迎客自动门铃电路.docx

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迎客自动门铃电路

摘要

迎客自动门铃在人们的日常生活随处可见，广泛应用于各种中小型商铺迎接顾客，如全家、快客等一系列公共场所。

礼貌迎接顾客的同时也提醒了店员有顾客进入。

本文主要是针对迎客自动门铃基本功能进行设计的。

采用EDA技术，将先进的计算机技术应用与电子设计与仿真过程进行了结合，改善了传统的电子电路设计方法，周期长、耗时多、效率低的不足，能够完成以下的几项基本功能：

利用红外感应技术来器接收到红外辐射能量，辨别人来的方向，能自动播报欢迎语。

并且经过设计后可以设置为重复一次或者不重复。

本设计主要由红外探测模块，控制模块，发声模块等电路组成。

通过红外探测传感电路输出用做驱动信号。

由输出端发出的电平决定发声模块是否工作来语音播报。

再通过Multisim2010软件的测试仪器对创建的电路进行了分析和仿真实验，并将理论和实践相结合实现该电路的各个功能。

关键词:

迎客门铃红外探测语音播报

迎客自动门铃电路EDA辅助设计

0引言

21世纪是一个经济和科技高速发展的时代，在日常生活中我们随处都可以看到或用到很多很多高科技产品。

迎客自动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。

本文提出迎客自动门铃电路是现在比较实用的一个设计电路，它的优势在于，成本低，耗电量小，精度高。

在各个场合都广泛应用，且在Multisim2010环境下可实现功能测试和仿真。

本次设计课题主要结合了EDA在电工技术与电子技术应用系统的设计与仿真，本文设计了一个简单的迎客自动门铃电路。

有四大部分组成，第一部分是介绍设计任务分析和总体功能模块设计，第二部分是主要的元器件介绍，第三部分是子模块电路的具体实现，第四部分是系统电路的仿真测试及调试。

1电路的设计方案

1.1设计任务与要求

本课题主要是设计一个具有能够识别客人来的方向，能自动播报的迎客自动门铃电路,利用Mutisim2010为主要设计环境完成设计调试，电路具体要求为：

第一:

使用4节5号电池供电。

第二:

用红外线的探测的方式识别顾客来的方向，只对进入的顾客自动播报。

第三:

有客来访自动播报“欢迎光临”。

第四：

播报次数可选择设置不重复或者重复1次。

1.2设计思路

根据本课题的任务要求要采用红外线探测方式来识别客人来的方向，因此选用热释电红外探测。

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。

再经过信号处理触发语音芯片，通过扬声器发声。

根据设计要求，电路要实现播报次数可选择设置不重复或者重复1次，可以将电路图设计为用元件控制再次产生一个高电平脉冲使语音重复。

1.3电路设计方案结构框图

本设计方案可分为3个模块：

红外探测模块，控制模块，发声模块。

如图1.1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。

图1.1系统模块图

2主要芯片元器件介绍

2.1HN911红外探测模块

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。

该传感器由于内部放大器集成了温度补偿功能，可以将人体辐射信号从恶劣的环境辐射信号中分离出来进行处理，保证了传感器的工作稳定性。

它具有灵敏度高，抗干扰能力强，耐低温以及使用方便的特点。

因而，HN911可在严寒或炎热等恶劣环境地区使用。

HN911红外探测模块内部电路如图2.1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，输出幅度约1mV、频率0.3～7Hz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2.1HN911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。

2.2CD4013双D触发器

CD4013由两个相同的、相互独立的数据型触发器构成。

每个触发器有独立的数据、置位、复位、时钟输入和Q及Q输出。

此器件可用作移位寄存器，且通过将Q输出连接到数据输入，可用作计数器和触发器。

在时钟上升沿触发时，加在D输入端的逻辑电平传送到Q输出端。

置位和复位与时钟无关，而分别由置位或复位线上的高电平完成。

CD4013有两个D触发器，一个D触发器有6个端子：

2个输出，4个控制。

4个控制分别是R、S、CK、D。

在本电路设计中CD4013用的是单稳态工作方式，在时钟脉冲作用下，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。

