袁文杰 劉友葵

收稿日期：2023-08-03

DOI：10.19850/j.cnki.2096-4706.2024.05.018

摘? 要：為確保汽車倒車安全，在車內(nèi)搭載一種聲光報警裝置，以便在車輛倒車時根據(jù)實際環(huán)境給出安全提示。文章設(shè)計一種紅外反射式倒車極速聲光報警電路，該電路由紅外發(fā)射、紅外接收、信號處理、比較輸出及報警指示等構(gòu)成。其中軍用級SE555組成振蕩器實現(xiàn)紅外信號發(fā)射，工業(yè)級LM224運放組成放大及比較電路，實現(xiàn)聲光報警功能。測試結(jié)果表明，電路性能穩(wěn)定、可靠性高、反應(yīng)靈敏，能實現(xiàn)極速報警。

關(guān)鍵詞：紅外發(fā)射接收；倒車雷達；電路設(shè)計制作

中圖分類號：TP277? 文獻標(biāo)識碼：A? 文章編號：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

汽車向前開時，因為有司機“明亮”的雙眼及敏捷的雙手監(jiān)控著，只要不發(fā)生狀態(tài)的突然變化，一般不會發(fā)生重大事故。而汽車倒車時，因為與人們習(xí)慣相反，兼有倒車視覺盲區(qū)，司機不能觀察到車后的情況，經(jīng)常會發(fā)生意想不到的事故，倒車撞人、撞物等事故時有發(fā)生，造成重大的經(jīng)濟損失和人員傷亡。

早期或部分現(xiàn)有的國Ⅳ、國Ⅴ車輛，其駕駛員倒車時，主要依靠倒視鏡、駕駛者對駕駛車的熟練程度或純倒車影像（無聲）等因素來把控倒車的準確性，這種只有圖像沒有聲音的倒車很落后、被動。亟須研制出多媒體式的倒車儀器儀表，如倒車影像、光顯示報警與聲音報警（倒車雷達）等多媒體儀表，即國Ⅵ車采用圖像顯示與聲光報警系統(tǒng)，才能趕上客戶需求、新時代潮流[1]。

在這里我們僅僅討論一種紅外反射式倒車極速聲光報警電路，即光顯示報警與聲音報警（倒車雷達）功能電路的研制，該電路性價比高、性能穩(wěn)定、反應(yīng)靈敏、實用性強，能夠及時預(yù)警倒車過程中車尾與人或障礙物的距離，車輛接近后面的人或障礙物前，發(fā)出聲光報警，提示安全倒車，避免倒車時碰撞后面人或障礙物，對倒車安全起到至關(guān)重要作用。

1? 倒車極速聲光報警電路研制過程

1.1? 方框圖的確定

根據(jù)我們對電子電氣知識與技能的掌握，采用紅外發(fā)射反射接收式傳感器、結(jié)合軍用級SE555時基電路、工業(yè)級的功率推動型四運算放大器LM224等純硬件電路（不經(jīng)過中央處理器CPU、儲存器等運算處理過程），可構(gòu)成極速反應(yīng)的紅外發(fā)射反射接收式倒車極速聲光報警電路，保證倒車的及時性、準確性反饋[2]。其設(shè)計思路方框圖如圖1所示。

圖1? 紅外反射式倒車極速聲光報警電路方框圖

1.2? 原理圖組建

1.2.1? 電路構(gòu)成與主要元器件

整體電路由五部分構(gòu)成，分別是：紅外發(fā)射、紅外接收、信號處理、比較輸出和報警指示。

紅外發(fā)射：采用軍用級SE555等元件構(gòu)成多諧振蕩電路產(chǎn)生脈沖信號驅(qū)動紅外發(fā)射二極管，發(fā)出紅外信號。

紅外接收：由紅外接收二極管接收障礙物反射回來的信號。為了防止無用信號進入紅外接收二極管，特意把紅外發(fā)射二極管與紅外接收二極管做在一個“五合”腔內(nèi)，只留正面不封閉作發(fā)射與接收面。

紅外信號的處理以及比較輸出：采用工業(yè)級的LM224運算放大器及外圍元件構(gòu)成放大和比較電路。

報警指示：由三極管、蜂鳴器、三個（組）發(fā)光二極管等元件構(gòu)成[3]。

1.2.2? 用電子CAD軟件設(shè)計出原理圖

設(shè)置圖紙大小，元件庫中找出元件，放置元件，擺放元件，原理圖中元件擺放要均勻，不能太疏，也不能太密，整體布局美觀。紅外反射式倒車極速聲光報警電路的原理圖如圖2所示。

