红外感应门铃电路设计完整Word.docx

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红外感应门铃电路设计

摘要：

本设计主要研究了红外感应技术在日常生活中的典型应用。

设计中运用模拟电路知识，利用热释电红外传感器、LM324四运放集成电路和NE555时基集成电路等器件设计了一款红外感应式门铃电路。

该电路工作时可根据客人的走动作出反应，当有客人进入时，门铃自动响起悦耳的音乐，提醒主人有客来访。

该电路结构简单，原理易懂，容易制作，并有一定的功能拓展性，具有相当的社会实用性。

通过对它的研究，掌握了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，进一步深化了理论知识；同时也熟悉了multisim11和protel99两种软件在电路设计中的应用。

关键词：

热释电红外传感器；　集成电路；　模拟电路

目　录

一、引言..........................................................................................................................................................1

附录1热释电感应门铃电路原理图............................................................................................................23

一、引言

（一）课题研究的背景及意义

门铃历史悠久，现代社会最常见的是电子门铃。

早期门铃的作用就是单纯地提醒主人有宾客来访，随着经济的发展，门铃的类型开始多样化，功能作用也开始转变。

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。

门铃的作用也由单向的提示主人发展为双向的既可提醒主人又可欢迎客人（即宾客也可以听到悦耳的音乐或欢迎语音），既可迎宾又可防盗报警。

多功能红外感应式门铃就是在这种探索研究中产生的。

感应式门铃又称迎宾器，是近年才有的常用于商铺，写字楼，工厂起迎宾防盗作用的电子产品。

感应式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，起到了礼貌问候的作用，从而做到提醒店员有人进店和迎宾的双重作用。

感应式门铃的研究主要是集中在如何使其感应更灵敏，感应更准确，功能更完善，价格更低廉等方面，目的就是让感应式门铃在各种应用场合中完美地起到迎宾、醒主和防盗报警作用。

（二）国内外研究现状

目前感应式门铃主要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。

但光感门铃受环境光照度的影响，黑暗情况下不能正常使用。

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。

（三）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。

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。

二、总体方案设计与论证

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。

下面对这两种传感器的基本情况分别加以介绍，再结合本课题的设计要求，选择一种最合适的红外传感器类型进行课题研究。

（一）方案选择

方案一：

设计方案框图

　　方案一设计方案框图如图2-1所示。

图2-1　方案一电路方框图

该电路采用主动式红外感应，本电路工作时，来人只需站在门口前电路就可自动发声，多谐振荡（NE555）等元件组成红外发射电路，振荡频率在40kHZ左右，输出电流为100-200mA，可驱动红外发光二极管发出40kHZ调制红外脉冲信号。

红外接收管D2接收到40kHZ频率的红外脉冲信号后，转为电信号送入芯片（uPC1373H）的（7）脚，经放大和调谐以及芯片（uPC1373H）内部检波、整形后，由

（1）输出脉冲波信号。

单稳态触发器（NE555）的（3）输出为高电平，三极管放大后送给扬声器发声和灯泡发光。

此电路缺点：

（1）必须要有发射源，在安装时占地方。

（2）cpu1373H集成芯片贵。

（3）抗同频干扰力差。

（4）接收和发射频率不好配调。

此电路优点：

原理结构简单。

方案二：

设计方案框图

　　方案二设计方案框图如图2-2所示。

图2-2方案二电路基本构成图

该电路采用被动式感应。

它是利用热释电感应探头作为接收部分，来人后，只要经过门口热释电感应探头（单光束、双光束、四光束），热释电感应探头便输出1-10mV和频率为6-10HZ和信号送给运放进行处理后，再进行双限比较，送给单稳态电路（NE555）的

（2）脚低电平输入端进行处理，时延后由NE555（3）脚输出高平最后三极管放大送给扬声器发声和灯泡发光。

此电路的优点：

（1）只有接收部分安装占地方小。

（2）大部分是常用集成块，价格便宜。

（3）只需要人的温度（37℃）就可以接收信号。

以上两个方案中方案二实用于现实生活。

本设计选用第二种方案，以性能好、价格较低、应用较方便的集成运放LM324为核心设计相关硬件。

（二）方案论证

根据方案规划及任务指标设计基本组成框图，以上两个方案，方案一，虽然原理结构简单，但是由于天气和温度的变化，电感和电容的值会产生变化（主要是电容变化大），这样就会造成接收失调，不能频率，导致uPC1373H

