毕业设计(论文）—感应式门铃设计

武汉理工大学毕业设计（论文）感应式门铃的设计学院（系）： 专业班级： 学生姓名： 指导教师： 学位论文原创性声明本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包括任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。作者签名： 年 月 日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保障、使用学位论文的规定，同意学校保留并向有关学位论文管理部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权省级优秀学士论文评选机构将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。本学位论文属于1、保密囗，在 年解密后适用本授权书2、不保密囗 。（请在以上相应方框内打“”）作者签名： 年 月 日导师签名： 年 月 日本科生毕业设计（论文）任务书学生姓名： 专业班级：指导教师： 工作单位： 设计（论文）题目：感应式门铃的设计设计（论文）主要内容：了解感应技术的原理及应用，重点掌握红外感应技术的原理。利用红外感应探测技术来实现感应式门铃的设计，其电路可以自动判别人体的进出方向并使门铃做出不同的响应。完成对整个电路的仿真。要求完成的主要任务：1. 查阅不少于15篇的相关资料，其中英文文献不少于3篇，完成开题报告。2. 充分掌握设计过程中运用的原理，并熟悉电路元件的性能参数。3. 使用热释电红外传感器及相关的元器件完成电路设计，并对其进行仿真实现。4. 完成不少于5000汉字的英文文献翻译。5. 完成不少于15000字的毕业论文设计。必读参考资料：1 康华光电子技术基础（数字部分）高等教育出版社20062 汤姆彼德鲁德利斯电子技术完全实践科学出版社20063 黄继昌，郭继忠，张海贵等. 数字集成电路应用300例. 人民邮电出版社20024 张晓东，吴有仓. 电工实用电子制作. 国防工业出版社2005指导教师签名： 系主任签名： 院长签名（章） 武汉理工大学本科生毕业设计（论文）开题报告1、目的及意义（含国内外的研究现状分析）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。2、基本内容和技术方案基本内容： （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。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。这里使用的音乐芯片，可以选用动听的乐曲，也可以使用“欢迎光临”等语音芯片。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。3、进度安排第13周：查阅相关文献资料，明确研究内容，了解研究所需的理论知识。第46周：根据论文要求，搭建模块，设计出一种可行性方案。调查研究电路所需各种元器件芯片的价格和数据手册，完成开题报告。第712周：根据所设计的方案，进行仿真，对不完善的地方进行调整修改，根据测试结果做必要的校正及拓展工作。第1314周：完成并修改毕业论文。第15周: 准备论文答辩。4、指导教师意见 指导教师签名： 年 月 日 目 录摘 要IAbstractII1 绪论11.1 课题研究的背景及意义11.2 国内外研究现状11.3 课题研究的主要内容22 感应式门铃的基本原理32.1 热释电红外传感器32.2 D触发器112.3 音乐芯片153 系统设计方案163.1 系统功能分析163.2 系统整体设计模块163.3 红外探测模块163.4 控制模块193.5 发声模块253.6 供电模块263.7 系统整体电路图264 系统仿真284.1 仿真工具简介284.2 仿真流程图284.3 绘制原理图294.4 仿真结果分析305 结论33参考文献34致 谢35武汉理工大学毕业设计（论文）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IAbstractThe paper is based on grasping the pyroelectric infrared sensors basic principles and basic analog circuits, digital circuit theory of knowledge (including non-gate, D flip-flop, transistors, capacitors, resistors, speakers, etc.). Then it introduces a new infrared detection module HN911 and the common usage of the D flip-flopCD4013. On this basis, using them to design a infrared sensing doorbell which places shops door to meet customers. According to case that customers pass in and out, it can make different reaction. Final, we use Protel to simulation experimental test. The simulation result shows that the design has good effect. There is no mistake if only a little outside interference. But the continuous sound time of speaker is shorter than the theoretical value of 0.2 seconds, error of 9%. It does not affect the circuit.The paper mainly studies the typical application of infrared sensing technology in the daily lifesensing doorbell. Through this research, we should master the basic principle of infrared sensing technology, circuit design process and components application.The results show