图2.2为CD4013单稳态工作方式。

图2.2.CD4013单稳态工作方式

CD4013的管脚图见图2.3

图2.3CD4013管脚图

2.3KD5603语音芯片

根据设计要求，电路要发出“欢迎光临”，故选用KD5603语音芯片，芯片内含预存“欢迎光临”的语音。

图2.4为KD5603管脚连接图。

KD5603的VDD端接高电平，2引脚TRIG接信号触发端，3引脚VSS接地端，4引脚OUT接输出端。

图2.4KD5603管脚连接图

2.44011CMOS四2输入与非门

4011是四2输入与非门集成电路器件的代号。

这种集成块中有相同的四个“与非门”基本逻辑电路，每个与非门由两个（“2”个）输入端和一个输出端组成。

输出端的电位高低由两个输入端的电位情况决定。

当两个输入端只要有一个是低电位（记作“0”）时，输出端电位就是高电位（记作“1”）；当两个输入端全部是高电位时，输出端才是低电位。

“非门”是另一种基本逻辑电路，又叫“反相器”，它的输出端与输入端电位相反，即输入为1时输出为0，输入为0时输出为1。

图2.5为4011BD管脚图。

图2.54011BD管脚图

3子模块电路设计

3.1红外探测模块设计

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。

这里采用HN911。

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，对于本设计的红外探测模块可以直接由HN911、4011与非门和一个CD4013外部电路组成。

这里因为要判断方向，故使用两个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3.1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，此时H1输出高电平，输入到4013D触发器的脉冲端。

脉冲端产生高电平，经过4011与非门，最后由H1产生的信号在上一个与非门输出。

顾客再经过H2时，H2输出高电平和H1输出信号做一系列与非运算，完成顾客进入时的探测的工作；而出门也必然先经过H2，再经过H1。

此时H1与H2经过与非运算、CD4013D触发器，输出高或低电平，完成顾客出门时的红外探测工作。

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。

图3.2为红外探测模块设计图。

图3.1HN911排列

图3.2红外探测模块设计图

3.2控制模块设计

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。

无疑这里应用触发器，对输出可以起到一定时间的保持作用。

运用两个D触发器，红外感应模块中的H1和H2作为D触发器的脉冲控制端使用，假设D1触发器接H1，D2触发器接H2，以D2触发器的输出端Q2作为控制模块总输出端，接后续电路模块。

当H1和H2输出低电平（即无人进出）时，应使得D2触发器的脉冲端被封锁，防止因干扰触发致使Q2跳变为高电平。

当H1先输出高电平时，说明顾客是进入，应及时解锁D2脉冲端CK2，以便H2输出高电平时，Q2跳变为高电平，使发声模块工作。

当H2先输出高电平时，说明顾客是离开，D2脉冲端继续封锁，Q2输出保持低电平。

同时，再当H1输出高电平时仍不能解锁D2脉冲端。

当顾客进入时，Q2输出高电平，应持续一定的时间，使发声模块正常完整工作后自动变为低电平。

由于可以设置成不重复或者重复一次，可以用一个开关设置两种方式。

根据具体要求，电路设计如下图3.2所示。

当无人进出时，红外探测模块的H1和H2的输出为低电平，两个D触发器的脉冲端CK1和CK2为低电平，4013D触发器不起作用，Q1和Q2输出也为低电平，电路处于等待状态。

