应物馨红外感应式语音门铃电路设计.docx
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应物馨红外感应式语音门铃电路设计
东北石油大学
课程设计
课程光电检测技术
题目红外感应式语音门铃电路设计
院系电子科学学院
专业班级
学生姓名
学生学号2
指导教师
2013年3月1日
大庆石油学院课程设计任务书
课程光电检测技术
题目红外感应式语音门铃电路设计
专业姓名学号09主要内容：
应用KD5223语音专用集成电路，TX05D红外集成传感器，设计一红外感应式语音门铃电路，使其当有人接近时发出“请开门”的声音。
基本要求：
1）设计红外感应式语音门铃电路设计功能框图。
2）设计红外探测电路、模拟语音电路、音频功率放大电路、电源变换电路。
3）当客人离门1米左右时发出“请开门”的声音。
4）调试安装。
5）完成课程设计总结报告。
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.
完成期限2013.2.25~2013.3.1
指导教师
2013年2月25日
专业负责人
第1章概述
本文在掌握热释电红外传感器的基本原理和基本模拟电路、数字电路知识原理（包括与非门，D触发器，三极管，电容，电阻，扬声器等）的基础上，介绍了一种新型的实用的红外探测模块HN911以及双D触发器CD4013的常见应用情况。
在此基础上，运用它们设计一个置于店铺门口的用于迎接顾客的红外感应式门铃。
它可根据顾客的进出情况作出不同的反应。
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：
本文叙述的电路设计方案能达到预想的效果，当人进入时，扬声器立即发出问候语，而离开则不提示，并且可以进行功能拓展。
本文特色在于：
电路结构简单，原理易懂，容易制作，并有一定的功能拓展性。
总体而言，本文对于理解感应式门铃的原理与设计，进一步深化理论知识，提高动手实践能力都具有一定的参考价值。
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2章激光报警器工作原理
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。
2.2感应式门铃的基本原理
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。
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。
2.3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1和图2所示。
图1热释电红外传感器结构图
图2热释电红外传感器内部电路图
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[5]。
2.4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。
这就是电介质的热释电效应。
热释电红外传感器按内部安装敏感元件个数多少，又可分为单元件、双元件、四元件及特殊形式等几种，最常见的为双元件型。
所谓双元件就是在一个传感器中有两个反相串联的敏感元件，其特点是：
（1）当入射能量顺序地射到两个元件上时，其输出要比单元件高一倍；
（2）由于两个元件逆向串联，对于同时输入的能量会相互抵消，可防止太阳或灯头等红外线引起误动作；
（3）可防止因环境温度变化引起的检测误差；
（4）常用的敏感元件还具有压电效应，所以双敏感元件还可以消除因振动引起的检测误差。
上文图就是双元型元件。
特殊形式有温补单元型，主要用于辐射高温计、气体分析设备、火焰检测器等[6]。
目前常用的热释电红外传感器型号主要有P228、LHl958、LHI954、RE200B、KDS209、PIS209、LHI878、PD632等。
热释电红外传感器通常采用3引脚金属封装，各引脚分别为电源供电端（内部开关管D极，DRAIN）、信号输出端（内部开关管S极，SOURCE）、接地端（GROUND）。
常见的热释电红外传感器外形及各引脚功能如下图3所示。
热释电红外传感器的主要工作参数有：
工作电压（常用的热释电红外传感器工作电压范围为3～15V）、工作波长（通常为7.5～14μm）、源极电压（通常为0.4～1.1V，R=47KΩ）、输出信号电压（通常大于2.0V）等。
图3热释电红外传感器
2.5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，频率可由下列公式计算：
f=Vb*fb/（2pi*s*L）
（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[7]。
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。
2.6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。
基本外形如下图4所示。
图4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2.4～5.5V；
（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。
第3章激光监控报警器电路设
3.1光电转换电路设
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5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。
图5HN911T
3.2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。
3.3信号处理部分电路设计
首先，需要进一步详细明确设计目标：
（1）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；
（2）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；
（3）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CP2，以便H2输出高电平时，Q2跳变为高电平，使发声模块工作；
（4）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，再当H1输出高电平时仍不能解锁D2脉冲端；
