紅外感應(yīng)式語音門鈴電路設(shè)計1

東北石油大學課程設(shè)計課 程 光電檢測技術(shù) 題目紅外感應(yīng)式語音門鈴電路設(shè)計院 系 電子科學學院 專業(yè)班級 應(yīng)用物理09-1 學生姓名 學生學號 指導(dǎo)教師 2013年3月1日大慶石油學院課程設(shè)計任務(wù)書課程 光電檢測技術(shù) 題目 紅外感應(yīng)式語音門鈴電路設(shè)計 專業(yè)應(yīng)用物理09—1 姓名梅 學號09主要內(nèi)容: 應(yīng)用KD5603語音專用集成電路，HN911紅外集成傳感器，設(shè)計一紅外感應(yīng)式語音門鈴電路，使其當有人接近時發(fā)出“請開門”的聲音。基本要求:1） 設(shè)計紅外感應(yīng)式語音門鈴電路設(shè)計功能框圖。2） 設(shè)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(fā)出“請開門”的聲音。4） 調(diào)試安裝。5） 完成課程設(shè)計總結(jié)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(yīng)用[M].2006.10.完成期限 2013225?2013.3.1指導(dǎo)教師 專業(yè)負責人 2013年2月25日第1章概述門鈴的發(fā)展、作用及意義門鈴歷史悠久，現(xiàn)代社會最常見的是電子門鈴。門鈴的類型由有線門鈴發(fā)展為無線門鈴，由單純的音樂門鈴發(fā)展到對講門鈴，遙控門鈴，可視門鈴等。隨著經(jīng)濟的發(fā)展，門鈴也已經(jīng)不單純作為居家提醒來客的工具了。善于創(chuàng)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(yīng)門鈴就是在這種探索中產(chǎn)生。感應(yīng)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(chǎn)品感應(yīng)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(fā)出的聲音是刺耳的報警聲，對進店的顧客產(chǎn)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(yīng)式的研究現(xiàn)狀感應(yīng)門鈴分光感應(yīng)式和紅外感應(yīng)式，其中紅外感應(yīng)式的具有較為優(yōu)良的性能和可靠性，為大家所接受使用。常見紅外感應(yīng)式門鈴使用紅外熱釋電傳感器，本身不發(fā)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(fā)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(yīng)式采用先進微電腦制造技術(shù)，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(jié)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(nèi)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(yīng)式技術(shù)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(zhuǎn)換成可測量的信號的光敏器件。探測器作為紅外整機系統(tǒng)的核心關(guān)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(shè)計就是要根據(jù)現(xiàn)有紅外感應(yīng)門鈴技術(shù)，在掌握其設(shè)計原理的基礎(chǔ)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(yīng)門鈴。第2章紅外感應(yīng)式語音門鈴的工作原理紅外式語音門鈴的整體框圖本設(shè)計方案可分為4個模塊：紅外探測模塊，控制模塊，發(fā)聲模塊，供電模塊。如圖1.1所示，其中最關(guān)鍵的就是紅外探測模塊和控制模塊。前者決定了整個設(shè)計方案的成敗，而后者決定了能否實現(xiàn)預(yù)期效果。圖1.1系統(tǒng)模塊圖紅外探測模塊紅外探測模塊實現(xiàn)的功能將感應(yīng)到的人體紅外線轉(zhuǎn)換為可用的驅(qū)動電信號。本模塊的紅外感應(yīng)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(zhuǎn)換成電壓信號輸出。整個探測模塊有光學系統(tǒng)，熱釋電紅外傳感器，信號濾波和放大信號出構(gòu)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(fù)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(nèi)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(huán)境輻射信號中分離出來進行處理，保證了傳感器的工作穩(wěn)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(huán)境地區(qū)使用。表1.1為HN911紅外探測模塊的性能指標。型號參數(shù)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(tài)電流<1mA<2uA<1mA工作溫度—20?50°C—20~50C—30~50C輸出延時〉2S〉2S〉2S內(nèi)部放大器增益〉70dB〉70dB〉70dB內(nèi)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(nèi)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(huán)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(nèi)部的溫度補償電路，使放大器的增益隨環(huán)境溫度的升高而升高，從而保證了該傳感器的溫度穩(wěn)定性。