红外感应式语音门铃电路设计东油课程设计.doc

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1、 东 北 石 油 大 学 课 程 设 计 2013年3月1日 东北石油大学光电检测课程设计第1章 概述1.1目的及意义激光具有良好的单色性和相关性，因此，在精密计量、光通信、光频标、高分辨光谱学等领域中得到了广泛的应用。门铃历史悠久，现代社会最常见的是电子门铃。门铃的类型由有线门铃发展为无线 门铃，由单纯的音乐门铃发展到对讲门铃，遥控门铃，可视门铃等。随着经济的发展， 门铃也已经不单纯作为居家提醒来客的工具了。善于创新的人类会去思考，门铃是否可 以用来提醒主宾双方，是否可以既用于迎宾又用于防盗。感应门铃就是在这种探索中产生。感应门铃又称迎宾器，是近年才有的常用于小型商铺，超市起迎宾防盗作用的电

2、子 产品。感应门铃的前身是电子防盗报警器；事先人们用它来防盗的，但后来因为电子防 盗报警器发出的声音是刺耳的报警声，对进店的顾客产生消极的影响，后来演变成比较 悦耳的声音，特别是：叮咚声，您好，欢迎光临等音效备受用户的青睐，顾客一进门就报出欢迎语音，起到了礼貌问候，从而做到提醒店员有人进店和迎宾的两重作用。感应门铃分光感应式和红外感应式。光感门铃是利用人体反射光线，光敏电阻得到 足够大变化的光线，电路产生变化电流触发电路，灵敏度跟物体反射率有关。但光感迎 宾器与环境光照度有关，黑暗情况下不能正常使用。常见红外感应式门铃使用红外热释 电传感器，本身不发射任何信号，当接收到人体辐射的特定红外线中心

3、波长信号时，才会触发电路。光感应式的价格便宜，但是误报率高，因为的传感核心是光敏电阻，光敏电阻对可见 光大部分波长都反应变化，故光线变化可能会触发迎宾器反应。红外感应式的相比价格 较高，但优点误报极少，加上前面的菲涅尔透镜窗口，从而将误报率降至最低。红外式 采用先进微电脑制造技术，无论白天黑夜都可正常使用，即可做迎宾器使用，也可做独 立报警器使用。性能卓越，节能易用，灵敏度强，更适合市场的需要，更贴近消费者的 生活内容，办公写字楼、家居、商店、工厂等各种场合均可使用，带来方便之余，更带来意想不到的快乐和安全感。红外感应式技术的核心就是红外探测器。红外探测器是一种将不可见的红外辐射转 换成可测量

4、的信号的光敏器件。探测器作为红外整机系统的核心关键部件，探测、识别和分析红外信息。一个完整的红外探测器包括红外敏感元件、红外辐射入射窗口、外壳、 电极引出线以及按需要而加的场镜、浸没透镜、滤光片等。按工作机理分为热探测器和光子探测器两大类。热释电红外传感器就是热探测器的一种。本次设计就是要根据现有红外感应门铃技术，在掌握其设计原理的基础上，利用红外探测器加上必要的芯片及元器件，制作一个简易实用廉价的感应门铃。1.2基本内容和设计方案1.2.1基本内容1）了解红外感应探测技术，重点掌握热释电红外传感器的原理，掌握常用逻辑芯片及独立元器件的应用情况，熟悉常见红外感应器件的性能参数。了解语音芯片的型

5、号及存储内容。了解可能使用的常见芯片及独立元器件的价格。2）根据理论知识及实际需要与成本限制，分析需要使用的模块，构建完整模型，进行模块分析，设计出合理完善的技术方案，另外注意功能的拓展功能实现的难易程度，及拓展模块与原电路的兼容性。3）根据所设计的方案，完成电路仿真。1.2.2 技术方案本方案设想用于商铺门口，当有顾客进入时，门铃自动响起悦耳的音乐，提醒店主 有人进入并起欢迎顾客的作用。而在顾客离去时，门铃不发声。并且电路应具有一定的 东北石油大学光电检测课程设计拓展空间，以便后续实现附加功能。在探测模块，预选用热释电红外探测模块，只对人体发出的特定红外波长有感应效果，屏蔽了其他外界影响引起

