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常见红外感应式门铃使用热释电红外传感器，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，因为它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门铃反应。

红外感应式的相比价格较高，但优点是误报极少，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，即可做门铃使用，也可做独立报警器使用。

红外感应式门铃性能卓越，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。

总的来说，感应式门铃目前的技术比较成熟，功能也较为完善，成本不高，并且由于通常市面上的感应式门铃都兼迎宾及报警两用，因此应用场合也较为广泛。

第二章红外报警器工作原理

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。

本文感应式门铃用到的感应技术主要是红外感应，而红外感应技术就需要用到红外传感器。

感应式门铃就是通过红外传感器探测人体红外信号，继而经过一系列电路的判断与控制，达到使扬声器发声的功能。

2.1热释电红外传感器类型比较和选用

　　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“PIR”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8～14μm，人体辐射的红外峰值波长约为10μm，正好在范围以内。

　　被动式红外传感器（PassiveInfaredDetector，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。

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，它是由于物体内部分子的转动及振动而产生。

这类振动是由物体受热引起的，在一般常温下，所有物体都是红外辐射的发射源，但发射的红外波长不同。

实践证明，温度愈低的物体辐射的红外线波长愈长，人体表面辐射出波长约为10μm。

红外线和所有电磁波一样，具有反射、折射、散射、干涉和吸收等性质，但它的特点是热效应最大。

热释电效应：

因红外线具有很强的热效应，当交互变化的红外线照射到晶体表面时，晶体温度迅速变化，这时会发生电荷的变化，从而形成一个明显的外电场，这种现象称为热释电效应。

热释电红外传感器就是根据这种原理制成的。

2.1.3热释电红外传感器的结构及工作原理

　　众所周知，只要物体本身温度高于热力学温度0K（约-273℃），则都会发射出相当于某一个温度的辐射线，人体都有恒定的体温，一般为37℃，所以会从人体表面辐射出波长约为10μm的红外线。

可利用面镜或透镜将人体所辐射出来的红外线有效地集中于热释电红外传感器上，通过热释电红外传感器将收集到的红外线能量转换为电气信号。

热释电红外传感器内部由光学滤镜、场效应管、红外感应源（热释电元件）、偏置电阻、EMI电容等元器件组成。

其结构及内部电路分别如图2-1和图2-2所示。

　　　　　　图2-1热释电红外传感器结构

光学滤镜的主要作用是只允许波长在10μm左右的红外线（人体发出的红外线波长）通过，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

图2-2热释电红外传感器结构及内部电路

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104MΩ，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8～12μm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1～5cm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PbTiO3（钛酸铅）、LiTaO3（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。

第三章热释电红外报警前的电路设计

通过红外线探测到人体并转换成电信号来触发门铃的。

当门外来客人时，门铃会自动发出“叮咚，您好！

请开门”的语音声，通知主人及时开门。

另外，因为使用模块化的红外线反射开关，体积小、易隐蔽，所以还可同时兼作全天候房门报警器。

3.1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3-2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。

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TX05D。

3.3.1TX05D红外探测模块原理

TX05D的电参数：

工作电压5～12V，极限电压15V，工作电流5～20mA，最大30mA，对应检测距离为0～120㎝，当工作电压12V时，输出最大灌电流大于50mA，最大输出电流大于3mA。

TX05D的输出端内部电路见图3-2，由于考虑器件的通用性和输出保护措施，加入了限流保护电路，当外接负载超过额定值时启动保护，自动减小电流输出，以保护组件和外部负载的安全。

如用户有特殊需要或批量定货时可申请减去保护电路，以便能直接驱动功率较大的负载，如电机，继电器等。

图3-2TX05D内部结构电路图

当TX05D接通电源后，即从模块内部的红外线发射管向前方发射38KHZ的调制红外线，一旦有物体或人体进入有效范围内时，红外线就会有一部分被反射回来，被与发射管同排安装的光敏接收管收到并转换成同频率的电信号后，由模块内部电路进行放大，解调，整形，比较处理后，在输出端给出高电平信号。

模块的红外线发射能力与工作电压有关。

工作电压越高，红外线发射功率越强，检测距离就越远；

反之，电压低，检测距离就相对较近。

3.3.2探测电路设计

　　采用TX05D的红外线控制门铃的电路原理图如图所示，它由红外线反射式探测、语音发生、音频功率放大和电源变换4部分电路组成。

电路核心元件IC1为新型红外线反射开关，它实质上是一种一体化的红外线发射、接收模块，其内部包含了红外线发射、接收及信号放大与处理电路，能够以非接触形式检测出前方一定范围内的人体或物体，并转换成高电平信号从OUT端输出。

接通电源，220V交流电经变压器T降压、VD1和VD2全波整流、C3滤波和IC3稳压后，输出稳定的5V直流电压，使ici通电向外发射出频率约为40kf的调制红外线。

当有人进人其有效检测区域内时，红外线被反射回来一部分，经与发光二极管同向并排安装的光敏晶体管接收并转换成同频率的电信号后，由IC1内部电路进行一系列放大、解调、整形、比较处理，最后从OUT端输出高电平信号。

图3-3红外探测模块电路

3.4发声模块电路

工作电压3V,单片录放时间8分钟至16分钟,音质好,适用于移动电话及其他便携式电子产品中。

芯片采用CMOS技术,内含振荡器、防混淆滤波器、平滑滤波器、音频放大器、自动静噪及高密度多电平闪烁存贮陈列。

芯片设计是基于所有操作必须由微控制器控制,操作命令可通过串行通信接口（SPI或Microwire）送入。

芯片采用多电平直接模拟量存储技术,每个采样值直接存贮在片内闪烁存贮器中,因此能够非常真实、自然地再现语音、音乐、音调和效果声,避免了一般固体录音电路因量化和压缩造成的量化噪声和"