2.3控制模塊控制模塊的功能是根據(jù)探測模塊傳來的信號進行判斷，若判斷結(jié)果為顧客進入，則輸出高電平，使發(fā)聲模塊工作；若判斷結(jié)果為顧客離開，則輸出低電平，發(fā)聲模塊不工作。因為發(fā)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(xù)一段時間。無疑，這里應(yīng)該用到觸發(fā)器，對輸出可以起到一定時間的保持作用。本次設(shè)計選用雙D觸發(fā)器CD4013。CD4013是CMOS雙D觸發(fā)器，內(nèi)部集成了兩個性能相同，引腳獨立（電源共用）的D觸發(fā)器，采用14引腳雙列直插塑料封裝，是目前設(shè)計開發(fā)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(nèi)部有兩個完全相同的D觸發(fā)器FF1和FF2。圖中，D為數(shù)據(jù)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(fù)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(tài)與D端相同，即Q=D，也就是將D端數(shù)據(jù)置于觸發(fā)器；當RESET=1,SET=0時，電路復(fù)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(shù)據(jù)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(fā)器的兩個輸出端均為高電平，是不正常的工作狀態(tài)。+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(fā)器選用CD4013雙D觸發(fā)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(fā)聲模塊發(fā)聲模塊的設(shè)計比較簡單,如圖2.5所示。這里選用KD5603語音芯片,內(nèi)含“歡迎光臨”的預(yù)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(fā)端無信號,電路處于等待狀態(tài),揚聲器不發(fā)聲。一旦控制模塊輸出高電平,KD5603的觸發(fā)端TRIG受高電平觸發(fā),芯片內(nèi)部輸出儲存的語音信號,經(jīng)三極管放大后推動揚聲器發(fā)聲。LS1圖2.5發(fā)聲模塊電路第3章感應(yīng)式語音門鈴電路設(shè)計紅外傳感器的電路設(shè)計由于HN911將熱釋電紅外傳感器的后續(xù)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(shè)計的紅外探測模塊可以直接由HN911構(gòu)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(cè)面，H1靠門外側(cè)，H2靠門內(nèi)側(cè)。有人進入時，必然先經(jīng)過H1,在經(jīng)過H2；而出門也必然先經(jīng)過H2,再經(jīng)過H1。根據(jù)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(yīng)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(yīng)區(qū)域，即有一定的時間范圍內(nèi)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(shè)計首先，需要進一步詳細明確設(shè)計目標：（1） 運用兩個D觸發(fā)器，紅外感應(yīng)模塊中的H1和H2作為D觸發(fā)器的脈沖控制端使用,假設(shè)D1觸發(fā)器接H1,D2觸發(fā)器接H2,以D2觸發(fā)器的輸出端Q2作為控制模塊總輸出端,接后續(xù)電路模塊；（2） 當H1和H2輸出低電平（即無人進出）時，應(yīng)使得D2觸發(fā)器的脈沖端被封鎖，防止因干擾觸發(fā)致使Q2跳變?yōu)楦唠娖剑?/p>

當Hl先輸出咼電平時，說明顧客是進入，應(yīng)及時解鎖D2脈沖端CP2,以便H2輸出高電平時，Q2跳變?yōu)楦唠娖?，使發(fā)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(xù)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(yīng)持續(xù)一定的時間，使發(fā)聲模塊正常完整工作后自動變?yōu)榈碗娖健８鶕?jù)這些具體要求，電路設(shè)計如下圖3.2所示。這里用到了CD4013的單穩(wěn)態(tài)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(fā)器的復(fù)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(tài)。此時，H2的輸出經(jīng)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(xù)電路也無法接收到。當顧客進門時，先經(jīng)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(jīng)過H2時，H2輸出的高電平經(jīng)兩個與非門后使CP2出現(xiàn)一個正脈沖，Q2翻轉(zhuǎn)為高電平，后續(xù)電路開始工作，同時D1變?yōu)榈碗娖?。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(fā)器的復(fù)位端R工作，Q1和Q2重新變?yōu)榈碗娖健1通過二極管向Q2放電，C1兩端電壓降低使R恢復(fù)低電平。顧客完全走出H2的感應(yīng)范圍后，D1回復(fù)高電平。這里面，控制模塊輸出端Q持續(xù)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(yù)置語音。如果后續(xù)發(fā)生電路需要更長的高電平支持，只需適當調(diào)整R2和C1即可。