红外感应式语音门铃电路设计东油课程设计汇编.docx

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红外感应式语音门铃电路设计东油课程设计汇编

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

专业班级应物09-1班级

学生姓名

学生学号0

指导教师

2013年3月1日

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

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。

摘要

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。

设计完成后使用Protel对其作了仿真，结果较为理想，外界干扰不大的情

况下基本不会误报，但扬声器发声的持续时间较理论值稍短0.2秒，误差9%，但不影响

电路工作。

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。

关键词：

感应技术；热释电红外传感器；D触发器；红外感应式门铃

Abstract

Thepaperisbasedongraspingthepyroelectricinfraredsensor’sbasicprinciplesandbasicanalogcircuits,digitalcircuittheoryofknowledge（includingnon-gate,Dflip-flop,transistors,capacitors,resistors,speakers,etc.）.ThenitintroducesanewinfrareddetectionmoduleHN911andthecommonusageoftheDflip-flop—CD4013.Onthisbasis,usingthemtodesignainfraredsensingdoorbellwhichplacesshop’sdoortomeetcustomers.Accordingtocasethatcustomers’passinandout,itcanmakedifferentreaction.Final,weuseProteltosimulationexperimentaltest.Thesimulationresultshowsthatthedesignhasgoodeffect.Thereisnomistakeifonlyalittleoutsideinterference.Butthecontinuoussoundtimeofspeakerisshorterthanthetheoreticalvalueof0.2seconds,errorof9%.Itdoesnotaffectthecircuit.

Thepapermainlystudiesthetypicalapplicationofinfraredsensingtechnologyinthedailylife—sensingdoorbell.Throughthisresearch,weshouldmasterthebasicprincipleofinfraredsensingtechnology,circuitdesignprocessandcomponentsapplication.

Theresultsshowthatthispaperdescribesthecircuitdesigntoachievethedesiredrequirements.Onesthepeopleenteringtheshop,thespeakerimmediatelyissuedgreeting.Andthedoorbellisn’tpromptedwhenthepeopleleave.

Thecharacteristicsofthispaperis:

asimplecircuitstructure,easytounderstandtheprinciplesandproduce,havefunctionaldevelopment.Overall,thispaperdescribesthecircuitdesigncanmeetthedesignrequirements.Forbeginnerstounderstandsensingdoorbell,furtherdeepeningthetheoreticalknowledgeandimprovepracticalabilitywithacertainvalue.

KeyWords:

Sensingtechnology;Pyroelectricinfraredsensors;Dflip-flop;Infraredsensingdoorbell.

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。

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“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

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。

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。

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2-2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。

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图2-3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2-3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。

2.1.6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。

菲涅尔透镜是由法国物理学家奥古斯汀·菲涅尔（Augustin·Fresnel）发明的，他在1822年最初使用这种透镜设计用于建立一个玻璃菲涅尔透镜系统——灯塔透镜。

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2-4所示。

图2-4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。

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2-6所示。

图2-6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2～2.5m，远离空调器、冰箱、