東北石油大學課程設計課 程 光電檢測技術 題目紅外感應式語音門鈴電路設計院 系 電子科學學院 專業班級 應用物理09-1 學生姓名 學生學號 指導教師 2013年3月1日大慶石油學院課程設計任務書課程 光電檢測技術 題目 紅外感應式語音門鈴電路設計 專業應用物理09—1 姓名梅 學號09主要內容: 應用KD5603語音專用集成電路，HN911紅外集成傳感器，設計一紅外感應式語音門鈴電路，使其當有人接近時發出“請開門”的聲音。基本要求:1） 設計紅外感應式語音門鈴電路設計功能框圖。2） 設計紅外探測電路、模擬語音電路、音頻功率放大電路、電源變換電路。3） 當客人離門1米左右時發出“請開門”的聲音。4） 調試安裝。5） 完成課程設計總結報告。主要參考資料:1） 陳有卿編著.新穎集成電路制作精選[M].人民郵電出版社,2005.4.2） 陳振官，陳宏威等編著.光電子電路制作實例[M].2006.4.3） 黃繼昌等編著.檢測專用集成電路及應用[M].2006.10.完成期限 2013225?2013.3.1指導教師 專業負責人 2013年2月25日第1章概述門鈴的發展、作用及意義門鈴歷史悠久，現代社會最常見的是電子門鈴。門鈴的類型由有線門鈴發展為無線門鈴，由單純的音樂門鈴發展到對講門鈴，遙控門鈴，可視門鈴等。隨著經濟的發展，門鈴也已經不單純作為居家提醒來客的工具了。善于創新的人類會去思考，門鈴是否可以用來提醒主賓雙方，是否可以既用于迎賓又用于防盜。感應門鈴就是在這種探索中產生。感應門鈴又稱迎賓器，是近年才有的常用于小型商鋪，超市起迎賓防盜作用的電子產品感應門鈴的前身是電子防盜報警器；事先人們用它來防盜的，但后來因為電子防盜報警器發出的聲音是刺耳的報警聲，對進店的顧客產生消極的影響，后來演變成比較悅耳的聲音，特別是：叮咚聲，您好歡迎光臨等音效備受用戶的青睞，顧客一進門就報出歡迎語音，起到了禮貌問候，從而做到提醒店員有人進店和迎賓的兩重作用。紅外感應式的研究現狀感應門鈴分光感應式和紅外感應式，其中紅外感應式的具有較為優良的性能和可靠性，為大家所接受使用。常見紅外感應式門鈴使用紅外熱釋電傳感器，本身不發射任何信號，當接收到人體輻射的特定紅外線中心波長信號時，才會觸發電路，因此誤報極少，加上前面的菲涅爾透鏡窗口，從而將誤報率降至最低。紅外感應式采用先進微電腦制造技術，無論白天黑夜都可正常使用，即可做迎賓器使用，也可做獨立報警器使用。性能卓越，節能易用，靈敏度強，更適合市場的需要，更貼近消費者的生活內容，辦公寫字樓、家居、商店、工廠等各種場合均可使用，帶來方便之余，更帶來意想不到的快樂和安全感。紅外感應式技術的核心就是紅外探測器。紅外探測器是一種將不可見的紅外輻射轉換成可測量的信號的光敏器件。探測器作為紅外整機系統的核心關鍵部件，探測、識別和分析紅外信息。一個完整的紅外探測器包括紅外敏感元件、紅外輻射入射窗口、外殼、電極引出線以及按需要而加的場鏡、浸沒透鏡、濾光片等。按工作機理分為熱探測器和光子探測器兩大類。熱釋電紅外傳感器就是熱探測器的一種。本次設計就是要根據現有紅外感應門鈴技術，在掌握其設計原理的基礎上，利用紅外探測器加上必要的芯片及元器件，制作一個簡易實用廉價的感應門鈴。第2章紅外感應式語音門鈴的工作原理紅外式語音門鈴的整體框圖本設計方案可分為4個模塊：紅外探測模塊，控制模塊，發聲模塊，供電模塊。如圖1.1所示，其中最關鍵的就是紅外探測模塊和控制模塊。前者決定了整個設計方案的成敗，而后者決定了能否實現預期效果。圖1.1系統模塊圖紅外探測模塊紅外探測模塊實現的功能將感應到的人體紅外線轉換為可用的驅動電信號。本模塊的紅外感應部分采用熱釋電紅外線傳感器。它能以非接觸形式檢測出人體輻射的紅外線能量的變化，并將其轉換成電壓信號輸出。