1.2.3? 工作原理與調(diào)試驗收要點

紅外發(fā)射二極管D1和紅外接收二極管D2組成反射式紅外線傳感器，D1在脈沖電壓驅(qū)動下發(fā)出紅外光束，當(dāng)傳感器逐漸向障礙物靠近時，D2將由障礙物反射回來的紅外線轉(zhuǎn)換為電信號，障礙物距離傳感器越近，反射信號越強。該反射信號經(jīng)U2A（LM224其中一個運放）放大和信號處理，送至三個比較器U2B、U2C、U2D（LM224另三個運放）后，根據(jù)信號強弱逐級驅(qū)動由三只（組）發(fā)光二極管組成的距離指示燈D7～D5，以指示距離的遠近。當(dāng)傳感器離障礙物極近時，距離指示燈三個（組）燈全亮起且蜂鳴器發(fā)出“嘟嘟”聲報警[4]。

1.2.4? 供電電源

為使整個報警電路穩(wěn)定工作，不受干擾，須使用5～15 V穩(wěn)定電源供電，我們采用LM2575降壓型開關(guān)穩(wěn)壓電源，電路如圖3所示，該開關(guān)電源電路簡單，工作時自身功耗小，輸入電壓范圍寬，抗干擾能力強，穩(wěn)壓性能好。把紅外反射式倒車極速聲光報警電路和LM2575降壓型開關(guān)穩(wěn)壓電路分別設(shè)計在兩塊電路板上，抗干擾能力極強[5]。

1.3? 原理圖轉(zhuǎn)化為電路板圖的過程

電路板（PCB）制作應(yīng)按以下要求：PCB的整體布局應(yīng)按照信號流程來安排各個功能電路單元的位置，使整體布局便于信號流通，而且使信號保持一致方向，因此發(fā)射電路單元安排在PCB板的左側(cè)，緊接著是信號處理放大電路單元和信號比較輸出電路單元，最后是報警指示電路單元[6]。元件布局要均勻、整齊、緊湊、盡量減小和縮短各元件之間的引線和連接，同時還要考慮一些特殊元件的位置，例如：紅外發(fā)射二極管和紅外接收二極管安裝在電路板的左側(cè)邊沿位置，便于紅外光的發(fā)射和接收；3個發(fā)光二極管安裝在電路板右側(cè)邊沿位置，便于觀察由于測量距離變化而引起指示燈的變化；微調(diào)電位器RP1安裝在電路板的上側(cè)邊沿位置，微調(diào)電位器RP2安裝在電路板的下側(cè)邊沿位置，這樣便于調(diào)節(jié)電位器阻值[7]。

圖3? LM2575降壓型開關(guān)穩(wěn)壓電路原理圖

另外設(shè)置好布線規(guī)則：設(shè)置安全間距，它規(guī)定了板上不同網(wǎng)絡(luò)的走線、焊盤、過孔之間必須保持的距離，一般PCB板的安全間距可設(shè)置為0.203 2～

0.304 8 mm，將安全距離設(shè)為0.254 0 mm；設(shè)置過孔內(nèi)徑和外徑的數(shù)值，信號過孔的內(nèi)外徑分別設(shè)為0.304 8、

0.609 6 mm，電源和地的過孔內(nèi)外徑稍大些，電源和地過孔的內(nèi)外徑分別設(shè)為0.609 6、1.168 4 mm；設(shè)置布線時導(dǎo)線寬度，信號線的線寬設(shè)為0.254 0 mm，電源線的線寬設(shè)為0.406 4 mm，地線的線寬設(shè)為

0.609 6 mm，盡量加寬電源地線寬度，并且地線比電源線寬，保證電路板的電氣性能；盡可能采用45°的折線布線，不可使用90°折線[8]。最后得出紅外反射式倒車極速聲光報警電路印制電路板圖，如圖4所示，以及LM2575降壓型開關(guān)穩(wěn)壓電路印制電路板圖如圖5所示。

圖4? 紅外反射式倒車極速聲光報警電路印制電路板圖

圖5? LM2575降壓型開關(guān)穩(wěn)壓電路印制電路板圖

1.4? 電路元件實物安裝焊接要點

1.4.1? 安裝要點

安裝時先用萬用表對每個元器件進行檢測，確保元器件良好后即可進行主板及開關(guān)電源板插件、安裝及焊接。安裝、焊接可用分級插件、焊接方法進行。電子元件在安裝到電路板上時，必須先對元件的引腳進行整形，以適應(yīng)安裝尺寸[9]。