6、的误报。由于要确定顾客的行走方向，故需要两个探测感应模块，根据信号产生的先后顺序来判别是进还是出。在控制模块，使用门电路，触发器和独立元器件，通过组合，使控制电路可以根据探测模块产生的不同信号来判别顾客的进出，从而产生不同的控制信号，得到不同的响应功能。在发声模块，采用内置特定音乐的音乐芯片，搭配小功率喇叭，实现发声功能。这里使用“请开门”的语音芯片也可以使用的音乐芯片等。在供电模块，采用 5V直流电源供电。功能实现后可考虑增加拓展模块，如当顾客出门时发出另一种提示音，或者在商铺无人时，模式改为报警门铃等。1.3课题研究的主要内容本次课题研究内容就是要根据现有的已市场化的感应门铃的制造原理，在

7、掌握感应技术，特别是红外感应技术的基础上，采用红外探测模块加上必要的芯片及元器件，设计一个简易实用廉价的感应式门铃。要求重点在于掌握设计原理，并将书本所学与实际结合起来，提高实践能力，熟悉电路设计的基本流程与方法，熟悉常用电子元器件、芯片的参数并能熟练使用它们，熟练运用Protel软件对电路进行仿真。通过研究设计感应式门铃，熟悉感应探测技术的具体应用，为以后的科研和制作积累经验。 东北石油大学光电检测课程设计摘 要论文主要研究了红外感应技术在日常生活中的典型应用，即感应式门铃。通过对它的 研究，掌握红外传感器的基本原理，电路设计制作流程以及常用元器件的应用情况。研究结果表明：关键词：感应技术；

8、热释电红外传感器；D触发器；红外感应式门铃AbstractThe paper is based on grasping the pyroelectric infrared sensors basic principles and basic analog circuits, digital circuit theory of knowledge (including non-gate,D flip-flop, transistors, capacitors, resistors, speakers, etc.). Then it introduces a new infrared detect

9、ion module HN911 and the common usage of the D flip-flopCD4013. On this basis, using them to design a infrared sensing doorbell which places shops door to meet customers. According to case that customers pass in and out, it can make different reaction. Final, we use Protel to simulation experimental

10、 test. The simulation result shows that the design has good effect. There is no mistake if only a little outside interference. But the continuous sound time of speaker is shorter than the theoretical value of 0.2 seconds, error of 9%. It does not affect the circuit.The paper mainly studies the typic

11、al application of infrared sensing technology in the daily lifesensing doorbell. Through this research, we should master the basic principle of infrared sensing technology, circuit design process and components application.The results show that this paper describes the circuit design to achieve the

12、desired requirements. Ones the people entering the shop, the speaker immediately issued greeting. And the doorbell isnt prompted when the people leave. The characteristics of this paper is: a simple circuit structure, easy to understand the principles and produce, have functional development. Overal

13、l, this paper describes the circuit design can meet the design requirements. For beginners to understand sensing doorbell, further deepening the theoretical knowledge and improve practical ability with a certain value.Key Words: Sensing technology ; Pyroelectric infrared sensors ; D flip-flop ; Infr

14、ared sensing doorbell. 东北石油大学光电检测课程设计第2章 感应门的基本原理当今社会感应技术发展迅速，目前常用的感应技术有红外感应，压力感应，电感应， 磁感应，光感应，热感应，微波感应，气体感应等等。各种不同的感应技术都有各自的应 用领域，而且呈现越来越广泛的趋势。总的来说，感应技术的基本原理就是自动对特定的 外界信号（包括物理、化学、生物等方面的各种信号）产生预定响应。2.1热释电传感器红外传感器可分为两类：主动式红外传感器和被动式红外传感器。2.1.1热释电红外传感器概述热释电红外传感器也称热释电传感器，是一种被动式调制型温度敏感器。在电路原理图中，通常采用字母“PI

15、R”表示。传感器本身不发射任何能量而只被动接收、探测来自环境的红外辐射。传感器安装后数秒种已适应环境，在无人或动物进入探测区域时，现场的红外辐射稳定不变，一旦有人体红外线辐射进来，经光学系统聚焦就使热释电器件产生突变电信号，而发出警报。被动红外传感器形成的警戒线一般可以达到数十米。被动式红外传感器主要由光学系统、热传感器（或称为红外传感器）等部分组成。其核心是红外探测器件，通过关学系统的配合作用可以探测到某个立体防范空间内的热辐射的变化。红外传感器的探测波长范围是814m，人体辐射的红外峰值波长约为 10m， 正好在范围以内。被动式红外传感器（Passive Infared Detector，

