汽车防撞雷达（俗称电子眼）之所以能实现防撞报警功能，主要有超声波这把无形尺子， 它测量最近障碍物的距离，并告诉给车主。其实超声测距原理简单：它发射超声波并接收反射回波，通过单片机计数器获得两者时间差t，利用公式S=Ct/2计算距离，其中S为汽车与障碍物之间的距离，C为声波在介质中的传播速度（，θ为摄氏温度）。本文介绍的超声测距系统共有4只超声波换能器（俗称探头），分别布置在汽车的前左、前右、后左、后右4个位置上。能检测前进和倒车方向障碍物距离，通过后视镜内置的显示单元显示距离和方位，发出一定的声响，起到提示和警戒的作用。系统采用一片PIC16C54单片机对4路超声波信号进行循环采集，并通过数据线发送到显示单元。
一、系统硬件
设计为了能测量汽车不同部位障碍物距离，设计成多传感器测距。经分析可知： 频率为40 kHz左右的超声波在空气中传播的效率最佳。因此，为了方便处理，发射的超声波被调制成40 kHz左右、具有一定间隔的调制脉冲波信号，如图1所示。该测距系统结构框图如图2所示。由图2可见，测距系统由超声波换能器、信号处理及控制输入、单片机控制单元和显示单元4个部分组成。超声波换能器接收、发送一体；信号处理及控制输入电路由点火开关、倒车开关、车速传感器组成；显示单元内置于内后视镜。单片机控制单元由单片机、电源、发射驱动、接收放大、通道选择组成。测距系统原理图如图3所示，所有通道发射驱动和接收放大电路相同（与Y3和X3连接部分），图3中其他通道电路略去。
（一）超声波发送
包括超声波信号的产生、多路选择及换能器等组成。超声波发送脉冲如图1所示。40 kHz的超声波发送脉冲信号由单片机PIC16C54的RA2口送出，其脉冲宽度及发送间隔均由软件控制。脉冲宽度约为125～200μs，即在一个调制脉冲内包括5～8个方波。脉冲发送间隔取决于要求测量的最大距离及测量通道数。本系统有4路测距通道，采用分时工作，按后左、后右（倒车时）和前左、前右（前进时）的顺序循环测距。若在有效测距范围内有障碍物的话，则在后一路超声波束发出之前应当接收到前一路发回的反射波，否则认为前一路无障碍物。因此按有效测距范围可以估算出最短的脉冲间隔发送时间。例如：最大测距范围为2m时，脉冲间隔时间t=2s/υ=2×2/340≈12ms，实际应取t≥12ms。发送的超声波脉冲经多路选择开关CD4052按序分别送到前左、前右、后左、后右4路发送换能器上。采用三极管S8050驱动升压器，以加大发射能力。
（二）超声波接收
由接收换能器、多路选择开关、放大及控制等电路组成。由于在距离较远的情况下，声的回波很弱，因而转换为电信号的幅值也较小，为此要求将信号放大十几万倍。系统采用多级放大，由高速精密放大器NE5532构成2级放大，放大后的交流信号经二极管D1、电容C1、三极管T1，将交流信号整形输出一个方波信号，单片机以查询方式检测方波信号，停止时间计数器，读取计数值。若增加温度检测，可以结合温度换算出的速度算出障碍物的距离，可以补偿温度对声速的影响。波速与温度关系见表1。
（三）时间计测
超声波从发射到接收的间隔时间的测定是由单片机内部的计数器来完成的。在调试过程中出现的发送部分与接收部分的直接串扰问题，是由于换能器的余震和部分声波未经障碍物就直接绕射到换能器上造成的。从发射开始一直到“虚假反射波”结束这段时间，通过软件延时避开，从而不会处理虚假方波信号，可有效躲避干扰。但也会形成所谓的“盲区”，本系统的盲区约为20cm。
（四）微机控制部分
由单片机根据倒车信号和车速信号来控制多路选择开关， 以决定后左、后右（倒车）和前左、前右（前进）4个通道分时工作的顺序。倒车时接通后方通道，行车速度低于10 km/h接通前方通道，CD4052的Y侧选择发送通道，X侧选择接收通道，由PIC16C54的RB1和RB2按顺序发出通道选择信号，接到CD4052的A、B端，使发送通道与接收通道一一对应搭铁接通。
由于受环境温度以及超声固有宽波束角等因素的影响，超声传感器所测量的值与实际值总有一些误差。本超声测距系统采用曲线拟合的最小二乘法对测量数据进行拟合，使其精度达到±4cm。
二、系统软件设计
本系统软件分两部分：主机部分和显示部分。主机程序完成系统初始化、选择通道号、控制发射、接收超声波和计数器启停、数据处理、传送等。
主机和显示部分采用自定义的通讯协议，实现单线传输，减化了主机与显示单元的线路连接。显示单元负责接受数据，在连续2次接收到相同的数据码，将此数值显示在数码管。双色发光二极管用来指示左右方位，同时单片机根据数值大小发出不同的报警声音。
三、误差分析
本系统最大测距误差在8cm左右，测距的盲区为20cm。测距误差主要来源于以下几个方面。
超声波波束对探测目标的入射角的影响。
超声波回波声强弱与待测距离的远近有直接关系，所以实际测量时，不一定是第1个回波的过零点触发。
超声波传播速度对测距的影响。稳定准确的超声波传播速度是保证测量精度的必要条件，波的传播速度取决于传播媒质的特性。传播媒质的温度、压力、密度对声速都将产生直接的影响，因此需对声速加以修正。对于测距而言，引起声速变化的主要原因是媒质温度的变化，可以采用声速预置和媒质温度测量结合的方法对声速进行修正，可有效地消除温度变化对精度的影响。
影响测量误差的因素很多，还包括现场环境干扰、时基脉冲频率等。
四、结论
本设计硬件简单，容易实现，测距范围适中。
测量误差可以控制在±4cm左右。超声测距系统显示单元和数据采集相互独立，可以同时进行，保证了测距数据的实时性。
根据本文的设计方案，已与深圳市豪恩实业有限公司合作研制出H- 008A型汽车防撞雷达产品，该产品从2004年9月份开始，在扬子牌YZK6480E2A轻型客车的顶级配置车辆上选装。简洁的系统结构，良好的电磁抗干扰能力，特别是新颖的前方障碍物自动检测功能，得到了消费者的认可。
