收稿日期：2023-08-03
DOI：10.19850/j.cnki.2096-4706.2024.05.018
摘" 要：为确保汽车倒车安全，在车内搭载一种声光报警装置，以便在车辆倒车时根据实际环境给出安全提示。文章设计一种红外反射式倒车极速声光报警电路，该电路由红外发射、红外接收、信号处理、比较输出及报警指示等构成。其中军用级SE555组成振荡器实现红外信号发射，工业级LM224运放组成放大及比较电路，实现声光报警功能。测试结果表明，电路性能稳定、可靠性高、反应灵敏，能实现极速报警。
关键词：红外发射接收；倒车雷达；电路设计制作
中图分类号：TP277" 文献标识码：A" 文章编号：2096-4706（2024）06-0081-05
Research on an Infrared Reflective Reverse Top Speed Sound and Light Alarm Circuit
YUAN Wenjie， LIU Youkui
（Zhaoqing Technician Institute， Zhaoqing" 526060， China）
Abstract： To ensure the safety of car reversing， a sound and light alarm device is installed inside the car to provide safety reminders based on the actual environment when reversing. This paper designs an infrared reflective reverse top speed sound and light alarm circuit， which consists of infrared emission， infrared reception， signal processing， comparison output， alarm indication and other components. The military grade SE555 oscillator is used to transmit infrared signals， while the industrial grade LM224 operational amplifier is used to amplify and compare circuits， achieving sound and light alarm functions. The test results show that the circuit has stable performance， high reliability， sensitive response， and can achieve high-speed alarm.
Keywords： infrared transmitting and receiving; reversing radar; circuit design and production
0" 引" 言
汽车向前开时，因为有司机“明亮”的双眼及敏捷的双手监控着，只要不发生状态的突然变化，一般不会发生重大事故。而汽车倒车时，因为与人们习惯相反，兼有倒车视觉盲区，司机不能观察到车后的情况，经常会发生意想不到的事故，倒车撞人、撞物等事故时有发生，造成重大的经济损失和人员伤亡。
早期或部分现有的国Ⅳ、国Ⅴ车辆，其驾驶员倒车时，主要依靠倒视镜、驾驶者对驾驶车的熟练程度或纯倒车影像（无声）等因素来把控倒车的准确性，这种只有图像没有声音的倒车很落后、被动。亟须研制出多媒体式的倒车仪器仪表，如倒车影像、光显示报警与声音报警（倒车雷达）等多媒体仪表，即国Ⅵ车采用图像显示与声光报警系统，才能赶上客户需求、新时代潮流[1]。
在这里我们仅仅讨论一种红外反射式倒车极速声光报警电路，即光显示报警与声音报警（倒车雷达）功能电路的研制，该电路性价比高、性能稳定、反应灵敏、实用性强，能够及时预警倒车过程中车尾与人或障碍物的距离，车辆接近后面的人或障碍物前，发出声光报警，提示安全倒车，避免倒车时碰撞后面人或障碍物，对倒车安全起到至关重要作用。
1" 倒车极速声光报警电路研制过程
1.1" 方框图的确定
根据我们对电子电气知识与技能的掌握，采用红外发射反射接收式传感器、结合军用级SE555时基电路、工业级的功率推动型四运算放大器LM224等纯硬件电路（不经过中央处理器CPU、储存器等运算处理过程），可构成极速反应的红外发射反射接收式倒车极速声光报警电路，保证倒车的及时性、准确性反馈[2]。其设计思路方框图如图1所示。
图1" 红外反射式倒车极速声光报警电路方框图
1.2" 原理图组建
1.2.1" 电路构成与主要元器件
整体电路由五部分构成，分别是：红外发射、红外接收、信号处理、比较输出和报警指示。
红外发射：采用军用级SE555等元件构成多谐振荡电路产生脉冲信号驱动红外发射二极管，发出红外信号。
红外接收：由红外接收二极管接收障碍物反射回来的信号。为了防止无用信号进入红外接收二极管，特意把红外发射二极管与红外接收二极管做在一个“五合”腔内，只留正面不封闭作发射与接收面。