金属声"

。

采样频率可为4.0,5.3,6.4,8.0kHz,频率越低,录放时间越长,而音质则有所下降,片内信息存于闪烁存贮器中,可在断电情况下保存100年（典型值）,反复录音10万次。

图3-4发声模块电路图

3.5系统整体电路图及工作原理

这个设计方案的完整电路图如图3-5所示。

下面再累述一遍完整的工作原理。

图3-5系统整体电路图

接通电源，IC1内部红外线发光二极管向外发射出频率约为401cHz的调制红外线。

当有人（或物体）进人其有效检测区域时，红外线被反射回一部分，经与发光二极管同向并排安装的光敏晶体管接收并转换成同频率的电信号后，由IC1内部电路进行一系列放大、解调、整形、比较处理，最后从OUT端输出高电平信号。

该信号经R1限流、VS1限压后，直接触发模拟声集成电路IC2工作，使其OUT端输出长约5s的模拟狗叫声电信号，经R4、C2低通滤波和C3祸合后，送人IC3进行功率放大，最后驱动扬声器BL发出3遍“汪汪一汪汪汪”的狗叫声来。

如果IC2连续受到触发（IC1的OUT端输出高电平时间大于5s），则狗叫声就会持续不断，直到来人离开监视区5s后才停止。

电路中，R2、VS2构成简易稳压电路，向ICZ提供合适的3V工作电压。

R3为IC2外接时钟振荡电阻器，其电阻值大小影响模拟狗叫声的速度和音调。

第四章安装与调试

4.1元器件的选取组装

ICl宜选用天津特新电子厂开发生产的TX05D低功率消耗红外线反射开关，它内部采用了低功率消耗器件和抗外界干扰的电路。

IC2选用KD-5608型模拟狗叫声专用集成电路。

该电路用黑膏封装在一块尺寸约为21mmx19mm的小印制电路板上，并配有外围元器件插焊小孔，安装使用很方便。

IC2也可用LH560系列模拟狗叫声集成电路（R3改用IMn的电阻器）来代替。

IC3宜选用广东中山达华电子厂开发生产的1006型5脚单列直插封装（外观与普通塑料封装功率晶体管相仿）音响功率放大集成电路，其内部电路与OTL和OCL型功率放大器电路大体相同，主要由前置级、驱动级和互补推挽输出级组成；

另外，还包括滤波、静噪和保护电路。

由于这些电路全部都集成在内部基片上，所以外部只需接上音源、扬声器和直流电源，不需任何调试就能满意地工作。

IC4选用78L12型（12V、1.5A）三端集成稳压器。

VSl、VS2用普通3V、0.25W硅稳压二极管，如1N4619、2CW51等型号：

VDl、VD2选用lN4001或IN4004型硅整流二极管。

R1一R4一律用RTX-1/4W碳膜电阻器。

C2用CT1型陶瓷介质电容器，其余一律用CD11-25V型电解电容器。

BL用80、3W小口径动圈式扬声器；

如用小号筒式扬声器，则效果更佳。

T用220V/14Vx2或8W优质电源变压器，要求长时间运行不过热。

FIT用BGXP-0.151C型普通熔丝管，并配套使用机装管座。

XP用220V交流电二极插头。

4.2系统电路的调试

首先，断电检查。

系统在调试应该全面、准确。

包括焊点的检查、电路的清洁、电路与电路图的对照

其次，通电检查。

并且时刻注意有无冒烟烧焦的现象，若有应该及时断电进行进一步的电路板与电路图的检查。

最后，灵敏性检查。

将门铃放在门帘顶部，人分别以不同的方向走去、不同的速度走去、带着遮挡物走去，进而得出平均的反应距离与最短反应时间。

第五章总结

从整个设计过程和设计方案可以看出，此方案无论是基本原理、使用到的芯片的复杂度和各种元器件的数量，还是最后的连线布局，都是非常浅显易懂的。

除了红外探测模块使用到的HN911芯片，是比较新型的一种型号，价格也稍高外，其他器件都是非常常用、廉价的。

作为厂家或个人而言，尽量使用普通工具、低廉成本实现我们的设计目标也是实际操作中应考虑的一个方面。

可以说就熟悉元件、芯片属性，深入领会理论知识，学会运用常用器件制作实用小电路，提高个人动手实践能力，学会实际电子产品的设计流程而言，此门铃设计已经达到了目标。

当然就实际应用而言，本设计还存在着一些缺陷。

这里的设计方案是考虑在一个比较良好的外界环境下使用的，对于各种外界干扰因素都没有过多的考虑，而且在电路的安全稳定性方面也没有做太多的深究，省略了一些保护性的元器件，这些都可能导致在实际生活应用上存在着误报或者无法工作甚至电路损坏的问题。

总的来说，此红外感应式门铃的设计对研究红外感应技术具有一定的参考价值。

相信在此基础上，根据具体探测环境，充分考虑影响传感器的因素，合理修改、优化信号处理电路，增加电路功能，减少误检测，提高电路稳定性，就可以达到比较完美的非常实用的感应式门铃。

主要参考资料：

1）陈有卿编著.新颖集成电路制作精选[M].人民邮电出版社,2005.4.

2）陈振官，陈宏威等编著.光电子电路制作实例[M].2006.4.

3）黄继昌等编著.检测专用集成电路及应用[M].2006.10.