（1）脚输出，使得该电路在有人来时，也不发声。

方案二就没有对频率这方面要求那么高，只要有人来就有输出。

因为方案二都是用的常用集成块，而且成本要低点。

所以两者比较选用第二种方案。

三、单元电路设计与实现

（一）前置放大电路设计

　　前置放大电路的作用是对接收到的正弦波信号进行放大，因此，前置放大电路中的两个重要器件是热释电感应器和放大器。

1、热释电感应器

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（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。

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：

（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），s是传感器敏感元的面积（mm2），L是人体离传感器距离（m）。

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0.08～8Hz。

由于传感器输出的信号非常微弱，因此需要外接放大电路，也有些传感器生产厂家直接将后续信号处理电路内置在传感器中，用户直接就可以使用。

热释电红外传感器其优点是本身不发出各种类型的辐射，该器件的功耗小、隐蔽性好、价格低。

其缺点是容易受各种热源、光源及射频辐射的干扰；被动红外穿透力差，人体的红外辐射容易被遮挡，不易被探头接收；当环境温度和人体温度接近时，探测和灵敏度下降，有时还会短时失灵。

2、菲涅尔透镜

热释电红外传感器不加光学透镜（也称菲涅尔透镜），其检测距离通常不大于2m，而加上菲涅尔透镜后，其检测距离可大于7m。

因此在实际应用中，热释电红外传感器通常与菲涅尔透镜配合使用。

菲涅尔透镜（FresnelLense）是一种微细结构的光学元件，从正面看其象一个飞镖盘，由一环一环的同心园组成，是依托菲涅尔理论由平凸透镜演变而来的，是平凸透镜的一种异化。

它具有短焦距、大孔径及厚度小的特点，用菲涅尔透镜可以获得更为柔和、均匀的光分布照明状态。

菲涅尔透镜有两种形式，即折射式和反射式。

其工作原理十分简单，它有两种理解方式：

（1）假设一个透镜的折射能量仅仅发生在光学表面（如：

透镜表面），拿掉尽可能多的光学材料，而保留表面的弯曲度。

如图2-3所示。

图2-3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2-4所示。

图2-4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。

小帽子的内部都刻上了齿纹。

这种菲涅尔透镜可以将入射光的频率峰值限制到10μm左右（人体红外线辐射的峰值），成本相当的低。

因此，菲涅尔透镜作用有两个：

一是聚焦作用，即将热释红外信号折射（反射）在PIR（热释电红外传感器）上，第二个作用是将探测区域内分为若干个明区和暗区，使进入探测区域的移动物体能以温度变化的形式在PIR上产生变化的信号，继而传感器就能产生控制信号。

在热释电红外传感器应用中，菲涅尔透镜的主要作用是聚焦作用。

其工作示意图如图2-5所示。

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2～2.5m，远离空调器、冰箱、火炉、射灯等空气温度变化敏感的地方；