（5）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。
根据这些具体要求，电路设计如下图6所示。
这里用到了CD4013的单稳态工作方式。
图6CD4013电路图
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触发器的复位端R1和R2为低电平不起作用，Q1和Q2输出也为低电平，电路处于等待状态。
此时，H2的输出经与非门作用在D1上，使得D1保持高电平。
由于Q1输出低电平，H2的输出无法通过与非门作用在D2脉冲端CP2上，即H2的探测信号被封锁，即使H2输出高电平，后续电路也无法接收到。
当客人进门时，先经过H1，H1输出的高电平作用于CP1端，使得Q1输出高电平，H2封锁解除。
客人再经过H2时，H2输出的高电平经两个与非门后使CP2出现一个正脉冲，Q2翻转为高电平，后续电路开始工作，同时D1变为低电平。
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，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。
客人完全走出H2的感应范围后，D1回复高电平。
这里面，控制模块输出端Q持续输出高电平的时间由R2和C1决定，t≈0.693R2C1，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R2和C1即可。
当客人离开时，先经过H2，H2输出高电平促使D1跳变为低电平，且由于Q1的低电平封锁与非门，H2信号无法传输到CP2，Q2状态不变，后续电路无法工作。
客人再经过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CP1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，确保不出现误报。
客人走出H2感应区后，D1恢复高电平，系统重新进入等待状态。
这里如果不使用H2控制D1，将D1如同D2一样始终接至高电平，则当连续有顾客出门时就会产生误报。
原理很简单，当第一位客人离开时，虽然模块输出Q保持低电平不变，但他经过H1时会给一个正脉冲信号使Q1输出高电平，导致H2端的封锁解除。
如果此时再有一位客人离开，H2探测到的信号毫无阻碍的传输到CP2，Q2输出高电平，电路工作，出现误报[16]。
器件选择
与非门选用CD4011四2输入与非门，D触发器选用CD4013双D触发器，电阻使用1MΩ的碳膜电阻器，电容使用3.3uF的瓷介电容器，二极管使用1N4148[17][18]。
3.4发声模块
发声模块的设计比较简单，如下图7所示。
这里选用KD5603语音芯片，内含“欢迎光临”的预存语音。
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7发声模块电路图
3.5供电模块
根据前面各个模块的元件，芯片要求，采用+5V直流电源供电。
3.6系统整体电路图
这个设计方案的完整电路图如图8所示。
下面再累述一遍完整的工作原理。
图8设计方案电路图
无人进出时，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。
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。
第4章安装与调试
4.1软件概况
各软件基本符合要求。
清单如下：
4.2安装与调试
各点应输出的信号达到要求。
如电源是稳定9v直流电压，光电转换器件输出达到要求，电压达到100μV左右。
总体测试达到要求。
第5章结论
本文根据现有的芯片及技术，运用数字电路和模拟电路知识，设计了一个简单可用的红外感应式门铃。
在实现了最基本的感应并发声的门铃功能后，通过改进，使得门铃可以判别顾客行走方向，为继续增加拓展功能预留空间。
并且通过仿真，证实设计的可用性。
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。
本文最终目的是设计出一个感应式门铃，但更多的是展示红外感应技术在日常生活中的应用。
同样在这里最应该深入研究和掌握的也是红外感应技术。
真正的红外感应技术可以说体现了一个国家的科技水平，在军事、工农业上均有非常重要的地位，是目前乃至今后一段时期内一个重点发展方向，因此非常具有研究价值。
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。
参考文献
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[2]闫军，庄乾章．热释电红外传感器的类别特性及应用[J]．长春大学学报．2004．第14卷．第6期：
22-24
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电子工业出版社．2007
[4]ToreyinBU．FlamedetectionusingPIRsensors[J]．SignalProcessing,CommunicationandApplicationsConference．2008.
[5]吕璠．热释电红外报警器的设计[A]．廊坊师范学院学报．2008．第9卷．第3期：
62-64
[6]瞿贵荣．热释电红外传感器的结构原理及特性[J]．家庭电子．2005．第8期：
54
[7]杨光临，陈明春，段晓辉，胡建斌．人体红外探测前放电路信号输出特性分析[A]．电子测量与仪器学报．2007年增刊：
82-85
[8]瞿贵荣．菲涅尔透镜及其应用[J]．家庭电子．2005．第7期：
56
东北石油大学课程设计成绩评价表
课程名称
光电检测技术
题目名称
红外感应式语音门铃电路设计
学生姓名
馨
学号
指导教师姓名
职称
序号
评价项目
指标
满分
评分
1
工作量、工作态度和出勤率
按期圆满的完成了规定的任务，难易程度和工作量符合教学要求，工作努力，遵守纪律，出勤率高，工作作风严谨，善于与他人合作。
20
2
课程设计质量
课程设计选题合理，计算过程简练准确，分析问题思路清晰，结构严谨，文理通顺，撰写规范，图表完备正确。
45
3
创新
工作中有创新意识，对前人工作有一些改进或有一定应用价值。
5
4
答辩
能正确回答指导教师所提出的问题。
30
总分
评语：
指导教师：
年月日
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