：

图3-2显示电路

3.2.2发射电路

压电超声波转换器的功能：利用压电晶体谐振工作。内部结构上图所示，它有两个压电晶片和一个共振板。当它的两极外加脉冲信号，其频率等于压电晶片的固有振荡频率[7]时，压电晶片将会发生共振，并带动共振板振动产生超声波，这时它就是一超声波发生器；如没加电压，当共振板接受到超声波时，将压迫压电振荡器作振动，将机械能转换为电信号，这时它就成为超声波接受转换器。超声波发射转换器与接收转换器其结构稍有不同。

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图3-3 超声波发射电路原理图

3.2.3超声波检测接收电路

参考红外转化接收期刊的电路采用集成电路CX20106A，这是一款红外线检波接收的专用芯片，常用于电视机红外遥控接收器[8]。

CX20106A引脚图如图3-4所示：

IN23GND56OUTVDD12345678CX20106A

图3-4 CX20106A引脚图

CX20106A的引脚注释：

①1脚：超声波信号输入端，该脚的输入阻抗约为40kΩ。

②2脚：该脚与GND之间连接RC串联网络，它们是负反馈串联网络的一个组成部分，改变它们的数值能改变前置放大器的增益和频率特性。增大电阻R或减小C，将使负反馈量增大，放大倍数下降，反之则放大倍数增大。但C的改变会影响到频率特性，一般在实际使用中不必改动，推荐选用参数为R=4.7Ω，C=3.3μF。

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③3脚：该脚与GND之间连接检波电容，电容量大为平均值检波，瞬间相应灵敏度低；若容量小，则为峰值检波[9]，瞬间相应灵敏度高，但检波输出的脉冲宽度变动大，易造成误动作，推荐参数为3.3μF。

④4脚：接地端。

⑤5脚：该脚与电源端VCC接入一个电阻，用以设置带通滤波器的中心频率f0，阻值越大，中心频率越低。例如，取R=200kΩ时，f0≈42kHz，若取R=220kΩ，则中心频率f0≈38kHz。

⑥6脚： 该脚与GND之间接入一个积分电容，标准值为330pF，如果该电容取得太大，会使探测距离变短。

⑦7脚：遥控命令输出端，它是集电极开路的输出方式，因此该引脚必须接上一个上拉电阻到电源端，该电阻推荐阻值为22kΩ，没有接收信号时该端输出为高电平，有信号时则会下降。

⑧8脚： 电源正极，4.5V～5V。

考虑到红外遥控常用的载波频率38KHz与测距超声波频率40KHz较为接近，可以利用它作为超声波检测电路。实验证明其具有很高的灵敏度和较强的抗干扰能力。适当改变C4的大小，可改变接受电路的灵敏度和抗干扰能力。

图3-5 超声波接收电路图

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第四章 软件设计的实现

前一章介绍了超声测距系统的硬件设计方案，本章将要介绍此方案在具体实现时单片机涉及到的软件结构及其相关编程。

4.1芯片AT89C51单片机介绍

单片机（Single Chip Microcomputer or One Chip Microcomputer）利用半导体集成技术、将中央处理单元CPU和一定容量的数据存储器RAM、程序存储器ROM、定时/计数器T/C、并行输入输出接口I/O和串行通讯接口UART，可能还包括定时计数器，串行通信口(SCI)，显示驱动电路(LCD或LED驱动电路)，脉宽调制电路(PWM)，模拟多路转换器[12]及A/D转换器等电路集成到一块单块芯片上，构成一个最小然而完善的计算机系统。

限于篇幅，本论文将不对AT89C51单片机做详细的介绍，仅列出其特性与本论文中涉及的引脚内容。

AT89C51单片机的特性： ·8位CPU；

·片内128B RAM数据存储器； ·片内4KB ROM程序存储器； ·特殊功能寄存器区；

·2个中断优先级，5个中断源；

·4个8位并行I/O口（P0、P1、P2、P3）； ·2个16位的定时器/计数器； ·1个全双工异步串行口； ·1位布尔处理器；

·64KB程序存储空间； ·64KB外部数据存储空间；

·片内振荡器，频率范围为1.2～12MHz； AT89C51引脚图如图4-1所示：

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图4-1 单片机引脚图

AT89C51引脚功能说明： （1）P0口有三个功能：

①外部扩展存储器时，当作数据总线（如图1中的D0～D7为数据总线接口） ②外部扩展存储器时，当作地址总线（如图1中的A0～A7为地址总线接口） ③不扩展时，可做一般的I/O使用，但内部无上拉电阻，作为输入或输出时应在外部接上拉电阻。

