1、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 應物09-1班級 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 姓名 學號主要內容： 應用KD5223語音專用集成電路，TX05D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

2、） 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 2013.2.252013.3.1 指導教師 專業負責人 2013年2月25日第1章 概述1.1目的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

3、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。 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。 1.2

4、基本內容和設計方案1.2.1基本內容 1）了解紅外感應探測技術，重點掌握熱釋電紅外傳感器的原理，掌握常用邏輯芯片及獨立元器件的應用情況，熟悉常見紅外感應器件的性能參數。了解語音芯片的型號及存儲內容。了解可能使用的常見芯片及獨立元器件的價格； 2）根據理論知識及實際需要與成本限制，分析需要使用的模塊，構建完整模型，進行模塊分析，設計出合理完善的技術方案，另外注意功能的拓展功能實現的難易程度，及拓展模塊與原電路的兼容性；3）根據所設計的方案，完成電路仿真。 1.2.2 技術方案 本方案設想用于商鋪門口，當有顧客進入時，門鈴自動響起“請開門”聲音，提醒店主有人進入并起歡迎顧客的作用。而在顧客離去時，

5、門鈴不發聲。并且電路應具有一定的拓展空間，以便后續實現附加功能。在供電模塊，采用5V直流電源供電。功能實現后可考慮增加拓展模塊，如當顧客出門時發出另一種提示音，或者在商鋪無人時，模式改為報警門鈴等。 第2章 感應門的基本原理當今社會感應技術發展迅速，目前常用的感應技術有紅外感應，壓力感應，電感應， 磁感應，光感應，熱感應，微波感應，氣體感應等等。各種不同的感應技術都有各自的應 用領域，而且呈現越來越廣泛的趨勢。總的來說，感應技術的基本原理就是自動對特定的外界信號（包括物理、化學、生物等方面的各種信號）產生預定響應。本文感應式門鈴用到的感應技術主要是紅外感應，而紅外感應技術就需要用到紅外傳感器。

6、感應式門鈴就是通過紅外傳感器探測人體紅外信號，繼而經過一系列電路的判斷與控制，達到使揚聲器發聲的功能。 2.1熱釋電傳感器 紅外傳感器可分為兩類：主動式紅外傳感器和被動式紅外傳感器。2.1.1熱釋電紅外傳感器概述熱釋電紅外傳感器也稱熱釋電傳感器，是一種被動式調制型溫度敏感器。在電路原理圖中，通常采用字母“PIR”表示。傳感器本身不發射任何能量而只被動接收、探測來自環境的紅外輻射。傳感器安裝后數秒種已適應環境，在無人或動物進入探測區域時，現場的紅外輻射穩定不變，一旦有人體紅外線輻射進來，經光學系統聚焦就使熱釋電器件產生突變電信號，而發出警報。被動紅外傳感器形成的警戒線一般可以達到數十米。被動式紅

7、外傳感器主要由光學系統、熱傳感器（或稱為紅外傳感器）等部分組成。其核心是紅外探測器件，通過光學系統的配合作用可以探測到某個立體防范空間內的熱輻射的變化。紅外傳感器的探測波長范圍是814m，人體輻射的紅外峰值波長約為10m，正好在范圍以內。被動式紅外傳感器由于探測性能好、易于布防、價格便宜而被廣泛應用。其缺點是相對于主動式傳感器誤報率較高。感應式門鈴的應用范圍和設計要求決定了它應該是具有一個面的探測范圍，而且應該只對人體產生有效信號，這就排除了主動式紅外傳感器。再根據單波束和多波束PIR的比較，綜合考慮，決定使用被動式多波束型紅外傳感器。熱釋電紅外傳感器就是這種類型的傳感器。2.1.2 紅外輻射

8、與熱釋電效應紅外輻射：紅外輻射的物理本質是熱輻射，它是由于物體內部分子的轉動及振動而產生。這類振動是由物體受熱引起的，在一般常溫下，所有物體都是紅外輻射的發射源，但發射的紅外波長不同。實踐證明，溫度愈低的物體輻射的紅外線波長愈長，人體表面輻射出波長約為10m。紅外線和所有電磁波一樣，具有反射、折射、散射、干涉和吸收等性質，但它的特點是熱效應最大。熱釋電效應：因紅外線具有很強的熱效應，當交互變化的紅外線照射到晶體表面時，晶體溫度迅速變化，這時會發生電荷的變化，從而形成一個明顯的外電場，這種現象稱為熱釋電效應。熱釋電紅外傳感器就是根據這種原理制成的。2.1.3熱釋電紅外傳感器的結構及工作原理眾所周