红外信号的处理以及比较输出：采用工业级的LM224运算放大器及外围元件构成放大和比较电路。
报警指示：由三极管、蜂鸣器、三个（组）发光二极管等元件构成[3]。
1.2.2" 用电子CAD软件设计出原理图
设置图纸大小，元件库中找出元件，放置元件，摆放元件，原理图中元件摆放要均匀，不能太疏，也不能太密，整体布局美观。红外反射式倒车极速声光报警电路的原理图如图2所示。
1.2.3" 工作原理与调试验收要点
红外发射二极管D1和红外接收二极管D2组成反射式红外线传感器，D1在脉冲电压驱动下发出红外光束，当传感器逐渐向障碍物靠近时，D2将由障碍物反射回来的红外线转换为电信号，障碍物距离传感器越近，反射信号越强。该反射信号经U2A（LM224其中一个运放）放大和信号处理，送至三个比较器U2B、U2C、U2D（LM224另三个运放）后，根据信号强弱逐级驱动由三只（组）发光二极管组成的距离指示灯D7～D5，以指示距离的远近。当传感器离障碍物极近时，距离指示灯三个（组）灯全亮起且蜂鸣器发出“嘟嘟”声报警[4]。
1.2.4" 供电电源
为使整个报警电路稳定工作，不受干扰，须使用5～15 V稳定电源供电，我们采用LM2575降压型开关稳压电源，电路如图3所示，该开关电源电路简单，工作时自身功耗小，输入电压范围宽，抗干扰能力强，稳压性能好。把红外反射式倒车极速声光报警电路和LM2575降压型开关稳压电路分别设计在两块电路板上，抗干扰能力极强[5]。
1.3" 原理图转化为电路板图的过程
电路板（PCB）制作应按以下要求：PCB的整体布局应按照信号流程来安排各个功能电路单元的位置，使整体布局便于信号流通，而且使信号保持一致方向，因此发射电路单元安排在PCB板的左侧，紧接着是信号处理放大电路单元和信号比较输出电路单元，最后是报警指示电路单元[6]。元件布局要均匀、整齐、紧凑、尽量减小和缩短各元件之间的引线和连接，同时还要考虑一些特殊元件的位置，例如：红外发射二极管和红外接收二极管安装在电路板的左侧边沿位置，便于红外光的发射和接收；3个发光二极管安装在电路板右侧边沿位置，便于观察由于测量距离变化而引起指示灯的变化；微调电位器RP1安装在电路板的上侧边沿位置，微调电位器RP2安装在电路板的下侧边沿位置，这样便于调节电位器阻值[7]。
图3" LM2575降压型开关稳压电路原理图
另外设置好布线规则：设置安全间距，它规定了板上不同网络的走线、焊盘、过孔之间必须保持的距离，一般PCB板的安全间距可设置为0.203 2～
0.304 8 mm，将安全距离设为0.254 0 mm；设置过孔内径和外径的数值，信号过孔的内外径分别设为0.304 8、
0.609 6 mm，电源和地的过孔内外径稍大些，电源和地过孔的内外径分别设为0.609 6、1.168 4 mm；设置布线时导线宽度，信号线的线宽设为0.254 0 mm，电源线的线宽设为0.406 4 mm，地线的线宽设为
0.609 6 mm，尽量加宽电源地线宽度，并且地线比电源线宽，保证电路板的电气性能；尽可能采用45°的折线布线，不可使用90°折线[8]。最后得出红外反射式倒车极速声光报警电路印制电路板图，如图4所示，以及LM2575降压型开关稳压电路印制电路板图如图5所示。
图4" 红外反射式倒车极速声光报警电路印制电路板图
图5" LM2575降压型开关稳压电路印制电路板图
1.4" 电路元件实物安装焊接要点
1.4.1" 安装要点
安装时先用万用表对每个元器件进行检测，确保元器件良好后即可进行主板及开关电源板插件、安装及焊接。安装、焊接可用分级插件、焊接方法进行。电子元件在安装到电路板上时，必须先对元件的引脚进行整形，以适应安装尺寸[9]。
电子元器件插装的原则：先低后高，先小后大，先轻后重，电子元器件的标记和色码部位应朝上，以便于辨认；电路板上元器件之间的距离应大于1 mm，引脚间距离要大于2 mm；电阻采用卧式安装，离板面高度不能超过1.5 mm；涤纶电容采用立式安装，离板面高度不能超过5 mm；电解电容采用立式安装，高度小于20 mm的电解电容离板面安装高度不能超过1.5 mm，高度大于20 mm的电解电容必须贴近板面；三极管采用立式安装，离板面高度不能超过5 mm；集成块的安装，先安装集成块底座，然后再将集成块插装在底座上，底座应贴近板面安装；红外发射二极管和红外接收二极管采用卧式安装，管的方向朝板的左前方，尽量贴近板面安装；3个发光二极管采用立式安装，离板面高度不能超过0.3 mm [10]。
全部元器件按电路板焊盘实际距离进行弯脚、插件、焊接。焊接注意要点：焊点表面光滑无毛刺，焊点
要牢靠，防止焊点虚焊假焊，最后修剪管脚，插上IC。
1.4.2" 安装完成后检查要点
SE555的2、6脚互相接通并连通RC回路，第7脚也接通对应的RC回路。主器件LM224中的U2A为1/4运放，组成信号处理电路，其外接的精密多圈电位器RP1为灵敏度调节，U2A的输出至下级的比较器输入端。比较器及报警指示电路的主器件LM224的反相输入引脚13、9、6脚连在一起再与前级的信号处理电路相连，而LM224同相引脚12、10、5脚则由+5V电源、RP2及分压电阻R14、R15、R16提供不同的电压，调节电路中的精密多圈电位器RP1可调整电路灵敏度，而调节精密多圈电位器RP2可在一定范围内调节测距距离[11]。