（2）P1口只做I/O口使用：其内部有上拉电阻 （3）P2口有两个功能：

①扩展外部存储器时，当作地址总线使用 ②做一般I/O口使用，其内部有上拉电阻； （4）P3口有两个功能：

①除了作为I/O使用外（其内部有上拉电阻），还有一些特殊功能，由特殊寄存器来设置，具体功能可参考后面的引脚说明。

②有内部EPROM的单片机芯片（例如8751），为写入程序需提供专门的编程脉冲[13]和编程电源，这些信号也是由信号引脚的形式提供的，即：

编程脉冲：30脚（ALE/PROG） 编程电压（25V）：31脚（EA/Vpp）

（5）ALE地址锁存控制信号：在系统扩展时，ALE用于控制把P0口的输出低8位地址送锁存器锁存起来，以实现低位地址和数据的隔离。

（6）PSEN外部程序存储器读选通信号：在读外部ROM时PSEN低电平有效，以实现外部ROM单元的读操作。

（7）EA/VPP：访问程序存储器控制信号

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①接高电平时：CPU读取内部程序存储器（ROM）扩展外部ROM：当读取内部程序存储器超过0FFFH（AT89C51）1FFFH（8052）时自动读取外部ROM。

②接低电平时：CPU读取外部程序存储器（ROM）。

③8751烧写内部EPROM时，利用此脚输入21V的烧写电压。

（8）RST复位信号：当输入的信号连续2个机器周期以上高电平时即为有效，用以完成单片机的复位初始化操作。

（9）XTAL1和XTAL2外接晶振引脚。当使用芯片内部时钟时，此二引脚用于外接石英晶体和微调电容；当使用外部时钟时，用于接外部时钟脉冲信号。 （10）VCC：电源+5V输入。 （11）VSS：GND接地。

4.2 系统软件

超声波测距软件设计主要由主程序，超声波发射子程序，超声波接受中断程序及显示子程序组成。下面对超声波测距器的算法，主程序，超声波发射子程序和超声波接受中断程序逐一介绍。

4.2.1．超声波测距器的算法设计

超声波测距的原理即超声波发生器T在某一时刻发出的一个超声波信号，当超声波遇到被测物体后反射回来，就被超声波接收器R所接受。这样只要计算出发生信号到接收返回信号所用的时间，就可算出超声波发生器与反射物体的距离。

距离计算公式：d=s/2=(c*t)/2

d为被测物与测距器的距离，s为声波的来回路程，c为声速，t为声波来回所用的时间。

声速c与温度有关，如温度变化不大，则可认为声速是基本不变的。如果测距精度要求很高，则应通过温度补偿的方法加以校正。声速确定后，只要测得超声波往返时间，即可求得距离。在系统加入温度传感器来监测环境温度，可进行温度补偿[14]。这里可以用DS18B20测量环境温度，根据不同的环境温度确定一声速提高测距的稳定性。为了增强系统的可靠性，应在软硬件上采用抗干扰措施。

4.2.2主程序结构

主程序首先对系统环境初始化，设置定时器T0工作模式为16位的定时计数器

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模式，置位总中断允许位EA并给显示端P0和P2清0。然后调用超声波发生子程序送出一个超声波脉冲，为避免超声波从发射器直接传送到接收器引起的直接波触发，需延迟0.1ms(这也就是测距器会有一个最小可测距离的原因)后，才打开外中断0接收返回的超声波信号。由于采用12MHz的晶振，机器周期为1us。测出距离后结果将以十进制BCD码方式LED，然后再发超声波脉冲重复测量过程。