that this paper describes the circuit design to achieve the desired requirements. Ones the people entering the shop, the speaker immediately issued greeting. And the doorbell isnt prompted when the people leave.The characteristics of this paper is: a simple circuit structure, easy to understand the principles and produce, have functional development. Overall, this paper describes the circuit design can meet the design requirements. For beginners to understand sensing doorbell, further deepening the theoretical knowledge and improve practical ability with a certain value.Key Words: Sensing technology ; Pyroelectric infrared sensors ; D flip-flop ; Infrared sensing doorbell351 绪论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 国内外研究现状目前感应式门铃主要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。但光感门铃受环境光照度的影响，黑暗情况下不能正常使用。常见红外感应式门铃使用热释电红外传感器，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，因为它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门铃反应。红外感应式的相比价格较高，但优点是误报极少，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，即可做门铃使用，也可做独立报警器使用。红外感应式门铃性能卓越，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。总的来说，感应式门铃目前的技术比较成熟，功能也较为完善，成本不高，并且由于通常市面上的感应式门铃都兼迎宾及报警两用，因此应用场合也较为广泛1。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。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 红外传感器的类型比较及选用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。下面对这两种传感器的基本情况分别加以介绍，再结合本课题的设计要求，选择一种最合适的红外传感器类型进行课题研究。（1）主动式红外传感器主动红外传感器由红外发射机、红外接收机组成。分别置于收、发端的光学系统一般采用的是光学透镜，起到将红外光束聚焦成较细的平行光束的作用，以使红外光的能量能够集中传送。红外光在人眼看不见的光谱范围，有人经过这条无形的封锁线，必然全部或部分遮挡红外光束，接收端输出的电信号的强度会因此产生变化，从而启动后续电路进行工作。主动式红外传感器遇到小动物、树叶、沙尘、雨、雪、雾遮挡则不应输出有效信号，人或相当体积的物品遮挡将输出有效信号。由于光束较窄，收发端安装要牢固可靠，不应受地面震动影响，而发生位移引起误报，光学系统要保持清洁，注意维护保养。因此主动式传感器所探测的是点到点，而不是一个面的范围。其特点是探测可靠性非常高。但若对一个空间进行布防，则需有多个主动式传感器，价格昂贵。主动式传感器常用于博物馆中单体贵重文物展品的布防以及工厂仓库的门窗封锁、购物中心的通道封锁、停车场的出口封锁、家居的阳台封锁等等。 主动式红外传感器有单光束、双光束、四光束之分。以发射机与接收机设置的位置不同分为对向型安装方式和反射式按装方式，反射型安装方式的接收机不是直接接收发射机发出的红外光束，而是接收由反射镜或适当的反射物（如石灰墙、门板表面光滑的油漆层）反射回的红外光束。当反射面的位置与方向发生变化或红外发射光束和反射光束之一被阻挡而使接收机无法接收到红外反射光束时输出有效信号。当使用较多的传感器进行防范布局时应该注意消除射束的交叉误射。（2）被动式红外传感器我们之所以称为被动式红外传感器，即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814m，人体辐射的红外峰值波长约为10m，正好在范围以内 被动式红外传感器（Passive Infared Detector，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 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的2。2.1.3 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10m。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。2.1.4 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0 K（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10m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3 4。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10m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104M，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812m 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15cm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。