图2-5菲涅尔透镜聚焦作用示意图

（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。

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2-6所示。

图2-6热释电红外传感器灵敏度示意图

3、四运放集成电路

LM324是四运放集成电路，它采用14脚双列直插塑料封装,外形如图所示。

它的内部包含四组形式完全相同的运算放大器,除电源共用外,四组运放相互独立。

每一组运算放大器可用图1所示的符号来表示,它有5个引出脚,其中“+”、“-”为两个信号输入端,“V+”、“V-”为正、负电源端,“Vo”为输出端。

两个信号输入端中,Vi-（-）为反相输入端,表示运放输出端Vo的信号与该输入端的位相反;Vi+（+）为同相输入端,表示运放输出端Vo的信号与该输入端的相位相同。

LM324的引脚排列见图2-7。

图2-7LM324外形图和内部结构图

　由于LM324四运放电路具有电源电压范围宽,静态功耗小,可单电源使用,价格低廉等优点,因此被广泛应用在各种电路中。

4、运放电路设计

　　　利用LM324运放，设计的前置放大电路图如图2-8所示。

图2-8　前置放大电路图

此放大器可代替晶体管进行交流放大,可用于扩音机前置放大等。

电路无需调试。

放大器U1A由R3、R4组成1/2Vcc偏置,C2是消振电容。

U1A放大器电压放大倍数Av仅由外接电阻R2、R5决定：

Av1=-R5/R2=200K/10K=-20。

放大器U2B由R7、R8组成1/2Vcc偏置，C5是消振电容。

U2B电压放大倍数Av由外接电阻R6、R9决定：

Av2=-R9/R6=1M/10K=-100。

Avo=Av1*Av2=20*100=66db。

按图中所给数值,Av1=-20和Av2=-100。

负号表示输出信号与输入信号相位相反。

此两级放大电路输入电阻分别为R1、R6，C1和C4为耦合电容。

（二）比较电路和开关电路设计

利用LM324设计的比较、开关电路图如图2-9所示。

图2-9（a）比较电路

图2-9（b）电压传输特性

其中U1为上限电压，U2为下限电压，Ui为输入电压；当Ui>U1或Ui

当U1

由图中传输特性可知，当输入电压Ui处于U1和U2之间时，输出为-Uom，而当输入电压的值处于U1和U2之外时输出为+Uom。

在图2-9（b）电压传输特性电路中，运算放大器的输出端不能直接相连，因为图2-9（a）（D1、D2用IN4148，R=1K）当两个运入输出电压的极性相反时，将互为对方提供低阻抗通路而导致运算放大器烧毁。

在比较器后加上开关管,整个电路不但工作可靠,且输出电流大,能驱动后级的执行电器工作。

（三）延时电路

延时电路的功能是使客人离开过后音乐还继续在响，在本设计中可以得用单稳态ME555后积分电路实现。

1、NE555内部结构及工作原理

555定时器成本低，性能可靠，只需要外接几个电阻、电容，就可以实现多谐振荡器、单稳态触发器及施密特触发器等脉冲产生与变换电路。

它也常作为定时器广泛应用于仪器仪表、家用电器、电子测量及自动控制等方面。

下面就本设计需要主要介绍一下它的内部结构、基本原理和单稳态触发器。

555内部结构如图2-10所示。

图2-10555定时器的内部电路框图

在图2-10中555定时器由3个阻值为5kΩ的电阻组成的分压器、两个电压比较器C1和C2、基本RS触发器、放电三极管TD和缓冲反相器G4组成。

虚线边沿标注的数字为管脚号。

其中，1脚为接地端；2脚为低电平触发端，由此输入低电平触发脉冲；6脚为高电平触发端，由此输入高电平触发脉冲；4脚为复位端，输入负脉冲（或使其电压低于0.7V）可使555定时器直接复位；5脚为电压控制端，在此端外加电压可以改变比较器的参考电压，不用时，经0.01uF的电容接地，以防止引入干扰；7脚为放电端，555定时器输出低电平时，放电晶体管TD导通，外接电容元件通过TD放电；3脚为输出端，输出高电压约低于电源电压1V—3V，输出电流可达200mA，因此可直接驱动继电器、发光二极管、指示灯等；8脚为电源端，可在5V—18V范围内使用。

555定时器工作时过程分析如下：

5脚经0.01uF电容接地，比较器C1和C2的比较电压为：

UR1=2/3VCC、UR2=1/3VCC。

当VI1＞2/3VCC，VI2＞1/3VCC时，比较器C1输出低电平，比较器C2输出高电平，基本RS触发器置0，G3输出高电平，放电三极管TD导通，定时器输出低电平。

当VI1＜2/3VCC，VI2＞1/3VCC时，比较器C1输出高电平，比较器C2输出高电平，基本RS触发器保持原状态不变，555定时器输出状态保持不来。

当VI1＞2/3VCC，VI2＜1/3VCC时，比较器C1输出低电平，比较器C2输出低电平，基本RS触发器两端都被置1，G3输出低电平，放电三极管TD截止，定时器输出高电平。

当VI1＜2/3VCC，VI2＜1/3VCC时，比较器C1输出高电平，比较器C2输出低电平，基本RS触发器置1，G3输出低电平，放电三极管TD截止，定时器输出高电平。