此时，H2的输出低电平信号与其中一个4013D触发器Q端输出的信号一起加到其中的一个与非门，与非门输出高电平。

高电平再输入到另一个与非门，此与非门输出低电平。

另一个4013D触发器CK端为低电平，此时触发器没有触发，触发器Q端输出低电平。

由于此时并没有设置重复一次，开关不闭合，第三个D触发器，CK端为低电平，此时其Q端仍然输出低电平。

Q2输出信号与Q3输出信号相或，还是低电平。

KD5603不能正常工作，不发出“欢迎光临”的声音。

当顾客进门时，先经过H1，H1输出的高电平作用于CK1端，使得Q1输出高电平，H2封锁解除。

顾客再经过H2时，H2输出的高电平经两个与非门后使CK2出现一个正脉冲，Q2翻转为高电平，由于D3脉冲端为低电平其Q3输出低电平。

此低电平与Q2输出的高电平相或，或门输出高电平送到KD5603触发端，语音模块工作，扬声器发出“欢迎光临”的声音。

Q2输出的一个支路开始给C1充电，随着C1上的电压不断升高，D触发器的复位端R工作，Q1和Q2重新变为低电平。

C1通过二极管向Q2放电，C1两端电压降低使R恢复低电平。

这里，控制模块输出端Q持续输出高电平的时间由R1和C1决定，t≈0.693R1C1，大概约为2.2秒，足够支持扬声器播报完预置语音。

如果后续发生电路需要更长的高电平支持，只需适当调整R1和C1即可。

开关S1闭合时，语音播报就可以设置成重复一次的工作方式。

当顾客进入时，此情况D3以前的电路工作状态和不重复时的工作状态相同。

此时Q2输出端信号分为两路，第一部分Q2输出的高电平与D3触发器Q3端输出的信号进行相或，此时或门输出高电平。

KD5603触发端输入高电平,KD5603开始工作，扬声器发出“欢迎光临”的声音。

由于电阻R1和电容C1充放电作用，此时高电平大约持续2.2s即发出声音持续2.2s。

Q2输出的一个支路开始给C1充电，随着C1上的电压不断升高，D触发器的复位端R工作，Q2变为低电平。

第二路信号，此时由于开关闭合，Q2端输出的低电平经过非门，变成高电平，送到D3触发器的脉冲端，使D3触发，其Q3输出高电平。

此高电平与Q2输出的低电平相或，或门输出高电平送到KD5603触发端，语音模块工作，扬声器再次发出“欢迎光临”的声音，实现重复一次的发出声音。

Q3输出的高电平开始给C2充电，随着C2上的电压不断升高，D触发器的复位端R工作，Q3重新变为低电平。

由于R2和C2数值可知，D3的Q3端输出高电平时间约为2.2s。

由此得到重复一次发声时间约为4.4s。

当顾客离开时，先经过H2，H2输出高电平，而此时H1输出低电平，D1不能触发Q1输出低电平。

Q1低电平封锁与非门，H2高电平信号无法传输到CK2，D2触发器Q2状态仍为低电平，后续电路无法工作。

顾客再经过H1时，因为此时仍处于H2的探测范围（两传感器有重叠感应区域），D1保持低电平。

所以尽管CK1出现正脉冲信号，Q1继续保持低电平不变，H2始终处于封锁状态，D2的Q2端依然为低电平，后面电路无法工作，确保不出现误报。

顾客走出H2感应区后，D1恢复高电平，系统重新进入等待状态。

图3.3控制模块电路图

3.3发声模块设计

KD5603语音芯片，内含“欢迎光临”的预存语音。

根据KD5603经典接法要连接三极管。

相连的三极管选用9013，扬声器采用8Ω，0.25W。

平时，因音乐芯片触发端无信号，电路处于等待状态，扬声器不发声。

一旦控制模块输出高电平，KD5603的触发端TRIG受高电平触发，芯片内部输出储存的语音信号，经三极管放大后推动扬声器发声。

图3.4为发声模块电路图。

图3.4发声模块电路图

3.4电路总图设计及工作原理

把以上红外探测模块，控制模块，发声模块组合到一起，就组成了迎客自动门铃电路的总图。

电路总图见图3.5。

本电路的工作原理是当人进出时，传感器无感应信号输出，触发器D1输出低电平使H2的输出信号被封锁，触发器D2输出低电平使扬声器不会发声，整个电路处于等待状态。

如果有人进入，H1先输出正脉冲信号，Q1输出高电平，H2解封锁。

随后H2输出的正脉冲信号使触发器D2输出高电平，促使音乐芯片输出语音信号，在经三极管放大信号，扬声器工作，同时电容C1被充电。

直到C1上电压达到R的工作电压，Q1、Q2被迫复位，音乐芯片不再输出语音信号，扬声器停止工作。

同时C1经二极管向Q2放电，R回复低电平。

开关S1闭合时，语音播报就可以设置成重复一次的工作方式当顾客进门时，先经过H1，H1输出的高电平作用于CK1端，使得Q1输出高电平，H2封锁解除。

顾客再经过H2时，H2输出的高电平经两个与非门后使CK2出现一个正脉冲，Q2翻转为高电平。

Q2输出的一个支路开始给C1充电，随着C1上的电压不断升高，D触发器的复位端R工作，Q2变为低电平。

此时由于开关闭合，Q2端输出的低电平经过非门，变成高电平，送到D3触发器的脉冲端，使D3触发，其Q3输出高电平。

此高电平与Q2输出的低电平相或，或门输出高电平送到KD5603触发端，语音模块工作，扬声器再次发出“欢迎光临“。

如果有人离开，H2先输出的正脉冲信号在与非门处被Q1封锁，无法传递到后续电路，扬声器不工作。

图3.5整体电路图

4利用Multisim2010软件进行电路仿真测试

4.1Multisim2010软件介绍

Multisim是美国国家仪器（NI）有限公司推出的以Windows为基础的仿真工具，适用于板级的模拟/数字电路板的设计工作。

它包含了电路原理图的图形输入、电路硬件描述语言输入方式，具有丰富的仿真分析能力。

4.1.1Multisim软件特点

（1）直观的图形界面：

整个操作界面就像一个电子实验工作台，绘制电路所需的元器件和仿真所需的测试仪器均可直接拖放到屏幕上，轻点鼠标可用导线将它们连接起来，软件仪器的控制面板和操作方式都与实物相似，测量数据、波形和特性曲线如同在真实仪器上看到的一样。