2.1.5 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6。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315V）、工作波长（通常为7.514 m）、源极电压（通常为0.41.1V，R=47K）、输出信号电压（通常大于2.0V）等。图3 常见的热释电红外传感器外形及各引脚功能2.1.6 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，频率可由下列公式计算： （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0.088Hz7。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8。2.1.7 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（AugustinFresnel）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（Fresnel Lense）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4所示。图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5所示。图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10m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6所示9。图6 菲涅尔透镜聚焦作用示意图2.1.8 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22.5m，远离空调器、冰箱、火炉、射灯等空气温度变化敏感的地方；（2）不要正对着窗户、门、灶台，否则室外的热气和人员的频繁流动会引起传感器误报； （3）传感器探测范围不能有隔板、大型家具、屏风等遮挡物10。此外，热释电红外传感器对人体敏感程度还和人的运动方向有关，它对于径向移动反应最不敏感，而对于切向方向（即与半径垂直的方向）移动最为敏感。如图7所示。图7 热释电红外传感器灵敏度示意图2.2 D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。目前常用的触发器主要有三种电路结构：主从触发器，维持阻塞触发器和利用传输延迟的触发器。而D触发器主要是前两种结构。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8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。图8 主从触发器图8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，=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=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，=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，将端信号传输到Q端。若=0，经TG3传送给G3的输入端，于是=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 （2）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。2.2.2 维持阻塞触发器维持阻塞结构的D触发器的逻辑电路如图9所示。该触发器由3个用与非门构成的基本SR锁存器组成，其中G1、G2和G3、G4构成的两个基本SR锁存器响应外部输入数据D和时钟信号CP，他们的输出Q2和Q3作为、信号控制着由G5、G6构成的第三个基本SR锁存器的状态，即整个触发器的状态。下面介绍其工作原理：图9 维持阻塞触发器（1）当CP=0时，与非门G2和G3被封锁，其输出Q2=Q3=1，即=1，使输出锁存器处于保持状态，触发器的输出Q和不改变状态。同时，Q2和Q3的反馈信号分别将G1和G4两个门打开，使Q4=，Q1=D，D信号进入触发器，为触发器状态刷新做好准备。（2）当CP由0变1后瞬间，G2和G3打开，它们的输出Q2和Q3的状态由G1和G4的输出状态决定，即=Q2=，=Q3=D，二者状态永远是互补的，也就是说，和中必有一个是0。由基本SR锁存器的逻辑功能可知，这时Qn+1 = D，触发器状态按此前D的逻辑值刷新。（3）在CP=1期间，有G1、G2和G3、G4分别构成的两个基本SR锁存器可以保证Q2、Q3的状态不变，使触发器状态不受输入信号D的变化影响。在Q=1时，Q2=0，则将G1和G3封锁。Q2至G1的反馈线使Q1=1，起维持Q2=0的作用，从而维持了触发器的1状态，称为置1维持线；而Q2至G3的反馈线使Q3=1，虽然D信号在此期间的变化可能使Q4相应改变，但不会改变Q3的状态，从而阻塞了D端输入的置0信号，称为置0阻塞线。在Q=0时，Q3=0，则将G4封锁，使Q4=1，既阻塞了D=1信号进入触发器的路径，又与CP=1，Q2=1共同作用，将Q3维持为0，而将触发器维持在0状态，故将Q3至G4的反馈线称为置1阻塞、置0维持线。正因为这种触发器工作中的维持、阻塞特性，所以称之为维持阻塞触发器。虽然维持阻塞D触发器的电路结构与主从触发器的完全不同，但这两个电路所实现的逻辑功能是完全相同的，都是在CP脉冲上升沿到来后瞬间转换输出状态，将输入信号D传递到Q端并保持下去。因此，它们使用同一个逻辑符合，特性方程也是一致的。2.2.3 触发器的动态特性触发器的动态特性反映其对输入逻辑信号和时钟信号之间的时间要求，以及输出对时钟信号响应的延迟时间。图10所示的定时图显示了D触发器各信号之间的时间要求或延迟。（1）建立时间tSU输入信号D的变化会引起触发器输入电路的一系列变化，它必须在时钟信号CP的上升沿（对上升沿触发的触发器而言）到来之前的某一时刻跳变到某一逻辑电平并保持不变，以保证与信号D相关的电路建立起稳定的状态，使触发器状态得到正确的转换。该时间的最小值即建立时间tSU。图10 D触发器定时器（2）保持时间tH信号D在CP上升沿到来之后还应保持一定时间，才能保证D状态可靠地传送到Q和端，该时间的最小值称为保持时间tH。由于技术的进步，已有许多种触发器可把保持时间降到0。这项特性在高速移位寄存器或计数器中是十分重要的。（3）传输延迟时间tpLH和tpHL时钟脉冲CP上升沿至输出端新状态稳定建立起来的时间定义为传输延迟时间。