主程序框图如下：

开始

注：当主程序检测到接收成功的标志位后，将

系统初始化计数器T0中的数（即超声波来回所用的时间）按下式计算即可测得被测物体与测距仪之间的距离,

发送超声波脉冲设计时取20℃时的声速为344 m/s，则有：

d=(V*T0)/2=172T0/10000cm（其中T0为

计数器T0的计数值）

等待发射超声波计算距离

显示结果0.5s

图4-2 主程序流程图

4.2.3超声波发生子程序和超声波接收中断程序

超声波发生子程序的作用是通过P1.0端口发送2个左右的超声波信号频率约40KHz的方波，脉冲宽度为12us左右，同时把计数器T0打开进行计时。超声波测距器主程序利用外中断0检测返回超声波信号，一旦接收到返回超声波信号（INT0引脚出现低电平)，立即进入中断程序。进入该中断后就立即关闭计时器T0停止计时，并将测距成功标志字赋值1。如果当计时器溢出时还未检测到超声波返回信号，则定

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时器T0溢出中断将外中断0关闭，并将测距成功标志字赋值2以表示此次测距不成功。

定时中断路口外部中断入口

定时器初始化关外部中断发射超声波读取时间值三方向均发射完否？N计算距离Y结果输出停止发射返回返回

图4-3 定时中断服务子程序 图4-4 外部中断服务子程序

4.3 本章小结

本章主要结合超声测距系统的硬件设计方案，给出具体实现时单片机涉及到的软件结构及其相关编程。主要包括整个程序的算法思想，采用模块化设计，大量采用子程序设计的方法，大大缩短编程开发周期，方便程序阅读以及程序查错。

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第五章 实验分析及改进

前面几张介绍了超声波测距系统的设计，本章将介绍超声波测距仪测量结果的误差分析以及调试性能的分析。

5.1误差分析

在本设计的实验中我选用实验室墙壁为被测物体，不同时刻在同一位置测了5次，数码管显示，得到结果如下表5-1所示：

表5-1 通过数码管显示测距实验结果（单位：cm）

实际距离 1 2 实测 次数 3 4 5 平均值 误差

27 40 50 100 150 27 40 51 100 149 27 41 50 100 149 27 40 50 100 150 26 41 50 100 149 27 40 51 101 149 26.8 40.4 50.4 100.2 149.2 0.2 0.4 0.4 0.2 0.8 200 201 200 201 199 200 200.2 0.2 250 251 249 251 250 251 250.4 0.4 300 300 301 299 301 301 300.4 0.4 从实验室测量数据的表格中，可以得出显示测量结果与实际距离不完全吻合，存在一定的误差，主要包括以下几个部分组成：

1.由于超声波也是一种声波[15]，其声速C与温度有关，表2—1列出了几种不同温度下的声速。在使用时，认为声速是基本不变的，采用声速为340m/s来计算超声距离，故引入了一定的系统误差。高精度测量时，应采用温度补偿的方法加以校正。

2.本系统采用的单片机晶振频率为12MHz，单片机执行一条指令需机器周期为12/12us即1us，所发出的脉冲波信号分别12us高电平和12us的低电平，故实际脉冲串频率为1000/24KHz即38.46KHz，与选用的超声传感器的频率40KHz有一定的差距，使得发射信号不足够强，测距距离不远。

3.由于反射物而引起的偶然误差，这可能是测量中最大的误差源。发射探头发出的超声波并非直线传播，而是呈喇叭状扩散传播的。同时反射物表面不是很平整，而且也并不一定垂直于两探头的轴线，所以反射回来的波也许是从不同点获得，测量的结果必然不相同。

4.电路中使用的电子元件都有一定的时延，焊接时的焊点，以及接地都会产生干扰，对该系统来说也就增加了一定的系统误差[16]。

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5.远距离测量时，数码管显示不稳定，信号微弱，并且室内混有大量的噪声，这样对回波信号以及门限比较器输出信号判定造成很大干扰，易产生误判，使得测量结果出错。

6.每次测量时，探头的位置，方向有微小变动，而且环境条件不同也会得到不同的结果。

第六章 结束语

6.1工作总结

该系统具有数字显示距离提醒功能，测量范围达到0.27m～3m，能很好解决超声波余振与衰减问题。本设计具有结构简单，测量精确，抗干扰强等优点。

超声波方法作为非接触测量，已经在很多领域得到应用。本论文根据超声波测距原理，结合利用AT89C51单片机设计一种超声波测距系统。实验证明，本系统在空气中测量范围为达到0.27m～3m，测量时要求被测表面比较光滑平坦，确保超声波能够被反射回来，并被探头接收。在实验中，对3m范围进行测量，经误差补偿后最大误差达1cm以内。线性度，稳定性和重复性都比较好。