9、知，只要物體本身溫度高于熱力學溫度0 K（約-273），則都會發射出相當于某一個溫度的輻射線，人體都有恒定的體溫，一般為37，所以會從人體表面輻射出波長約為10m的紅外線。可利用面鏡或透鏡將人體所輻射出來的紅外線有效地集中于熱釋電紅外傳感器上，通過熱釋電紅外傳感器將收集到的紅外線能量轉換為電氣信號。熱釋電紅外傳感器內部由光學濾鏡、場效應管、紅外感應源（熱釋電元件）、偏置電阻、EMI電容等元器件組成。其結構及內部電路分別如圖2-1和圖2-2所示圖2-1 熱釋電紅外傳感器結構圖2-2 熱釋電紅外傳感器結構及內部電路2.1.4 熱釋電紅外傳感器的類別及特性 熱釋電紅外傳感器按內部安裝敏感元件個數多少

10、，又可分為單元件、雙元件、四元件及特殊形式等幾種，最常見的為雙元件型。所謂雙元件就是在一個傳感器中有兩個反相串聯的敏感元件，其特點是：（1）當入射能量順序地射到兩個元件上時，其輸出要比單元件高一倍；（2）由于兩個元件逆向串聯，對于同時輸入的能量會相互抵消，可防止太陽或燈頭等紅外線引起誤動作；（3）可防止因環境溫度變化引起的檢測誤差；（4）常用的敏感元件還具有壓電效應，所以雙敏感元件還可以消除因振動引起的檢測誤差。特殊形式有溫補單元型，主要用于輻射高溫計、氣體分析設備、火焰檢測器等。目前常用的熱釋電紅外傳感器型號主要有P228、TX05D、RE200B、KDS209、PIS209、LHI878、

11、PD632等。熱釋電紅外傳感器通常采用3引腳金屬封裝，各引腳分別為電源供電端（內部開關管D極，DRAIN）、信號輸出端（內部開關管S極，SOURCE）、接地端（GROUND）。TX05D紅外集成傳感器如圖2-3所示。圖2-3 TX05D紅外集成傳感器應用連接圖2.2 音樂芯片音樂芯片是一種比較簡單的語音電路，它通過內部的振蕩電路，再外接少量分立元件，就能產生各種音樂信號。音樂芯片是語音集成電路的一個重要分支，目前廣泛用于音樂卡、電子玩具、電子鐘、電子門鈴、家用電器等場合。根據音樂輸出的特點我們將音樂電路分為以下幾類：單曲、復音、音樂帶閃燈、唱歌。按封裝形式有COB黑膏軟封裝和三極管封裝形式。基

12、本外形如圖2-4所示。圖2-4 音樂芯片音樂芯片的外部引腳根據廠家、型號、功能的不同各有不同，但主要引腳沒有區別，圖2-4給出的是一種基本形式。芯片各引腳的功能分別為：（1）VDD和VSS分別是電源正端和負端，一般工作電壓范圍是2.45.5V；（2）e、b、c三焊孔用來焊接外接功放三極管；（3）OSC是外接振蕩電阻端，振蕩電阻應接于OSC和VDD端間。值得注意的是，有些芯片的OSC是振蕩阻容端，是外接振蕩電阻和振蕩電容的公共端，而有些芯片則不需要外接電容電阻；（4）TRIG為觸發端，高電平觸發有效。第3章 系統設計方面3.1 系統功能分析 本方案設想用于商鋪門口，當有顧客進入時，門鈴自動響起“

13、請開門”（或者其他語音）的預置聲音，既起到迎賓作用，也提示店主有顧客進入；而當顧客離開時則不提示。這樣不僅實現了感應式門鈴的基本要求，而且由于可判別人體行走方向，為以后的拓展功能預留了空間（比如顧客出門時提示“謝謝光臨”的預置音或者店鋪關門后可調整至報警狀態等）。3.2 系統整體設計模塊本設計方案可分為4個模塊：紅外探測模塊，控制模塊，發聲模塊，供電模塊。如圖3-1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。紅外探測模塊控 制 模 塊發 聲 模 塊供 電 模 塊圖3-1 系統模塊圖3.3 紅外探測模塊 紅外探測模塊實現的功能是將感應

14、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。整個探測模塊主要由光學系統，熱釋電紅外傳感器，信號濾波和放大信號處理構成。如果使用獨立元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TX05D。3.3.1 TX05D紅外集成傳感器的簡介TX05D外形和引線見圖1所示 它是一體化結構，使用非常方便全部電路焊裝在1 只46 mm×32 mm×17 mm× 不包括安裝支架D 的塑料盒內 盒的側面設有工作狀態指示燈和靈敏度調節孔，紅色發光二極管用來指示