tpLH是输出从低电平到高电平的延迟时间，tpHL则是输出从高电平到低电平的延迟时间，应用中有时取其平均传输延迟时间tpd = 0.5（tpLH tpHL）。（4）触发脉冲宽度tW为保证可靠触发，要求时钟脉冲CP的宽度不小于tW，以保证内部各门正确翻转。（5）最高触发频率fcmax触发器所能响应的时钟脉冲CP最高频率，fcmax = 1/Tcmin 。因为在CP高电平和低电平期间，触发器内部都要完成一系列动作，需要一定的时间延迟，所以对于CP最高工作频率有一个限制11。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11所示。图11 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11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2.45.5V；（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是振荡阻容端，是外接振荡电阻和振荡电容的公共端，而有些芯片则不需要外接电容电阻；（4）TRIG为触发端，高电平触发有效。3 系统设计方案3.1 系统功能分析本方案设想用于商铺门口，当有顾客进入时，门铃自动响起“欢迎光临”（或者其他音乐）的预置声音，既起到迎宾作用，也提示店主有顾客进入；而当顾客离开时则不提示。这样不仅实现了感应式门铃的基本要求，而且由于可判别人体行走方向，为以后的拓展功能预留了空间（比如顾客出门时提示“谢谢光临”的预置音或者店铺关门后可调整至报警状态等）。3.2 系统整体设计模块本设计方案可分为4个模块：红外探测模块，控制模块，发声模块，供电模块。如图12所示。其中最关键的就是红外探测模块和控制模块。前者决定了整个设计方案的成败，而后者决定了能否实现预期效果。图12 系统模块图3.3 红外探测模块红外探测模块实现的功能是将感应到的人体红外线转换为可用的驱动电信号。本模块的红外感应部分采用热释电红外线传感器。它能以非接触形式检测出人体辐射的红外线能量的变化，并将其转换成电压信号输出。整个探测模块主要由光学系统，热释电红外传感器，信号滤波和放大信号处理构成。如果使用独立元器件完成信号处理的各项功能会比较复杂。这里采用一种新型模块HN911。3.3.1 HN911红外探测模块原理HN911是一款新型热释电红外探测器，采用双列6脚直插式封装。该传感器由于内部放大器集成了温度补偿功能，可以将人体辐射信号从恶劣的环境辐射信号中分离出来进行处理，保证了传感器的工作稳定性。它具有灵敏度高，抗干扰能力强，耐低温以及使用方便的特点。因而，HN911可在严寒或炎热等恶劣环境地区使用。表1为HN911红外探测模块的性能指标12。表1 HN911红外探测模块的性能指标参数名称型号通用型HN911T微功耗型HN911L低温型HN911D工作电压DC 5V10%DC 6V10%DC 5V10%静态电流1 mA20 A1 mA工作温度-2050-2050-3050输出延时2 S2 S2 S内部放大器增益70 dB70 dB70 dB内部放大器频宽0.37 HZ0.37 HZ0.37 HZ探测范围（加透镜）10 m10 m10 mHN911红外探测模块内部电路如图13所示，主要由热释电红外传感器、放大器、比较器、信号处理电路和延时输出电路组成。电路静态工作（即未检测到红外线）时，1脚输出低电平，2脚输出高电平。动态时，即有移动发热物体进入探测范围时，传感器接收到红外辐射能量，输出幅度约1mV、频率0.37Hz的微弱信号。该信号经放大器放大，由比较器进行比较判断，再由信号处理电路处理，最后由延时输出电路输出用做驱动信号。此时，输出端1脚变为高电平，2脚变为低电平。4脚和5脚间可外接电位器，以便调节其探测灵敏度13。图13 HN911模块内部电路结构HN911模块内放大器具有温度补偿功能。探测器工作时，人体辐射和周围环境红外辐射一起进入传感器。当气温升高时，背景红外辐射增强，传感器自身极化强度即传感器输出的热释电信号减小，将明显影响对人体的探测。因此，内部的温度补偿电路，使放大器的增益随环境温度的升高而升高，从而保证了该传感器的温度稳定性。3.3.2 电路设计由于HN911将热释电红外传感器的后续信号处理电路全部集成，输出信号即为可用信号，因此对于本设计的红外探测模块可以直接由HN911构成，而不需要接任何外部电路。这里因为要判断方向，故使用两个HN911T。将其分别命名为H1和H2，并排排列在顾客行走的垂直方向，其电路图如图14所示。因为要使顾客一进门就响，故可以把门铃固定于门的侧面，H1靠门外侧，H2靠门内侧。有人进入时，必然先经过H1，在经过H2；而出门也必然先经过H2，再经过H1。根据两个HN911的1脚高电平来临的先后次序，即可判断顾客是进还是出。由于感应范围较宽，而两个红外传感器靠的较近，可以知道，它们有一部分重叠的感应区域，即有一定的时间范围内两个传感器同时输出高电平。图14 红外探测模块电路3.4 控制模块控制模块的功能是根据探测模块传来的信号进行判断，若判断结果为顾客进入，则输出高电平，使发声模块工作；若判断结果为顾客离开，则输出低电平，发声模块不工作。因为发声模块正常工作需要一定的时间，而非一个瞬时脉冲，故要求控制模块输出的高电平能持续一段时间。无疑，这里应该用到触发器，对输出可以起到一定时间的保持作用。本次设计选用双D触发器CD4013。3.4.1 CD4013的工作原理CD4013是CMOS双D触发器，内部集成了两个性能相同，引脚独立(电源共用) 的D触发器，采用14引脚双列直插塑料封装，是目前设计开发电子电路的一种常用器件，它的使用相当灵活方便且易掌握，受到许多电子爱好者的喜爱。CD4013的管脚排列如图15所示，内部有两个完全相同的D触发器FF1和FF2。图中， D为数据输入端，CLOCK为时钟脉冲输入端，Q和一对互补的输出端，SET为置位端，RESET为复位端，VDD和VSS分别为电源正负端14。图15 CD4013管脚图 CD4013的功能表如表2所示。由表中可知，当RESET=SET=0时，在CLOCK上升沿的作用下，Q端状态与D端相同，即Q=D，也就是将D端数据置于触发器；当RESET=1，SET=0时，电路复位，Q=0；当RESET=0，SET=1时，电路置位，Q=1。后两种情况无需时钟脉冲和数据端配合。一般情况下不允许同时在RESET，SET两端加上高电平，因为此时触发器的两个输出端均为高电平，是不正常的工作状态。表2 CD4013功能表CLOCKDRESETSETQ000010011000113.4.2 CD4013的四种工作方式（1）数据锁存方式图16为D触发器数据锁存工作方式电路图，也是它的基本功能。图17是其输出波形图。由图可见，在时钟脉冲作用后（即上升沿），D端数被锁存到Q端。若将多个D触发器组合可构成