（2）丰富的测试仪器：

除EWB具备的数字万用表、函数信号发生器、双通道示波器、扫频仪、字信号发生器、逻辑分析仪和逻辑转换仪外，Multisim新增了瓦特表、失真分析仪、频谱分析仪和网络分析仪。

尤其与EWB不同的是：

所有仪器均可多台同时调用。

4.1.2.Multisim软件使用

（1）示波器的使用

Multisim提供的双通道示波器与实际的示波器外观和基本操作基本相同，该示波器可以观察一路或两路信号波形的形状，分析被测周期信号的幅值和频率，时间基准可在秒直至纳秒范围内调节。

示波器图标有四个连接点：

A通道输入、B通道输入、外触发端T和接地端G。

点一下multisim右边虚拟仪器的oscilloscope,就会出现波形显示。

图4.1为示波器，图4.2为示波器和函数发生器的接法，图4.3为示波器显示波形图。

图4.1示波器

图4.2为示波器和函数发生器的接法

图4.3示波器显示波形图

示波器的控制面板分为四个部分：

1.Timebase（时间基准）

Scale（量程）：

设置显示波形时的X轴时间基准。

Xposition（X轴位置）：

设置X轴的起始位置。

显示方式设置有四种：

Y/T方式指的是X轴显示时间，Y轴显示电压值；Add方式指的是X轴显示时间，Y轴显示A通道和B通道电压之和；A/B或B/A方式指的是X轴和Y轴都显示电压值。

2.ChannelA（通道A）

Scale（量程）：

通道A的Y轴电压刻度设置。

Yposition（Y轴位置）：

设置Y轴的起始点位置，起始点为0表明Y轴和X轴重合，起始点为正值表明Y轴原点位置向上移，否则向下移。

、、、触发耦合方式：

AC（交流耦合）、0（0耦合）或DC（直流耦合），交流耦合只显示交流分量，直流耦合显示直流和交流之和，0耦合，在Y轴设置的原点处显示一条直线。

3.ChannelB（通道B）

通道B的Y轴量程、起始点、耦合方式等项内容的设置与通道A相同。

4.Tigger（触发）

触发方式主要用来设置X轴的触发信号、触发电平及边沿等。

Edge（边沿）：

设置被测信号开始的边沿，设置先显示上升沿或下降沿。

Level（电平）：

设置触发信号的电平，使触发信号在某一电平时启动扫描。

触发信号选择：

Auto（自动）、通道A和通道B表明用项应的通道信号作为触发信号；ext为外触发；Sing为单脉冲触发；Nor为一般脉冲触发。

4.2红外探测模块电路调试仿真

因为在multisim2010中无法找到HN911红外探测模块，红外探测模块中的H1和H2输出作用于4013D触发器的脉冲控制端，所以使用两个开关（J1A和J2A）来代替H1和H2来产生脉冲信号。

并在开关下串联一个电阻，保证工作电流，防止元器件烧坏后不能正常工作。

如图4.4所示。

图4.4红外探测模块仿真图

（1）当没有顾客进入时，即J1A和J2A断开，由于J2A断开CK端输入低电平，4013D触发器没有触发，此时即使D输入高电平，触发器Q输出为低电平，再经过与非门，输出仍为低电平。