整個探測模塊有光學系統，熱釋電紅外傳感器，信號濾波和放大信號出構成。如果使用獨立元件器件完成信號處理的各項功能會比較復雜。這里采用一種新型模塊HN911。HN911是一款新型熱釋電紅外探測器，采用雙列6腳直插式封裝。該傳感器由于內部放大器集成了溫度補償功能，可以將人體輻射信號從惡劣的環境輻射信號中分離出來進行處理，保證了傳感器的工作穩定性。它具有靈敏度高，抗干擾能力強，耐低溫以及使用方便的特點因而HN911可在嚴寒或炎熱等惡劣環境地區使用。表1.1為HN911紅外探測模塊的性能指標。型號參數名稱加通用型微功耗型HN911L低溫型HN911D工作電壓DC5V±10%DC6V±10%DC5V±10%靜態電流<1mA<2uA<1mA工作溫度—20?50°C—20~50C—30~50C輸出延時〉2S〉2S〉2S內部放大器增益〉70dB〉70dB〉70dB內部放大器頻寬0.3?7HZ0.3~7HZ0.3~7HZ探測范圍（加透鏡）〉10m〉10m〉10mHN911模塊內放大器具有溫度補償功能。探測器工作時，人體輻射和周圍環境紅外輻射一起進入傳感器。當氣溫升高時，背景紅外輻射增強，傳感器自身極化強度即傳感器輸出的熱釋電信號減小，將明顯影響對人體的探測。因此，內部的溫度補償電路，使放大器的增益隨環境溫度的升高而升高，從而保證了該傳感器的溫度穩定性。2.3控制模塊控制模塊的功能是根據探測模塊傳來的信號進行判斷，若判斷結果為顧客進入，則輸出高電平，使發聲模塊工作；若判斷結果為顧客離開，則輸出低電平，發聲模塊不工作。因為發聲模塊正常工作需要一定的時間，而非一個瞬時脈沖，故要求控制模塊輸出的高電平能持續一段時間。無疑，這里應該用到觸發器，對輸出可以起到一定時間的保持作用。本次設計選用雙D觸發器CD4013。CD4013是CMOS雙D觸發器，內部集成了兩個性能相同，引腳獨立（電源共用）的D觸發器，采用14引腳雙列直插塑料封裝，是目前設計開發電子電路的一種常用器件，它的使用相當靈活方便且易掌握，受到許多電子愛好者的喜愛。CD4013的管腳排列如圖15所示，內部有兩個完全相同的D觸發器FF1和FF2。圖中，D為數據輸入端，CLOCK為時鐘脈沖輸入端，Q和Q一對互補的輸出端，SET為置位端，RESET為復位端，VDD和VSS分別為電源正負端［14］。當RESET=SET=0時，在CLOCK上升沿的作用下，Q端狀態與D端相同，即Q=D，也就是將D端數據置于觸發器；當RESET=1,SET=0時，電路復位,Q=0；當RESET=0,SET=1時，電路置位，Q=1。后兩種情況無需時鐘脈沖和數據端配合。一般情況下不允許同時在RESET，SET兩端加上高電平，因為此時觸發器的兩個輸出端均為高電平，是不正常的工作狀態。+5接控制模塊輸出端[T81+5接控制模塊輸出端[T81VDD OUT2TIRG VSSKD5603SPEAKER4廠Q101332.4選擇器件與非門選用CD4011四2輸入與非門,D觸發器選用CD4013雙D觸發器，電阻使用1MQ的碳膜電阻器，電容使用3.3uF的瓷介電容器，二極管使用1N4148[17][18]。2.5發聲模塊發聲模塊的設計比較簡單,如圖2.5所示。這里選用KD5603語音芯片,內含“歡迎光臨”的預存語音。三極管選用9013,揚聲器采用80,0.25W。平時，因音樂芯片觸發端無信號,電路處于等待狀態,揚聲器不發聲。一旦控制模塊輸出高電平,KD5603的觸發端TRIG受高電平觸發,芯片內部輸出儲存的語音信號,經三極管放大后推動揚聲器發聲。LS1圖2.5發聲模塊電路第3章感應式語音門鈴電路設計紅外傳感器的電路設計由于HN911將熱釋電紅外傳感器的后續信號處理電路全部集成，輸出信號即為可用信號，因此對于本設計的紅外探測模塊可以直接由HN911構成，而不需要接任何外部電路。