感应式门铃电路设计

感应式门铃电路设计1感应式门铃电路设计王晶晶(安庆师范学院物理与电气工程学院安徽安庆246011)指导老师：王鹏摘要：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1.引言1.1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。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。1.2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2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。2.1热释电红外传感器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。热释电器件是利用某些材料的热释电效应制成的红外检测元件。早在1938年就曾有人提出过利用热释电效应探测红外辐射的想法，但长期没有得到重视。直到20世纪60年代才开始认真研究这个问题。尤其是20年来，无论从材料还是器件的研究方面都得到迅速发展。特别是陶瓷热释电材料，不但有良好的热释电特性，而且可以大批量生产，成本低。同时，随着技术的不断改进，使热释电红外传感器的结构日臻完善，体积越来越小，而且灵敏度和可靠性都得到提高，应用更方便，从而使当今热释电红外传感器的应用范围不断扩大，不但用于国防军事，而且在工业和民用电子电器产品中都得到广泛应用。由于应用的广泛，国外厂商一直在克服器件的缺点上进行卓有成效的努力。过去，欧美曾是热释电红外传感器的主要生产者和主要应用市场。近些年日本奋起直追，迎头赶上。现在，日本多家公司正努力研究和开发多种热释电红外传感器。例如，陶瓷公司、Hokuriku电气工业公司等，一些产品已占领国外市场。红外传感器主要分两大类，一类是光电型，一类是热敏型。前者利用光电效应工作，响应速度快，检测特性好。但需要冷却，使用不方便。而且器件的检测灵敏度与红外波长有关。而热释电器件属于后者，它工作在室温条件下，检测灵敏度很高，而且与辐射波长无关，可探测功率只受背景辐射的限制。而且热释电器件响应也很快，应用又方便。因此，热释电红外传感器是光电型传感器无法取代[2]。2.1.3红外辐射，热释电效红外辐射：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3外传感器就是根据这种原理制成的。2.1.4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4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]。2.2D触发器锁存器是一种基本的记忆器件，它能够储存一位元的数据。由于它是一种时序性的电路，所以并不需要时钟输入，它会根据输入来改变输出。触发器不同于锁存器，它是一种时钟控制的记忆器件，触发器具有一个控制输入信号（CP）。CP信号使触发器只在特定时刻才按输入信号改变输出状态。若触发器只在时钟CP由低电平到高电平（或高电平到低电平）的转换时刻才接收输入，则称这种触发器是上升沿（或下降沿）触发的。触发器可用来储存一位元的数据。通过将若干个触发器连接在一起可储存多位元的数据，它们可用来表示时序器的状态、计数器的值、电脑记忆体中的ASCII码或其他资料。D触发器是最常用的触发器之一。对于上升沿触发的D触发器来说，其输出Q只在CP由低电平到高电平的转换时刻才会跟随输入D的状态而变化，其他时候Q则维持不变。目前常用的是主从触发器。2.2.1主从触发器将两个D锁存器级联，则构成CMOS主从触发器，如图3所示。图中左边的锁存器成为主锁存器，右边的称为从锁存器。主锁存器的锁存使能信号正好与从锁存器反相，利用两个锁存器的交互锁存，则可实现存储数据和输入信号之间的隔离。感应式门铃电路设计1图3主从触发器图3中的触发器工作过程分为以下两个节拍：（1）当时钟信号CP=0时，C=1，C=0，使TG1导通，TG2断开，D端输入信号进入主锁存器，这时Q′跟随D端的状态变化，使Q′=D。例如，D为1时，经TG1传到G1的输入端，使Q=0，Q′=1。同时由于TG3断开，切断了从锁存器与主锁存器之间的联系，而TG4导通，G3的输入端和G4的输出端经TG4连通，构成双稳态存储单元电路，使从锁存器维持在原来的状态不变，即触发器的输出状态不变。（2）当CP由0跳变到1后，C=0，C=1，，使TG1断开，从而切断了D端与主锁存器的联系，同时TG2导通，将G1的输入端和G2的输出端连通，使主锁存器维持原态不变。这时，TG3导通，TG4断开，将Q端信号传输到Q端。若Q=0，经TG3传送给G3的输入端，于是Q=0，Q=1。可见，从锁存器在工作中总是跟随主锁存器的状态变化，触发器因之冠名“主从”。它的输出状态转换发生在CP信号上升沿到来后的瞬间，而触发器的状态仅仅取决于CP信号上升沿到达前瞬间的D信号，从功能上考虑成为D触发器。如果以Qn+1表示CP信号上升沿到达后触发器的状态，则D触发器的特性可以用下式来表示：Qn+1=D称为D触发器的特性方程。它反映了触发器在时钟信号作用后的状态与此前输入信号D的关系。2.3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。基本外形如图4所示。6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4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