16、PIR）根据其结构不同、警戒范围及探测距离也有所不同，大致可以分为单波束型和多波束型两种。单波束PIR采用反射聚焦式光学系统，利用曲面反射镜将来自目标的红外辐射汇聚在红外传感器上。这种方式的传感器境界视场角较窄，一般在 5 以下，但作用距离较远，可长达百米。因此又称为直线远距离控制型被动红外传感器，适合保护狭长的走廊、通道以及封锁门窗和围墙。多波束 型采用透镜聚焦式光学系统，目前大都采用红外塑料透镜多层光束结构的菲涅尔透 镜。这种透镜是用特殊塑料一次成型，若干个小透镜排列在一个弧面上。警戒范围在不同 方向呈多个单波束状态，组成立体扇形感热区域，构成立体警戒。菲涅尔透镜自上而下分 为几排，上面透

17、镜较多，下边较少。因为人脸部、膝部、手臂红外辐射较强，正好对着上 边的透镜。下边透镜较少，一是因为人体下部红外辐射较弱，二是为防止地面小动物红外辐射干扰。多波束型 PIR 的警戒视场角比单波束型大得多，水平可以大于 90 ，垂直视场角最大也可以达到90，但作用距离较近。所有透镜都向内部设置的热释电器件聚焦，因此灵敏度较高，只要有人在透镜视场内走动就会输出有效信号。为了解决物品遮挡问题，又发明了吸顶式被动红外传感器。安装在顶棚上向下 360范围内进行探测。只要在防护范围内，无论从哪个方向进入都会触发电路，在银行营业大 厅，商场的公共活动区等空间较大的地方得到广泛使用。被动式红外传感器由于探测性能

18、好、易于布防、价格便宜而被广泛应用。其缺点是相 对于主动式传感器误报率较高。感应式门铃的应用范围和设计要求决定了它应该是具有一个面的探测范围，而且应该只对人体产生有效信号，这就排除了主动式红外传感器。再根据单波束和多波束 PIR 的比较，综合考虑，决定使用被动式多波束型红外传感器。热释电红外传感器就是这种类型的传感器。东北石油大学光电检测课程设计2.1.2 红外辐射 热释电效应红外辐射：红外辐射的物理本质是热辐射，它是由于物体热释电红外传感器结构 东北石油大学光电检测课程设计 图2-2 热释电红外传感器结构及内部电路光学滤镜的主要作用是只允许波长在10m左右的红外线（人体发出的红外线波长）通过

19、，而将灯光、太阳光及其他辐射滤除掉，以抑制外界干扰。红外感应源通常由两个串联或者并联的热释电元件组成。这两个热释电元件的电极相反，环境背景辐射对两个热释电元件几乎具有相同的作用，使其产生的热释电效应相互抵消，输出信号接近为零。一旦有人进入探测区域内，人体辐射的红外线就会通过部分镜面聚焦，并被热释电元件接收。不过由于角度不同，两片热释电元件接收到的热量不同，热释电能量也不同，不能抵消，经处理电路处理后输出控制信号。热释电元件输出的是微弱电信号，不能直接使用，需要用电阻将其转换为电压形式，该电阻阻抗高达104M，故引入N沟道结型场效应管接成共漏形式来完成阻抗变换。热释电红外传感器由陶瓷氧化物或压电

20、晶体元件组成，在元件两个表面做成电极，在传感器监测范围内温度有T的变化时，热释电效应会在两个电极上产生电荷Q，即在两电极之间产生一微弱的电压V。热释电效应所产生的电荷Q会被空气中的离子所结合而消失，即当环境温度稳定不变时，T=0，传感器无输出。我们一般口中所述的红外探头中有两个关键性的器件：一个是热释电红外传感器。它能将波长为812m之间的红外信号的变化转变为电信号，并对自然界中的可见光信号具有抑制作用。因此在红外探测器的有效感应区内，当无人体移动时，热释电红外传感器感应到的只是背景温度，没有信号变化，所以不能产生电信号；当人体进人感应区，通过菲涅尔透镜，热释电红外传感器感应到的是人体温度与背