這里因為要判斷方向，故使用兩個HN911T。將其分別命名為H1和H2,并排排列在顧客行走的垂直方向，其電路圖如圖3.1所示。因為要使顧客一進門就響，故可以把門鈴固定于門的側面，H1靠門外側，H2靠門內側。有人進入時，必然先經過H1,在經過H2；而出門也必然先經過H2,再經過H1。根據兩個HN911的1腳高電平來臨的先后次序，即可判斷顧客是進還是出。由于感應范圍較寬，而兩個紅外傳感器靠的較近，可以知道，它們有一部分重疊的感應區域，即有一定的時間范圍內兩個傳感器同時輸出高電平離去離去圖3.1紅外線模塊電路圖控制模板電路設計首先，需要進一步詳細明確設計目標：（1） 運用兩個D觸發器，紅外感應模塊中的H1和H2作為D觸發器的脈沖控制端使用,假設D1觸發器接H1,D2觸發器接H2,以D2觸發器的輸出端Q2作為控制模塊總輸出端,接后續電路模塊；（2） 當H1和H2輸出低電平（即無人進出）時，應使得D2觸發器的脈沖端被封鎖，防止因干擾觸發致使Q2跳變為高電平；

當Hl先輸出咼電平時，說明顧客是進入，應及時解鎖D2脈沖端CP2,以便H2輸出高電平時，Q2跳變為高電平，使發聲模塊工作；當H2先輸出高電平時，說明顧客是離開，D2脈沖端繼續封鎖，Q2輸出保持低電平。同時，再當H1輸出高電平時仍不能解鎖D2脈沖端；當顧客進入時，Q2輸出高電平，應持續一定的時間，使發聲模塊正常完整工作后自動變為低電平。根據這些具體要求，電路設計如下圖3.2所示。這里用到了CD4013的單穩態工作方式U3A4011接H1輸出QR2、U3A4011接H1輸出QR2、DSQACKR Q44RckVQSD'端圖3.2控制模板電路圖當無人進出時，紅外探測模塊的H1和H2的輸出為低電平，兩個D觸發器的復位端R1和R2為低電平不起作用，Q1和Q2輸出也為低電平，電路處于等待狀態。此時，H2的輸出經與非門作用在D1上,使得D1保持高電平。由于Q1輸出低電平，H2的輸出無法通過與非門作用在D2脈沖端CP2上，即H2的探測信號被封鎖，即使H2輸出高電平，后續電路也無法接收到。當顧客進門時，先經過H1,H1輸出的高電平作用于CP1端，使得Q1輸出高電平,H2封鎖解除。顧客再經過H2時，H2輸出的高電平經兩個與非門后使CP2出現一個正脈沖，Q2翻轉為高電平，后續電路開始工作，同時D1變為低電平。Q2輸出的一個支路開始給C1充電，隨著C1上的電壓不斷升高，D觸發器的復位端R工作，Q1和Q2重新變為低電平。C1通過二極管向Q2放電，C1兩端電壓降低使R恢復低電平。顧客完全走出H2的感應范圍后，D1回復高電平。這里面，控制模塊輸出端Q持續輸出高電平的時間由R2和C1決定，t-0.693R2C1,大概約為2.2秒，足夠支持揚聲器播報完預置語音。如果后續發生電路需要更長的高電平支持，只需適當調整R2和C1即可。當顧客離開時，先經過H2,H2輸出高電平促使D1跳變為低電平，且由于Q1的低電平封鎖與非門,H2信號無法傳輸到CP2,Q2狀態不變，后續電路無法工作。顧客再經過H1時，因為此時仍處于H2的探測范圍（兩傳感器有重疊感應區域），D1保持低電平。所以盡管CP1出現正脈沖信號，Q1繼續保持低電平不變，H2始終處于封鎖狀態，確保不出現誤報。顧客走出H2感應區后，D1恢復高電平，系統重新進入等待狀態。這里如果不使用H2控制D1，將D1如同D2一樣始終接至高電平，則當連續有顧客出門時就會產生誤報。原理很簡單，當第一位顧客離開時，雖然模塊輸出Q保持低電平不變，但他經過H1時會給一個正脈沖信號使Q1輸出高電平，導致H2端的封鎖解除。如果此時再有一位顧客離開，H2探測到的信號毫無阻礙的傳輸到CP2,Q2輸出高電平，電路工作，出現誤報[16]。