電子元器件插裝的原則：先低后高，先小后大，先輕后重，電子元器件的標(biāo)記和色碼部位應(yīng)朝上，以便于辨認；電路板上元器件之間的距離應(yīng)大于1 mm，引腳間距離要大于2 mm；電阻采用臥式安裝，離板面高度不能超過1.5 mm；滌綸電容采用立式安裝，離板面高度不能超過5 mm；電解電容采用立式安裝，高度小于20 mm的電解電容離板面安裝高度不能超過1.5 mm，高度大于20 mm的電解電容必須貼近板面；三極管采用立式安裝，離板面高度不能超過5 mm；集成塊的安裝，先安裝集成塊底座，然后再將集成塊插裝在底座上，底座應(yīng)貼近板面安裝；紅外發(fā)射二極管和紅外接收二極管采用臥式安裝，管的方向朝板的左前方，盡量貼近板面安裝；3個發(fā)光二極管采用立式安裝，離板面高度不能超過0.3 mm [10]。

全部元器件按電路板焊盤實際距離進行彎腳、插件、焊接。焊接注意要點：焊點表面光滑無毛刺，焊點

要牢靠，防止焊點虛焊假焊，最后修剪管腳，插上IC。

1.4.2? 安裝完成后檢查要點

SE555的2、6腳互相接通并連通RC回路，第7腳也接通對應(yīng)的RC回路。主器件LM224中的U2A為1/4運放，組成信號處理電路，其外接的精密多圈電位器RP1為靈敏度調(diào)節(jié)，U2A的輸出至下級的比較器輸入端。比較器及報警指示電路的主器件LM224的反相輸入引腳13、9、6腳連在一起再與前級的信號處理電路相連，而LM224同相引腳12、10、5腳則由+5V電源、RP2及分壓電阻R14、R15、R16提供不同的電壓，調(diào)節(jié)電路中的精密多圈電位器RP1可調(diào)整電路靈敏度，而調(diào)節(jié)精密多圈電位器RP2可在一定范圍內(nèi)調(diào)節(jié)測距距離[11]。

1.5? 新安裝的電路調(diào)試檢測

1.5.1? 檢查方法

目測檢查：首先不接電源對整塊電路板進行目測檢查，檢查有無元器件焊接不良或其他異常情況。若目測檢查沒問題，則用萬用表進一步檢查。

萬用表電阻檔檢查：用萬用表10 Ω歐電阻檔測量紅外發(fā)射電路，保證SE555的第4、8腳接電源+5 V端，即4、8腳與電源+5 V端電阻為0歐，保證第1腳接地，即第1腳與地（GND）電阻為0歐，同時檢查2、6腳互相接通并連通RC回路，第7腳也接通對應(yīng)的RC回路；保證接收級的LM224的第4腳與電源端電阻為0 Ω，以及11腳與地端電阻為0 Ω [12]。

通電檢查：把電路接上5 V電源，用萬用表DC直流電壓檔的10 V檔測量SE555的第4、8腳電壓為+5 V，第1腳電壓為0 V，測量LM224的第4腳電壓為+5 V，第11腳電壓為0 V。用示波器觀察SE555第3腳輸出的發(fā)射信號，若觀察到方波信號，則說明紅外發(fā)射電路工作正常，并用示波器相應(yīng)檔位測量紅外接收二極管接收到的信號，若能測量到相應(yīng)的信號，說明紅外接收電路工作正常。用手掌或板型物品（模擬障礙物）正對著紅外線發(fā)射二極管D1和紅外接收二極管D2組成的反射式紅外線傳感器，調(diào)整“障礙物”與發(fā)射管之間距離，即用手掌或板型物品（模擬障礙物）由遠至近遮擋紅外發(fā)射及接收二極管，當(dāng)正常情況下，發(fā)光管D7一（或一組）燈先亮、然后D7與D6兩（或兩組）燈亮、最后D7、D6、D5三（或三組）燈全亮并且蜂鳴器報警[13]。