21、景温度的差异信号，此时产生电信号。另外一个器件就是菲涅尔透镜。菲涅尔透镜一般固定在红外传感器正前方15cm的地方。它具有聚焦，即将热释电的红外信号反射在红外传感器上的作用，还能将感应区内分为若干个明区和暗区，使进入感应区的移动物体能以温度变化的形式在热释电红外传感器上产生变化热释红外信号，这样热释电红外传感器产生变化的电信号，后续电路经检测处理后产生可用信号。2.1.4 热释电红外传感器的材料、类别及特性热释电红外传感器的制作材料以陶瓷氧化物和压电晶体为最多，如PbTiO（钛酸铅）、LiTaO33（钽酸锂）、LATGS（硫酸三甘肽）、PZT（锆钛酸铅）等。这类材料具有强烈的自发极化特性，平时靠

22、捕获大气中的浮游电荷保持平衡，当受到热辐射而产生温度变化时，介质的极化状态将随之变化。由于表面电荷的变化速度远远小于内部电荷的变化速度，内、外层电荷会出现“失步”现象，即在表面电荷重新达到平衡的短暂时间内，将出现独立的电荷。这就是电介质的热释电效应。 东北石油大学光电检测课程设计热释电红外传感器按常见的热释电红外传感器外形及各引脚功能2.1.5 热释电红外传感器的输出信号特性及优缺点热释电红外传感器输出电信号的幅度和频率主要决定于：目标人体的温度、探测区域背景、人体离传感器的距离、人体移动的速度、光学透镜系统的焦距和设计样式。人体温度和探测区域背景的温差越大，离传感器越近，输出电信号的幅值将越

23、大。双敏感元热释电传感器配合菲涅尔光学透镜使用时，输出信号波形电压峰峰值约为1mV，频率可由下列公式2-1计算：f=Vbfb2psL （2-1） 其中：f是输出信号频率（Hz），Vb是人体移动速度（m/s），fb是光学系统焦距（mm），s2是传感器敏感元的面积（mm），L是人体离传感器距离（m）。 东北石油大学光电检测课程设计对于双敏感元传感器，标准尺寸为2（mm）*1（mm），人体移动速度范围为0.5（m/s）5（m/s），常用探测器上使用的菲涅尔透镜焦距为25（mm），我们可计算出传感器输出信号的频率范围为0.088Hz。由于传感器输出的信号非常微弱，因此需要外接放大电路，也有些传感器生产

24、厂家直接将后续信号处理电路菲涅尔透镜1另外一种理解就是，透镜连续表面部分“坍陷”到一个平面上。从剖面看，其表面由一系列锯齿型凹槽组成，中心部分是椭圆型弧线。每个凹槽都与相邻凹槽之间角度不同，但都将光线集中一处，形成中心焦点，也就是透镜的焦点。每个凹槽都可以看做一个独立的小透镜，把光线调整成平行光或聚光。这种透镜还能够消除部分球形像差。如图2-5所示。 东北石油大学光电检测课程设计 图2-5 菲涅尔透镜2菲涅尔透镜，简单的说就是在透镜的一侧有等距的齿纹，通过这些齿纹，可以达到对指定光谱范围的光带通（反射或者折射）的作用。传统的打磨光学器材的带通光学滤镜造价昂贵，菲涅尔透镜可以极大的降低成本，典型

25、的例子就是PIR。PIR广泛的用在门铃、警报器上。如果你拿一个看看，你会发现在每个PIR上都有个塑料的小帽子，这就是菲涅尔透镜。小帽子的菲涅尔透镜聚焦作用示意图2.1.7 热释电红外传感器的安装要求热释电红外传感器的误报率与安装位置和方式有很大关系，一般应注意以下几点：（1）传感器应离地面22.5m，远离空调器、冰箱、火炉、射灯等空气温度变化敏感的地方；（2）不要正对着窗户、门、灶台，否则室外的热气和人员的频繁流动会引起传感器误报；（3）传感器探测范围不能有隔板、大型家具、屏风等遮挡物。 东北石油大学光电检测课程设计此外，热释电红外传感器对人体敏感程度还和人的运动方向有关，它对于径向移动反应最