15、近紅外傳感器的工作狀態，平時熄滅，有反射物時發光 靈敏度調節孔用來調節反射檢測距離，順時針調距離增大，逆時針調距離減小TX05D 通過1 條1.5 m 的雙芯屏蔽線作為輸出引線，其中紅色線為電源正極，白色線為輸出端，屏蔽線< 銅網D 接電源負極 在近紅外傳感器的有效檢測區范圍內，若有人和物體存在，輸出端白色線上的電壓為高電平，若沒有反射物，則輸出為低電平 實際應用時，如果引出線長度不夠，可根據需要加長。圖3-2 TX05D紅外集成傳感器模塊內部電路結構TX05D 工作電壓為512 V 極限電壓15 V 工作電流520 mA 最大30 mA 檢測距離為1. 2 m0TX05D 工作原理，當

16、TX05D 接通電源后模塊內部的紅外發射管向前方發射38 kH 的調制紅外光信號 一旦有人進入( 或有物體存在)有效檢測范圍內時紅外光信號就會有一部分被反射回來 紅外接收管接收后由內部電路轉換成同頻率的電信號 再經放大，解調，整形，比較處理后在輸出端輸出高電平信號。由于TX05D 使用了調制技術和采用進口帶補償的抗干擾器件 在一定程度上解決了抗干擾問題。TX05D紅外集成傳感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

17、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。3.3.2 電路設計由于TX05D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TX05D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TX05DT。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3-3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TX05D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

18、，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。圖3-3 TX05D紅外探測模塊電路3.4 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。3.4.1 CD4013的工作原理 CD4013是CMOS雙D觸發器，內部集成了兩個性能相同

19、，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，CD4013的管腳排列如圖3-4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。圖3-4 CD4013管腳圖CD4013的功能表如表3-1所示。由表中可知，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

20、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。如表3-1 CD4013的功能表CLOCKDRESETSETQ00001001××100××0113.4.3 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

21、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；（3）當H1先輸出高電平時，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；（4）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；（5）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3-5所示。這里用到了CD4013的單穩態工作方式。圖3-5 控制模塊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R

22、2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

23、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，t0.693 R2C1，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。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

24、平，電路工作，出現誤報。3.5 發聲模塊發聲模塊的設計比較簡單，如圖3-6所示。這里選用KD5223語音芯片，內含“請開門”的預存語音。三極管選用9013，揚聲器采用8，0.25W。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。圖3-6 發聲模塊電路圖3.6 供電模塊根據前面各個模塊的元件，芯片要求，采用+5V直流電源供電。3.7 系統整體電路圖 這個設計方案的完整電路圖如圖3-7所示。下面再累述一遍完整的工作原理。圖3-7 設計方案電路圖 無人進出時，傳

25、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輸出的正脈沖信號使觸發器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，Q1、Q2被迫復位，音樂芯片不再輸出語音信號，揚聲器停止工作。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處被Q1封鎖，無法傳遞到后續電路，揚聲器不工作。第4章 系統仿真4.1 仿真流程圖使用Protel進行電路

26、仿真有一定的次序性，中間每一項都不可少，特別是建立Spice網絡表，每次修改原理圖后，都要重新建立Spice網絡表。流程圖如下圖4-1所示。 開始創建項目新建SEh文件繪制原理圖修改元器件參數開始 仿真 建立Spice網絡表 電器規則檢查圖4-1 仿真流程4.3 繪制原理圖要想在Protel中實現仿真，則繪制原理圖時應該選擇定義了仿真特性的元器件及芯片。Protel 99SE提供了大量的仿真用元件，每個都鏈接到標準得SPICE模型，5800個仿真用元件分別在Sim.Ddb數據庫的28個庫中。盡管仿真元件很多，但仍不能滿足要求，例如這里用到的TX05D和音樂芯片就無法仿真。因此這里只對控制模塊進

27、行仿真。因為我們已經知道TX05D的輸出參數，故可以用信號源進行模擬替代，不影響整個設計的正確性。只要控制模塊運行正常，整個設計就基本不存在問題。控制模塊的仿真原理圖如圖4-2所示。 圖4-2 控制模塊仿真原理圖 Protel的仿真原理圖中，為了使用具有仿真特性的器件，將設計中使用到的集成芯片拆分成基本邏輯電路。CD4011四2輸入與非門用3個4011單與非門表示，CD4013雙D觸發器用2個4013D觸發器表示，電阻RES設置阻值1M，電容CAP設置3.3uF，H1和H2的信號使用矩形脈沖信號源替代表示，設置周期4s，脈沖寬度400ms。圖4-3顯示的是仿真元件清單。圖4-3 仿真元件清單

28、4.4 仿真結果分析 顧客進入情況 設置信號源V1延遲400ms，V2延遲600ms，如圖4-4和圖4-5所示，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。仿真結果如圖32所示。 圖4-4 模擬H1輸出的信號源V1參數設置 圖4-5 模擬H2輸出的信號源V2參數設置 可以看出，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。這里，我們發現輸

29、出端高電平的持續時間大約為2秒，與理論的2.2秒存在著9%的誤差，基本上對電路不起任何影響。 圖4.6 顧客進入時仿真效果綜合兩者的情況，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。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