1.5.2? 排查問題

假若燈（燈組）不亮，則檢查SE555構(gòu)成的振蕩電路有無產(chǎn)生方波信號，應(yīng)使用示波器觀察SE555的第3腳波形，若SE555的第3管腳無輸出，則檢查SE555及外圍元件，如SE555器件是否變值、R1、R2阻值、C1電容值是否變值。若SE555的第3管腳輸出正常方波，證明以SE555為核心的振蕩級電路工作正常，則用示波器檢測紅外接收二極管能否接收到紅外信號，若不能接收到紅外信號，則檢查紅外發(fā)射二極管、紅外接收二極管和電阻R4。若紅外接收二極管能接收到紅外信號，而燈（燈組）不亮，是下一級的信號處理電路或比較電路出問題，檢查LM224以及外圍元件是否損壞，可更換一塊正常IC試用并測量，注意重點測量LM224的電源腳的電壓是否正常。若移動“障礙物”、改變其與紅外傳感器的距離，U2A的輸入、輸出腳電壓發(fā)生變化，證明信號處理放大級工作正常[14]。

若調(diào)節(jié)電位器RP2，LM224中的3個比較器的輸出會改變，證明3個比較器工作正常，根據(jù)運算放大器組成的比較器工作原理，3個比較器的工作過程基本相同，圖2中LM224的U2B、U2C、U2D等比較器的同相輸入腳設(shè)置了不同的電壓，當(dāng)調(diào)節(jié)RP2時對應(yīng)3個同相輸入腳電位發(fā)生變化，或者當(dāng)障礙物由遠至近時，由于U2B、U2B、U2D三個比較器的反相輸入腳因為并聯(lián)在一起，因此3個比較器的反相輸入腳的電位同時發(fā)生相同的變化量，但因為同相輸入腳各設(shè)定的電位不同（見同相輸入腳處），輸入電壓與設(shè)定電壓相互比較后，其各自的輸出腳電壓（電位）也不同，只有輸出腳為低電位時其對應(yīng)的LED燈或燈組才會發(fā)亮，而對于U2B的輸出腳7，只有當(dāng)“障礙物非常近距離時”，則7腳變?yōu)榈碗娢?，同時引發(fā)相關(guān)三極管導(dǎo)通、并使蜂鳴器發(fā)生報警聲，證明比較級電路正常工作。而LM224的外圍元件好壞，我們可通過萬用表電阻檔測量元件是否變值，并借助示波器逐級由前向后檢查，直到檢出問題所在，并修復(fù)電路。

若電路靈敏度低，可調(diào)節(jié)電路中的精密多圈（10～20圈）電位器RP1，使靈敏度調(diào)至最佳值。若改變倒車測距聲光報警距離，可調(diào)節(jié)精密多圈（10～20圈）電位器RP2使反應(yīng)距離調(diào)至最佳值[15]。

1.6? 電路測試驗收結(jié)果

電路整機經(jīng)過調(diào)試檢測運行老化試驗、一切正常，其工作過程應(yīng)該是：隨著電路板離障外物越來越近，1個（組）燈亮再到2個（組）燈亮，最后3個（組）燈全亮并且發(fā)出報警。電路靈敏度高，可靠性強，工作性能穩(wěn)定[16]，電路測試如圖6所示。

2? 結(jié)? 論

本文詳細介紹紅外反射式倒車極速聲光報警電路的組成，同時詳細分析了電路工作原理，在此基礎(chǔ)上進一步介紹電路板制作、電路安裝要點、電路調(diào)試檢測方法以及電路性能測試。通過反復(fù)測試的結(jié)果表明，紅外反射式倒車極速聲光報警電路具有電路簡單、工作穩(wěn)定、反應(yīng)靈敏、易于實現(xiàn)等優(yōu)點，具有障礙物測距指示報警功能，從而滿足汽車倒車指示報警要求。實際應(yīng)用表明，紅外反射式倒車極速聲光報警電路不僅用于汽車倒車報警方面，也可用于各種測距報警場合，或用作職業(yè)院校電子電氣或機電類專業(yè)師生作為工學(xué)結(jié)合一體化教學(xué)的典型教學(xué)案例。

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作者簡介：袁文杰（1968—），男，漢族，廣東興寧人，電子高級實習(xí)指導(dǎo)教師，電氣工程師，本科，研究方向：電工電子、電氣自動化的教學(xué)與研究；劉友葵（1963—），男，漢族，廣東肇慶人，電子高級理實一體化教師，電子工程師，本科，研究方向：電工電子、電氣工程等領(lǐng)域的教學(xué)教研與設(shè)備制造科研。