26、不敏感，而对于切向方向（即与半径垂直的方向）移动最为敏感。如图2-7所示。 图2-7 热释电红外传感器灵敏度示意图2.2 D触发器锁存器是一种基本的记忆器件，它能够储存一位元的数据。由于它是一种时序性的电路，所以并不需要时钟输入，它会根据输入来改变输出。触发器不同于锁存器，它是一种时钟控制的记忆器件，触发器具有一个控制输入信号（CP）。CP信号使触发器只在特定时刻才按输入信号改变输出状态。若触发器只在时钟CP由低电平到高电平（或高电平到低电平）的转换时刻才接收输入，则称这种触发器是上升沿（或下降沿）触发的。触发器可用来储存一位元的数据。通过将若干个触发器连接在一起可储存多位元的数据，它们可用来

27、表示时序器的状态、计数器的值、电脑记忆体中的ASCII码或其他资料。D触发器是最常用的触发器之一。对于上升沿触发的D触发器来说，其输出Q只在CP由低电平到高电平的转换时刻才会跟随输入D的状态而变化，其他时候Q则维持不变。目前常用的触发器主要有三种电路结构：主从触发器，维持阻塞触发器和利用传输延迟的触发器。而D触发器主要是前两种结构。2.2.1 主从触发器将两个D锁存器级联，则构成CMOS主从触发器，如图2-8所示。图中左边的锁存器成为主锁存器，右边的称为从锁存器。主锁存器的锁存使能信号正好与从锁存器反相，利用两个锁存器的交互锁存，则可实现存储数据和输入信号之间的隔离。 东北石油大学光电检测课程

28、设计 图2-8 主从触发器图2-8中的触发器工作过程分为以下两个节拍：（1）当时钟信号CP=0时，C=1，C=0，使TG1导通，TG2断开，D端输入信号进入主锁存器，这时Q跟随D端的状态变化，使Q=D。例如，D为1时，经TG1传到G1的输入端，使Q=0，Q=1。同时由于TG3断开，切断了从锁存器与主锁存器之间的联系，而TG4导通，G3的输入端和G4的输出端经TG4连通，构成双稳态存储单元电路，使从锁存器维持在原来的状态不变，即触发器的输出状态不变。（2）当CP由0跳变到1后，C=0，C=1，使TG1断开，从而切断了D端与主锁存器的联系，同时TG2导通，将G1的输入端和G2的输出端连通，使主锁存

29、器维持原态不变。这时，TG3导通，TG4断开，将Q端信号传输到Q端。若Q=0，经TG3传送给G3的输入端，于是Q=0，Q=1。可见，从锁存器在工作中总是跟随主锁存器的状态变化，触发器因之冠名“主从”。它的输出状态转换发生在CP信号上升沿到来后的瞬间，而触发器的状态仅仅取决于CP信号上升沿到达前瞬间的D信号，从功能上考虑成为D触发器。如果以Qn+1表示CP信号上升沿到达后触发器的状态，则D触发器的特性可以用下公式2-2来表示：Qn+1=D 公式（2-2）称为D触发器的特性方程。它反映了触发器在时钟信号作用后的状态与此前输入信号D的关系。2.2.2 维持阻塞触发器维持阻塞结构的D触发器的逻辑电路如

30、图2-9所示。该触发器由3个用与非门构成的基本SR锁存器组成，其中G1、G2和G3、G4构成的两个基本SR锁存器响应外部输入数据D和时钟信号CP，他们的输出Q2和Q3作为S、R信号控制着由G5、G6构成的第三个基本SR锁存器的状态，即整个触发器的状态。下面介绍其工作原理： 东北石油大学光电检测课程设计 图2-9 维持阻塞触发器（1）当CP=0时，与非门G2和G3被封锁，其输出Q2=Q3=1，即S=R=1，使输出锁存器处于保持状态，触发器的输出Q和Q不改变状态。同时，Q2和Q3的反馈信号分别将G1和G4两个门打开，使Q4=D，Q1=Q4=D，D信号进入触发器，为触发器状态刷新做好准备。（2）当C