另外本系统采用了新型振动模式超声波探头[18]、抗干扰电路、单片机系统以及合理软件算法，使得实验进行的比较顺利。

6.2改进及后续工作

下面是基于改进及后续工作的一些想法：

1. 由于探头限制，在高温、高压等恶劣环境下，测量误差大，可以根据实际情况更换更合适的探头。测量距离与发射功率[19]直接相关，由于探头功率有限，只能在室内小范围测量。更换成大功率探头，测距范围将扩大。另外可以考虑更换更低中心频率的超声传感器，同时修改单片机程序，使得测试距离更远。

2. 为提高测量的精度，可以在系统中加入温度传感器，实时准确测量出测距时的温度，计算出当时的声速速度，转换成测量距离。

3. 由于超声波在传播过程中受空气热对流扰动以及尘埃吸收的影响，接收回波的幅值随传播距离的增加成指数规律衰减，使得远距离回波难以检测。同时其他误差

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源，比如电阻电容的热噪声，电路延迟引起的渡越时间检测误差[20]。改进方法是改善被测表面条件，提高探头功率，尽可能使用集成芯片。

4. 本系统采用4位数码管显示，但显示xxxcm，第一个数码管显示没派上用场，最少误差为1厘米，如果全部利用到，可将精度提高到毫米级别，满足更高精度测量的需要。

由于受到时间和本人学识水平的限制，本系统的设计也有缺陷，在论文中难免存在一些不妥之处，敬请各位老师、专家批评指正。

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鸣 谢

在本论文即将完成之际，我首先向我的指导老师陈海忠老师表示最真挚的谢意！在整个的设计、写作过程中，陈老师给了我精心的指导，尤其是在论文即将定稿的过程中，陈老师给了我很多宝贵的意见和帮助，使论文进一步完善，进一步精细；同时还对于在做毕业论文过程中给予我许多帮助的同学们，在此深表感谢！最后，我还要衷心的感谢我的父母和亲人，是他们在我学习、工作和生活中不断的给予理解、支持和帮助，正是他们的无私奉献才使我顺利地度过了十几年的学习生涯。

123456VCCP1.7GNDP1.6VCCRESETJ4CX2010612345678RL1AT_ISPDDP0.7P0.6P0.5P0.4P0.3P0.2P0.1P0.0LS4P1.5GNDLX(S)C9473D2J34.7K3.3UF/25VR16C17220K104R15200KU4A174ALS041KLS1474ALS04VCCU4E111KU4C74ALS04121110C2123456789CON9CON10C10R14C6330PP3.2附录一 硬件原理图

12345678910VCCU778054CON3206U4D274ALS043P11TX(F)2KBR311ER301KLS38SPEAKERR8VCCVCCGND3VoVi1231232C9U4BQ19012A1C1V1CC104C1D1C15C7C8104C16POWER2470UF/25F1041000UF/25VK10R9312d1d698d2附录

C19574ALS0463.3UF/25VS10RST98FS1AS2S31R3210K122BEDDPCGS4Y17O1O2DS1DISPC2102M20PU5P11U6C2520PBB12345d5d4d8d3d76S1L14江苏技术师范学院毕业设计说明书(论文)

K1P1.5P1.6P1.712345678P10/TP11/TP12P13P14P15P16P17191P00P01P02P03P04P05P06P07A0A1A2A3A4A5A6A7B0B1B2B3B4B5B6B73938373635343332P0.7P0.6P0.5P0.4P0.3P0.2P0.1P0.0234567891817161514131211R17R18R19R20R25R26R28R291K1K1K1K1K1K1K1Kd5d4d3d8d7d6d1d2S2L15P3.2INT1INT0T1T0EA/VPX1X2RESETRDWR8051129K21514L16VCCO1O22L171716RESET9191831L17L16VCCL15L14EDIR74LS245S3C3K3P20P21P22P23P24P25P26P272122232425262728R10R11R12R132K2K2K2K1BEQ29012Q3901281312Q49012Q59012S411K422ARXDTXDALE/PPSEN10113029VCCATitleSizeBDate:File:345NumberRevision28-Apr-2009Sheet of I:\\重要资料勿动！！！\\论文\\电子通信\\超声波测距\\D超r声aw波n测 B距y:\\超声波测距\\biyesheji1.ddb612 江苏技术师范学院毕业设计说明书(论文)

附录二 PCB版图