當顧客離開時，先經(jīng)過H2,H2輸出高電平促使D1跳變?yōu)榈碗娖剑矣捎赒1的低電平封鎖與非門,H2信號無法傳輸?shù)紺P2,Q2狀態(tài)不變，后續(xù)電路無法工作。顧客再經(jīng)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(yīng)區(qū)域），D1保持低電平。所以盡管CP1出現(xiàn)正脈沖信號，Q1繼續(xù)保持低電平不變，H2始終處于封鎖狀態(tài)，確保不出現(xiàn)誤報。顧客走出H2感應(yīng)區(qū)后，D1恢復(fù)高電平，系統(tǒng)重新進入等待狀態(tài)。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(xù)有顧客出門時就會產(chǎn)生誤報。原理很簡單，當?shù)谝晃活櫩碗x開時，雖然模塊輸出Q保持低電平不變，但他經(jīng)過H1時會給一個正脈沖信號使Q1輸出高電平，導(dǎo)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?shù)紺P2,Q2輸出高電平，電路工作，出現(xiàn)誤報[16]。第4章安裝與調(diào)式安裝根據(jù)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(yīng)信號輸出，觸發(fā)器D1輸出低電平使H2的輸出信號被封鎖，觸發(fā)器D2輸出低電平使揚聲器不會發(fā)聲，整個電路處于等待狀態(tài)。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(fā)器D2輸出高電平，促使音樂芯片輸出語音信號，在經(jīng)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(fù)位，音樂芯片不再輸出語音信號，揚聲器定制工作。同時C1經(jīng)二極管向Q2放電，R回復(fù)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(xù)電路，揚聲器不工作。調(diào)試（1）顧客進入情況設(shè)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(tài)，表示人處于兩個紅外傳感器的重疊感應(yīng)區(qū)域?？傻?，顧客進入時，一進入H2的探測區(qū)域后，控制模塊就開始輸出高電平，使得后續(xù)的發(fā)聲電路開始工作，電容被充電。當電容上的電壓達到復(fù)位端的工作電壓時，輸出端回復(fù)低電平，電容迅速放電，等待下一次的信號來臨，符合設(shè)計預(yù)想。（2）顧客離開情況設(shè)置信號源V2延遲400ms，V1延遲600ms，其它參數(shù)與情況（1）中的信號源設(shè)置相同，表示H2先接收到信號，即顧客離開?？梢钥闯?，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(fā)聲，電路不工作，符合設(shè)計預(yù)想。綜合兩者的情況，仿真的總體結(jié)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(shè)計方案在理論上不存在原則性的錯誤，而在器件選擇，參數(shù)設(shè)置，電路的穩(wěn)定性，外界干擾等綜合因素的考慮上還有待改進。第5章結(jié)論本文根據(jù)現(xiàn)有的芯片及技術(shù)，運用數(shù)字電路和模擬電路知識，設(shè)計了一個簡單可用的紅外感應(yīng)式門鈴。在實現(xiàn)了最基本的感應(yīng)并發(fā)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(xù)增加拓展功能預(yù)留空間。并且通過仿真，證實設(shè)計的可用性。以此設(shè)計為基礎(chǔ)，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(nèi)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(shè)的五個觸發(fā)端進行觸發(fā)。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(xiàn)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(shè)計過程和設(shè)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(fù)雜度和各種元器件的數(shù)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(xiàn)我們的設(shè)計目標也是實際操作中應(yīng)考慮的一個方面。本文最終目的是設(shè)計出一個感應(yīng)式門鈴，但更多的是展示紅外感應(yīng)技術(shù)在日常生活中的應(yīng)用。同樣在這里最應(yīng)該深入研究和掌握的也是紅外感應(yīng)技術(shù)。真正的紅外感應(yīng)技術(shù)可以說體現(xiàn)了一個國家的科技水平，在軍事、工農(nóng)業(yè)上均有非常重要的地位，是目前乃至今后一段時期內(nèi)一個重點發(fā)展方向，因此非常具有研究價值?？梢哉f就熟悉元件、芯片屬性，深入領(lǐng)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(chǎn)品的設(shè)計流程而言，此門鈴設(shè)計已經(jīng)達到了目標。當然就實際應(yīng)用而言，本設(shè)計還存在著一些缺陷。這里的設(shè)計方案是考慮在一個比較良好的外界環(huán)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(wěn)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(dǎo)致在實際生活應(yīng)用上存在著誤報或者無法工作甚至電路損壞的問題?？偟膩碚f，此紅外感應(yīng)式門鈴的設(shè)計對研究紅外感應(yīng)技術(shù)具有一定的參考價值。相信在此基礎(chǔ)上，根據(jù)具體探測環(huán)境，充分考慮影響傳