1.5" 新安装的电路调试检测
1.5.1" 检查方法
目测检查：首先不接电源对整块电路板进行目测检查，检查有无元器件焊接不良或其他异常情况。若目测检查没问题，则用万用表进一步检查。
万用表电阻档检查：用万用表10 Ω欧电阻档测量红外发射电路，保证SE555的第4、8脚接电源+5 V端，即4、8脚与电源+5 V端电阻为0欧，保证第1脚接地，即第1脚与地（GND）电阻为0欧，同时检查2、6脚互相接通并连通RC回路，第7脚也接通对应的RC回路；保证接收级的LM224的第4脚与电源端电阻为0 Ω，以及11脚与地端电阻为0 Ω [12]。
通电检查：把电路接上5 V电源，用万用表DC直流电压档的10 V档测量SE555的第4、8脚电压为+5 V，第1脚电压为0 V，测量LM224的第4脚电压为+5 V，第11脚电压为0 V。用示波器观察SE555第3脚输出的发射信号，若观察到方波信号，则说明红外发射电路工作正常，并用示波器相应档位测量红外接收二极管接收到的信号，若能测量到相应的信号，说明红外接收电路工作正常。用手掌或板型物品（模拟障碍物）正对着红外线发射二极管D1和红外接收二极管D2组成的反射式红外线传感器，调整“障碍物”与发射管之间距离，即用手掌或板型物品（模拟障碍物）由远至近遮挡红外发射及接收二极管，当正常情况下，发光管D7一（或一组）灯先亮、然后D7与D6两（或两组）灯亮、最后D7、D6、D5三（或三组）灯全亮并且蜂鸣器报警[13]。
1.5.2" 排查问题
假若灯（灯组）不亮，则检查SE555构成的振荡电路有无产生方波信号，应使用示波器观察SE555的第3脚波形，若SE555的第3管脚无输出，则检查SE555及外围元件，如SE555器件是否变值、R1、R2阻值、C1电容值是否变值。若SE555的第3管脚输出正常方波，证明以SE555为核心的振荡级电路工作正常，则用示波器检测红外接收二极管能否接收到红外信号，若不能接收到红外信号，则检查红外发射二极管、红外接收二极管和电阻R4。若红外接收二极管能接收到红外信号，而灯（灯组）不亮，是下一级的信号处理电路或比较电路出问题，检查LM224以及外围元件是否损坏，可更换一块正常IC试用并测量，注意重点测量LM224的电源脚的电压是否正常。若移动“障碍物”、改变其与红外传感器的距离，U2A的输入、输出脚电压发生变化，证明信号处理放大级工作正常[14]。
若调节电位器RP2，LM224中的3个比较器的输出会改变，证明3个比较器工作正常，根据运算放大器组成的比较器工作原理，3个比较器的工作过程基本相同，图2中LM224的U2B、U2C、U2D等比较器的同相输入脚设置了不同的电压，当调节RP2时对应3个同相输入脚电位发生变化，或者当障碍物由远至近时，由于U2B、U2B、U2D三个比较器的反相输入脚因为并联在一起，因此3个比较器的反相输入脚的电位同时发生相同的变化量，但因为同相输入脚各设定的电位不同（见同相输入脚处），输入电压与设定电压相互比较后，其各自的输出脚电压（电位）也不同，只有输出脚为低电位时其对应的LED灯或灯组才会发亮，而对于U2B的输出脚7，只有当“障碍物非常近距离时”，则7脚变为低电位，同时引发相关三极管导通、并使蜂鸣器发生报警声，证明比较级电路正常工作。而LM224的外围元件好坏，我们可通过万用表电阻档测量元件是否变值，并借助示波器逐级由前向后检查，直到检出问题所在，并修复电路。
若电路灵敏度低，可调节电路中的精密多圈（10～20圈）电位器RP1，使灵敏度调至最佳值。若改变倒车测距声光报警距离，可调节精密多圈（10～20圈）电位器RP2使反应距离调至最佳值[15]。
1.6" 电路测试验收结果
电路整机经过调试检测运行老化试验、一切正常，其工作过程应该是：随着电路板离障外物越来越近，1个（组）灯亮再到2个（组）灯亮，最后3个（组）灯全亮并且发出报警。电路灵敏度高，可靠性强，工作性能稳定[16]，电路测试如图6所示。
2" 结" 论
本文详细介绍红外反射式倒车极速声光报警电路的组成，同时详细分析了电路工作原理，在此基础上进一步介绍电路板制作、电路安装要点、电路调试检测方法以及电路性能测试。通过反复测试的结果表明，红外反射式倒车极速声光报警电路具有电路简单、工作稳定、反应灵敏、易于实现等优点，具有障碍物测距指示报警功能，从而满足汽车倒车指示报警要求。实际应用表明，红外反射式倒车极速声光报警电路不仅用于汽车倒车报警方面，也可用于各种测距报警场合，或用作职业院校电子电气或机电类专业师生作为工学结合一体化教学的典型教学案例。
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作者简介：袁文杰（1968—），男，汉族，广东兴宁人，电子高级实习指导教师，电气工程师，本科，研究方向：电工电子、电气自动化的教学与研究；刘友葵（1963—），男，汉族，广东肇庆人，电子高级理实一体化教师，电子工程师，本科，研究方向：电工电子、电气工程等领域的教学教研与设备制造科研。