31、P由0变1后瞬间，G2和G3打开，它们的输出Q2和Q3的状态由G1和G4的输出状态决定，即S=Q2=Q1=D，R=Q3=Q4=D，二者状态永远是互补的，也就是说，S和R中必有一个是0。由基本SR锁存器的逻辑功能可知，这时Qn+1 = D，触发器状态按此前D的逻辑值刷新。（3）在CP=1期间，有G1、G2和G3、G4分别构成的两个基本SR锁存器可以保证Q2、Q3的状态不变，使触发器状态不受输入信号D的变化影响。在Q=1时，Q2=0，则将G1和G3封锁。Q2至G1的反馈线使Q1=1，起维持Q2=0的作用，从而维持了触发器的1状态，称为置1维持线；而Q2至G3的反馈线使Q3=1，虽然D信号在此期间的

32、变化可能使Q4相应改变，但不会改变Q3的状态，从而阻塞了D端输入的置0信号，称为置0阻塞线。在Q=0时，Q3=0，则将G4封锁，使Q4=1，既阻塞了D=1信号进入触发器的路径，又与CP=1，Q2=1共同作用，将Q3维持为0，而将触发器维持在0状态，故将Q3至G4的反馈线称为置1阻塞、置0维持线。正因为这种触发器工作中的维持、阻塞特性，所以称之为维持阻塞触发器。虽然维持阻塞D触发器的电路结构与主从触发器的完全不同，但这两个电路所实现的逻辑功能是完全相同的，都是在CP脉冲上升沿到来后瞬间转换输出状态，将输入信号D传递到Q端并保持下去。因此，它们使用同一个逻辑符合，特性方程也是一致的。2.2.3 触

33、发器的动态特性触发器的动态特性反映其对输入逻辑信号和时钟信号之间的时间要求，以及输出对时钟信号响应的延迟时间。图2-10所示的定时图显示了D触发器各信号之间的时间要求或延迟。（1）建立时间tSU输入信号D的变化会引起触发器输入电路的一系列变化，它必须在时钟信号CP的上升沿（对上升沿触发的触发器而言）到来之前的某一时刻跳变到某一逻辑电平并保持不变，以保证东北石油大学光电检测课程设计与信号D相关的电路建立起稳定的状态，使触发器状态得到正确的转换。该时间的最小值即建立时间tSU。 图2-10 D触发器定时器（2）保持时间tH信号D在CP上升沿到来之后还应保持一定时间，才能保证D状态可靠地传送到Q和Q

34、端，该时间的最小值称为保持时间tH。由于技术的进步，已有许多种触发器可把保持时间降到0。这项特性在高速移位寄存器或计数器中是十分重要的。（3）传输延迟时间tpLH和tpHL时钟脉冲CP上升沿至输出端新状态稳定建立起来的时间定义为传输延迟时间。tpLH是输出从低电平到高电平的延迟时间，tpHL则是输出从高电平到低电平的延迟时间，应用中有时取其平均传输延迟时间tpd = 0.5（tpLH tpHL）。（4）触发脉冲宽度tW为保证可靠触发，要求时钟脉冲CP的宽度不小于tW，以保证内部各门正确翻转。（5）最高触发频率fcmax触发器所能响应的时钟脉冲CP最高频率，fcmax = 1/Tcmin 。因为

35、在CP高电平和低电平期间，触发器内部都要完成一系列动作，需要一定的时间延迟，所以对于CP最高工作频率有一个限制。2.2 音乐芯片音乐芯片是一种比较简单的语音电路，它通过内部的振荡电路，再外接少量分立元件，就能产生各种音乐信号。音乐芯片是语音集成电路的一个重要分支，目前广泛用于音乐卡、电子玩具、电子钟、电子门铃、家用电器等场合。根据音乐输出的特点我们将音乐电路分为以下几类：单曲、复音、音乐带闪灯、唱歌。按封装形式有COB黑膏软封装和三极管封装形式。基本外形如图2-11所示。 东北石油大学光电检测课程设计 图2-11 音乐芯片音乐芯片的外部引脚根据厂家、型号、功能的不同各有不同，但主要引脚没有区别