第4章安裝與調式安裝根據前面各個模塊的元件，芯片要求，采用+5V直流電源供無人進出時，傳感器無感應信號輸出，觸發器D1輸出低電平使H2的輸出信號被封鎖，觸發器D2輸出低電平使揚聲器不會發聲，整個電路處于等待狀態。如果有人進入，H1先輸出正脈沖信號，Q1輸出高電平，H2解封鎖。隨后H2輸出的正脈沖信號觸發器D2輸出高電平，促使音樂芯片輸出語音信號，在經三極管放大信號，揚聲器工作，同時電容C1被充電。直到C1上電壓達到R的工作電壓，QI、Q2被迫復位，音樂芯片不再輸出語音信號，揚聲器定制工作。同時C1經二極管向Q2放電，R回復低電平。如果有人離開，H2先輸出的正脈沖信號在與非門被Q1封鎖，無法傳遞到后續電路，揚聲器不工作。調試（1）顧客進入情況設置信號源V1延遲400ms,V2延遲600ms，表示H1先接收到信號，即顧客進入。由于脈沖寬度400ms，使得它們有200ms的時間都處于高電平狀態，表示人處于兩個紅外傳感器的重疊感應區域。可得，顧客進入時，一進入H2的探測區域后，控制模塊就開始輸出高電平，使得后續的發聲電路開始工作，電容被充電。當電容上的電壓達到復位端的工作電壓時，輸出端回復低電平，電容迅速放電，等待下一次的信號來臨，符合設計預想。（2）顧客離開情況設置信號源V2延遲400ms，V1延遲600ms，其它參數與情況（1）中的信號源設置相同，表示H2先接收到信號，即顧客離開。可以看出，無論是輸出電平還是電容電壓始終保持低電平不變說明顧客離開時揚聲器不會發聲，電路不工作，符合設計預想。綜合兩者的情況，仿真的總體結果還是比較理想的，雖然存在誤差，但不影響電路的正常工作。這說明設計方案在理論上不存在原則性的錯誤，而在器件選擇，參數設置，電路的穩定性，外界干擾等綜合因素的考慮上還有待改進。第5章結論本文根據現有的芯片及技術，運用數字電路和模擬電路知識，設計了一個簡單可用的紅外感應式門鈴。在實現了最基本的感應并發聲的門鈴功能后，通過改進，使得門鈴可以判別顧客行走方向，為繼續增加拓展功能預留空間。并且通過仿真，證實設計的可用性。以此設計為基礎，還可以增加一些功能。比如，將音樂芯片改用HFC5218五合一語音芯片。該芯片內存儲有“您好，歡迎光臨”、“您好，謝謝光臨”、“歡迎光臨”、“謝謝光臨”和“您好”五段禮貌用語，可分別通過其外設的五個觸發端進行觸發。通過稍微修改控制電路，或者最直接的就是將電路功能全部反向后與原電路組合，可以實現顧客進入響起“歡迎光臨”的問候語，而顧客離開響起“謝謝光臨”的問候語。從整個設計過程和設計方案可以看出，此方案無論是基本原理、使用到的芯片的復雜度和各種元器件的數量，還是最后的連線布局，都是非常淺顯易懂的。除了紅外探測模塊使用到的HN911芯片，是比較新型的一種型號，價格也稍高外，其他器件都是非常常用、廉價的。作為廠家或個人而言，盡量使用普通工具、低廉成本實現我們的設計目標也是實際操作中應考慮的一個方面。本文最終目的是設計出一個感應式門鈴，但更多的是展示紅外感應技術在日常生活中的應用。同樣在這里最應該深入研究和掌握的也是紅外感應技術。真正的紅外感應技術可以說體現了一個國家的科技水平，在軍事、工農業上均有非常重要的地位，是目前乃至今后一段時期內一個重點發展方向，因此非常具有研究價值。可以說就熟悉元件、芯片屬性，深入領會理論知識，學會運用常用器件制作實用小電路，提高個人動手實踐能力，學會實際電子產品的設計流程而言，此門鈴設計已經達到了目標。當然就實際應用而言，本設計還存在著一些缺陷。這里的設計方案是考慮在一個比較良好的外界環境下使用的，對于各種外界干擾因素都沒有過多的考慮，而且在電路的安全穩定性方面也沒有做太多的深究，省略了一些保護性的元器件，這些都可能導致在實際生活應用上存在著誤報或者無法工作甚至電路損壞的問題。總的來說，此紅外感應式門鈴的設計對研究紅外感應技術具有一定的參考價值。相信在此基礎上，根據具體探測環境，充分考慮影響傳