2、延时电路

利用555设计的延时电路如图2-11所示。

图2-11单稳态触发器组成的延时电路

由555定时器和外接定时元件R2、C2构成的单稳态触发器。

稳态时555电路输入端处于电源电平，输出到Q1输入端为低电平，三极管截止，负载RL电流为0，当有一个外部负脉冲触发信号加到Vi端。

并使2端电位瞬时低于1/3VCC，低电平比较器动作，单稳态电路即开始一个稳态过程，电容C2开始充电，Vc按指数规律增长。

当Vc充电到2/3VCC时，高电平比较器动作，输出Vo从高电平返回低电平。

波形图如图2-12所示。

图2-12单稳态触发器波形图

暂稳态的持续时间Tw（即为延时时间）决定于外接元件R2、C2的大小。

Tw=1.1R2C2

通过改变R2、C2的大小，可使处时时间在几个微秒和几十分钟之间变化。

当这种单稳态电路作为计时器时，可直接驱动小型继电器，并可采用复位端接地的方法来终止暂态，重新计时。

通过改变R2、C2的大小，可使延时时间在几个微秒和几十分钟之间变化。

当这种单稳态电路作为计时器时，可直接驱动小型继电器，并可采用复位端接地的方法来终止暂态，重新计时。

四、发声（音乐芯片）和发光电路设计

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4-1所示。

图4-1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，图4-1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2.4～5.5V；

（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。

五、整机电路工作原理

根据以上各单元电路可以得到热释电感应门铃整机电路原理图，如附录1所示。

X1A、X2B、X3C、X4D组成廉价的通用四运放LM324,用其中X1A、X2B两个运放组成高、低通放大器。

第一级放大器增益为:

AV1=R6/R4=20,第二级放大器增益为:

AV2=R10/R9=100，总增益为AV=20×100=2000=66dB。

电压比较器部分LM324另外X3C、X4D两个运放组成电压比较检测窗口,由R3、R5和R7、R8将高、低通放大器的（3）脚和（5）脚均设置为1/2Vcc,即3V。

当红外传感器检测到人体的活动,其产生的微弱电压信号经过放大,传送到LM324的（10）、（13）脚时,可以检测到峰值约为5V的正弦波,那么无论是信号的正半周还是负半周,两个比较器中必有一个输出为低电平,使NE555的

（2）脚由高电平跳成低电平,以便控制延时电路工作。

而当红外传感器没有检测到人活动时,由静态电路可知,该3V直流信号同时加到LM324的（10）、（13）脚,又知道R11、R12、R13将窗口电压上、下限设置为3.4V和2.6V,即（9）脚偏置为3.4V,（12）脚偏置为2.6V。

静态时,电压比较器输出端（8）、（14）均为低电平，开关管截止,NE555的

（2）脚仍为高电平,延时电路不工作。

当红外传感器检测到人的活动,在输入信号的正半周时,（13）脚的电平高于（12）脚所加的2.6V比较电压,下比较器由（14）脚输出低电平，VD2截止;此时由于（10）脚电平高于（9）脚,上比较器输出高电平,VD1导通,其高电平使得开关管饱和导通,将NE555的

（2）脚拉成低电平,致使延时电路工作。

在信号负半周时,上、下比较器输出电平刚好相反,即（8）脚输出低电平,（14）脚输出高电平,VD2导通。

可见,只要传感器检测到人体活动,无论是信号的正半周还是负半周,两个比较器中必有一个输出为高电平,通过开关三极管从而控制延时电路工作。

延时电路U1使用单时基电路NE555,延时时间t=1.1R16×C9≈60s。

其作用有二:

一是为自己离开检测区时提供一段非报警延迟时间;二是在自己进入检测区后提供关断检测器所需的时间。

延时电路工作时,输出的高电平使得三极管导通使得扬声器发声和灯发光。

六、电路仿真与调试

（一）软件介绍

本设计使用了仿真软件multisim和印制电路板制作软件protel99，下面分别对这两种软件进行介绍。

1、仿真软件Multisim

Multisim是InteractiveImageTechnologies（ElectronicsWorkbench）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。

工程师们可以使用Multisim交互式地搭建电路原理图，并对电路进行仿真。

Multisim提炼了SPICE仿真的复杂内容，这样工程师无需懂得深入的SPICE技术就可以很快地进行捕获、仿真和分析新的设计，这也使其更适合电子学教育。

通过Multisim和虚拟仪器技术，PCB设计工程师和电子学教育工作者可以完成从理论到原理图捕获与仿真再到原型设计和测试这样一个