36、，图2-11给出的是一种基本形式。芯片各引脚的功能分别为：（1）VDD和VSS分别是电源正端和负端，一般工作电压范围是2.45.5V；（2）e、b、c三焊孔用来焊接外接功放三极管；（3）OSC是外接振荡电阻端，振荡电阻应接于OSC和VDD端间。值得注意的是，有些芯片的OSC是振荡阻容端，是外接振荡电阻和振荡电容的公共端，而有些芯片则不需要外接电容电阻；（4）TRIG为触发端，高电平触发有效。第3章 系统设计方面3.1 系统功能分析本方案设想用于商铺门口，当有顾客进入时，门铃自动响起“请开门”（或者其他音乐）的预置声音，既起到迎宾作用，也提示店主有顾客进入；而当顾客离开时则不提示。这样不仅实现了

37、感应式门铃的基本要求，而且由于可判别人体行走方向，为以后的拓展功能预留了空间（比如顾客出门时提示“谢谢光临”的预置音或者店铺关门后可调整至报警状态等）。3.2 系统整体设计模块本设计方案可分为4个模块：红外探测模块，控制模块，发声模块，供电模块。如图3-1所示。其中最关键的就是红外探测模块和控制模块。前者决定了整个设计方案的成败，而后者决定了能否实现预期效果。 东北石油大学光电检测课程设计图3-1 系统模块图 3.3 红外探测模块红外探测模块实现的功能是将感应到的人体红外线转换为可用的驱动电信号。本模块的红外感应部分采用热释电红外线传感器。它能以非接触形式检测出人体辐射的红外线能量的变化，并将

38、其转换成电压信号输出。整个探测模块主要由光学系统，热释电红外传感器，信号滤波和放大信号处理构成。如果使用独立元器件完成信号处理的各项功能会比较复杂。这里采用一种新型模块HN911。3.3.1 HN911红外探测模块原理HN911是一款新型热释电红外探测器，采用双列6脚直插式封装。该传感器由于HN911红外探测模块的性能指标型号参数名称通用型HN911T工作电压 静态电流 工作温度 输出延时 内部放大器增益 内部放大器频宽 探测范围（加透镜）DC 5V10% 1 mA -2050 2 S 70 dB 0.37 HZ 10 m微功耗型HN911L DC 6V10% 20 A -2050 2 S 7

39、0 dB 0.37 HZ 10 m低温型HN911D DC 5V10% 1 mA -3050 2 S 70 dB 0.37 HZ 10 m HN911红外探测模块内部电路如图3-2所示，主要由热释电红外传感器、放大器、比较器、信号处理电路和延时输出电路组成。电路静态工作（即未检测到红外线）时，1脚输出低电平，2脚输出高电平。动态时，即有移动发热物体进入探测范围时，传感器接收到红外辐射能量， 东北石油大学光电检测课程设计输出幅度约1mV、频率0.37Hz的微弱信号。该信号经放大器放大，由比较器进行比较判断，再由信号处理电路处理，最后由延时输出电路输出用做驱动信号。此时，输出端1脚变为高电平，2脚

40、变为低电平。4脚和5脚间可外接电位器，以便调节其探测灵敏度。 图3-2 HN911模块内部电路结构HN911模块内放大器具有温度补偿功能。探测器工作时，人体辐射和周围环境红外辐射一起进入传感器。当气温升高时，背景红外辐射增强，传感器自身极化强度即传感器输出的热释电信号减小，将明显影响对人体的探测。因此，内部的温度补偿电路，使放大器的增益随环境温度的升高而升高，从而保证了该传感器的温度稳定性。3.3.2 电路设计由于HN911将热释电红外传感器的后续信号处理电路全部集成，输出信号即为可用信号，因此对于本设计的红外探测模块可以直接由HN911构成，而不需要接任何外部电路。这里因为要判断方向，故使用

41、两个HN911T。将其分别命名为H1和H2，并排排列在顾客行走的垂直方向，其电路图如图3-3所示。因为要使顾客一进门就响，故可以把门铃固定于门的侧面，H1靠门外侧，H2靠门内侧。有人进入时，必然先经过H1，在经过H2；而出门也必然先经过H2，再经过H1。根据两个HN911的1脚高电平来临的先后次序，即可判断顾客是进还是出。由于感应范围较宽，而两个红外传感器靠的较近，可以知道，它们有一部分重叠的感应区域，即有一定的时间范围内两个传感器同时输出高电平。 东北石油大学光电检测课程设计 图3-3 红外探测模块电路3.4 控制模块控制模块的功能是根据探测模块传来的信号进行判断，若判断结果为顾客进入，则输