其仿真如下图4.5，波形图如图4.6。

图4.5当顾客没有进入时

图4.6当顾客没有进入时的波形图

（2）当有顾客先经过H2时开关J2A闭合，但没有经过H1时开关J1A没有闭合。

即顾客靠近门，并没有进入门。

此时4013脉冲CK端为高电平，触发器触发，触发器D端输入高电平，触发器Q端输出高电平。

但由于J1A断开，信号通过两个与非门事输入，输出仍为低电平。

其仿真如图4.7，波形图如4.8。

图4.7顾客靠近并没有进门时仿真图

图4.8顾客靠近并没有进门时波形图

（3）当顾客进入时，此时J1A和J2A都闭合。

4013脉冲CK端，为高电平，触发器触发，触发器Q端输出高电平。

J2A闭合，通过两个与非门的作用，Q端输出高电平。

其仿真如图4.9，波形如图4.10。

图4.9顾客进入时仿真图

图4.10当顾客进入时波形图

4.3控制模块电路调试仿真

（1）设置不重复的方式

顾客进入门时，开关J1A和J2A都闭合时，4013触发器U2B的脉冲CK端输入高电平。

U2B触发其Q端输出高电平，经过4011与非门，输出高电平，4013U1A触发器的脉冲端CK输入高电平，其Q端输出高电平，来驱动语音模块，使语音模块工作。

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，这里用到触发器，对输出可以起到一定时间的保持作用。

由于R1C1充放电作用，高电平持续大约2.2s，随后变为低电平。

其仿真图如图4.11。

图4.12和图4.13为波形图。

图4.11顾客进门时只播报一次仿真

图4.12播报一次时波形图

图4.13播报一次结束时波形

（2）设置重复一次

由前面的的设置不重复的方式可知，U1AQ输出为低电平,想要设置重复一次，需要再次输出高电平。

可以在U1A后，再加一个4013D触发器U5A。

U1AQ端输出为低电平，可以用开关和一个非门接到U5A的CK端，让CK端输入高电平，触发器触发，设置触发器复位端，使U5A输出高电平，再次输出高电平就可以实现。

综上可知，既要可以设置不重复也可以重复一次，可以用开关设置两路信号。

不重复的时候，从U1AQ端输出的信号与从U5AQ端输出的信号相或。

重复一次的时候，开关S3A闭合，U1AQ端输出的信号经过非门，作用到U5ACK端，使U5A触发,U5AQ端输出高电平。

此高电平与U1AQ端输出信号相或，得到信号就可以实现重复一次的高电平。

这样就可以通过开关设计不重复或者重复一次的目标。

由于电阻R6和电容C2可知一次高电平时间约为2.2s，重复一次其高电平时间约为4.4s，过了4.4s之后或门输出为低电平。

其仿真图如图4.14，图4.15和图4.16为波形图。

图4.14顾客进门时播报两次仿真

图4.15播报两次时波形图

图4.16播报两次结束时波形

4.4发声模块电路调试仿真

语音电路由语音集成电路KD5603、驱动三极管和扬声器组成。

电路中语音集成电路KD5603内储存“欢迎光临”KD503需要在其触发端为高电平时，其会触发KD5603向扬声器输出“欢迎光临”声音。

因为在multisim2010中没有KD5603语音芯片，所以使用发光的LED灯来代替发声功能。

小灯亮表示发声模块发出声音，小灯不亮说明发生模块没有发声。

其仿真如下图4.17和4.18。

图4.17KD5603没有发出声音（小灯不亮）

图4.18KD5603发出声音（小灯亮）

4.5迎客自动门铃整体电路工作仿真

4.5.1没有顾客经过时仿真

因为没有顾客经过，H1和H2没有接受到红外感应，所以控制模块和发声模块都不工作，仿真图中代替发声模块的LED灯没有亮，如图4.19。

图4.19没有顾客经过时仿真

4.5.2有顾客靠近时仿真结果

当有顾客靠近门铃，但没有进门时，H1接收到信号，J1A闭合，H2没有接收到信号，4013D触发器U2B脉冲端输入高电平，其Q端输出高电平。

由于H2没有感应到红外信号，相当于J2B断开，信号通过与非门到达4013D触发器U1A的脉冲端仍为低电平，U1A不能触发，其Q端输出低电平。

通过或门时小灯仍不亮。

仿真图中代替发声模块的LED灯没有工作，如图4.20。

图4.20有顾客靠近时仿真结果

4.5.3有顾客进来时仿真

（1）当顾客进来时，H1和H2接受到红外感应信号，经过与非门，将信号传到控制模块，使发声模块工作，仿真图中代替发声模块的LED灯工作并亮起。

由于开关S3A没有闭合，此时电路工作在只发声一次的工作形式，小灯亮的时间约为2.2s。

其仿真结果如下图4.21和4.22。

图4.21有顾客进来时仿真

图4.22有顾客进来时，播报结束时波形

（2）当顾客进来时，H1和H2接受到红外感应信号，经过与非门，将信号传到控制模块，使发声模块工作，仿真图中代替发声模块的LED灯工作并