42、出高电平，使发声模块工作；若判断结果为顾客离开，则输出低电平，发声模块不工作。因为发声模块正常工作需要一定的时间，而非一个瞬时脉冲，故要求控制模块输出的高电平能持续一段时间。无疑，这里应该用到触发器，对输出可以起到一定时间的保持作用。本次设计选用双D触发器CD4013。3.4.1 CD4013的工作原理CD4013是CMOS双D触发器，内部集成了两个性能相同，引脚独立(电源共用) 的D触发器，采用14引脚双列直插塑料封装，是目前设计开发电子电路的一种常用器件，它的使用相当灵活方便且易掌握，受到许多电子爱好者的喜爱。CD4013的管脚排列如图3-4所示，内部有两个完全相同的D触发器FF1和FF2

43、。图中， D为数据输入端，CLOCK为时钟脉冲输入端，Q和Q一对互补的输出端，SET为置位端，RESET为复位端，VDD和VSS分别为电源正负端。 东北石油大学光电检测课程设计 图3-4 CD4013管脚图CD4013的功能表如表3-2所示。由表中可知，当RESET=SET=0时，在CLOCK上升沿的作用下，Q端状态与D端相同，即Q=D，也就是将D端数据置于触发器；当RESET=1，SET=0时，电路复位，Q=0；当RESET=0，SET=1时，电路置位，Q=1。后两种情况无需时钟脉冲和数据端配合。一般情况下不允许同时在RESET，SET两端加上高电平，因为此时触发器的两个输出端均为高电平，是

44、不正常的工作状态。Table 3-2 CD4013 feature tableCLOCK D 0 1 RESET 0 0 1 0SET 0 0 0 1Q 0 1 0 1 3.4.2 CD4013的四种工作方式（1）数据锁存方式图3-5为D触发器数据锁存工作方式电路图，也是它的基本功能。图3-6是其输出波形图。由图可见，在时钟脉冲作用后（即上升沿），D端数被锁存到Q端。若将多个D触发器组合可构成多位数据锁存器或寄存器。 东北石油大学光电检测课程设计 图3-5 数据锁存方式 图3-6 数据锁存方式输出波形图（2）单稳态工作方式图3-7和图3-8分别是为D触发器单稳态工作方式电路图和输出波形图。在时

45、钟脉冲作用下，Q端由0跳到1，并通过R1向电容C1充电，当电容C上电压Vc上升门限电压VT（1/2Vcc） 时，触发器被强迫复位，Q端由1自动跳到0，同时，Vc通过二极管D1迅速放电，为下一周期的工作做好准备。在单稳态工作方式中，Q端的0态为稳态，而1态称为暂稳态，tw为暂稳态宽度，由R1和C1决定：tw=0.693R1C1。D触发器构成定时器，消抖动电路都工作于单稳态方式。 东北石油大学光电检测课程设计 图3-7 单稳态工作方式 图3-8 单稳态工作方式输出波形图（3）无稳态工作方式图3-9和图3-10分别是D触发器无稳态工作方式电路图及输出波形图，无稳态工作方式也称为多谐振荡工作方式。其工

46、作过程如下：假设D触发器的初态Q=1，此时Q端通过R1向C1充电，当Vc1充至1/2Vcc时，D触发器复位，Q端由1变为0，而Q由0变1，此时Q端通过R2向C2充电，当Vc2充至1/2Vcc时，D触发器被置位，Q=1，Q=0，完成一个工作周期。之后将不断重复上述工作过程，形成多谐振荡。振荡周期T=0.693 （R1C1+R2C2）= tw1+tw2，振荡频率f=1.433/（R1C1+R2C2），改变R1C1与R2C2即可调节振荡周期或频率，并可得到所需要的脉冲占空比。当R1=R2，C1=C2时，得到的是方波输出脉冲。 东北石油大学光电检测课程设计 图3-9 无稳态工作方式 图3-10 无稳态工作方式输出波形图 （4）双稳态工作方式图3-11和图3-12分别为D触发器的双稳态工作方式电