多功能紅外感應(yīng)門鈴設(shè)計(jì)

1、紅外感應(yīng)門鈴電路設(shè)計(jì) （內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué) 010080） 摘 要：本設(shè)計(jì)結(jié)合了紅外輻射的知識(shí)、在了解反射式紅外傳感器的結(jié)構(gòu)和工作原理的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)的紅外線感應(yīng)電子門鈴，可在來(lái)客距房門一定距離時(shí)發(fā)出音頻信號(hào)，以告知主人“有客來(lái)訪”。該門鈴還可兼作報(bào)警器用。電路通過(guò)探測(cè)人體發(fā)出的紅外線，當(dāng)人進(jìn)入感應(yīng)的區(qū)域內(nèi)，即可發(fā)出鈴聲或者報(bào)警聲，適用于家庭、辦公室、倉(cāng)庫(kù)、實(shí)驗(yàn)室等比較重要場(chǎng)合的鈴聲和報(bào)警。本設(shè)計(jì)主要研究了紅外感應(yīng)技術(shù)在日常生活中的典型應(yīng)用，即感應(yīng)式門鈴。該電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，原理易懂，容易制作，并有一定的功能拓展性。關(guān)鍵詞：紅外線；反射式；感應(yīng)門鈴；電路設(shè)計(jì)中圖分類號(hào):U462.1文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:UDesig

2、n of infrared induction the doorbell circuit GUO Shu-yun(Inner Mongolia university of technology )Abstract: This design combines the knowledge of the infrared radiation, in the understanding of reflective infrared sensor was designed on the basis of the structure and working principle of infrared in

3、duction electronic doorbell, can be in a certain distance away from the door of the guest when a audio signals, to alert the host "have a guest come to visit" . The doorbell can also double as alarm. Circuit by detecting the human body infrared ray, when people enter the induction area can

4、 be a ring or alarm. It con use in some important occasions as ring tones and alarm.Example home, office, warehouse, laboratory and so on. This design study on the typical application of infrared sensor technology in our daily lives, namely inductive doorbell. The circuit of simple structure, princi

5、ple easy to understand, easy to make, and have some functional development.Key words:Infrared;Reflection type;Sensing the doorbell; Circuit design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(bào)警器；事先人們用它來(lái)防盜的，但后來(lái)因?yàn)殡娮臃辣I報(bào)警器發(fā)出的聲音是刺耳的報(bào)警聲，對(duì)進(jìn)店的顧客產(chǎn)生消極的影響，后來(lái)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(jìn)門就報(bào)出歡迎

6、語(yǔ)音，起到了禮貌問(wèn)候，從而做到提醒店員有人進(jìn)店和迎賓的兩重作用。 感應(yīng)門鈴分光感應(yīng)式和紅外感應(yīng)式。光感門鈴是利用人體反射光線，光敏電阻得到足夠大變化的光線，電路產(chǎn)生變化電流觸發(fā)電路，靈敏度跟物體反射率有關(guān)。但光感迎賓器與環(huán)境光照度有關(guān)，黑暗情況下不能正常使用。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(hào)，當(dāng)接收到人體輻射的特定紅外線中心波長(zhǎng)信號(hào)時(shí)，才會(huì)觸發(fā)電路。 紅外感應(yīng)式的相比價(jià)格較高，但優(yōu)點(diǎn)誤報(bào)極少，不受干擾等。紅外式采用先進(jìn)微電腦制造技術(shù)，無(wú)論白天黑夜都可正常使用，即可做迎賓器使用，也可做獨(dú)立報(bào)警器使用。性能卓越，節(jié)能易用，靈敏度強(qiáng)，更適合市場(chǎng)的需要，更

7、貼近消費(fèi)者的生活內(nèi)容，辦公寫字樓、家居、商店、工廠等各種場(chǎng)合均可使用，帶來(lái)方便之余，更帶來(lái)意想不到的快樂(lè)和安全感。 感應(yīng)式門鈴目前的技術(shù)比較成熟，功能也較為完善，成本不高，通常市面上的感應(yīng)式門鈴都兼迎賓及報(bào)警兩用。報(bào)警系統(tǒng)與人們的生活息息相關(guān)，隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，人民生活水平的提高，報(bào)警系統(tǒng)更成為了構(gòu)建社會(huì)治安防控體系、維護(hù)社會(huì)穩(wěn)定的重要內(nèi)容，并受到社會(huì)廣泛的關(guān)注。在國(guó)內(nèi)，報(bào)警安防產(chǎn)業(yè)正在快速發(fā)展，具體表現(xiàn)在：應(yīng)用領(lǐng)域越來(lái)越廣；需求點(diǎn)增多；普通家庭對(duì)安全產(chǎn)品需求的提高，應(yīng)急體系、平安社會(huì)、平安城市、科技強(qiáng)警等政府項(xiàng)目促進(jìn)了安防市場(chǎng)的升溫。入侵報(bào)警系統(tǒng)是安全防范系統(tǒng)的重要組成部分，主要是利

8、用傳感器技術(shù)和電子信息技術(shù)探測(cè)并指示非法進(jìn)入或試圖非法進(jìn)入設(shè)防區(qū)域的行為、處理報(bào)警信息、發(fā)出報(bào)警信息的電子系統(tǒng)或網(wǎng)絡(luò)。隨著科技的提高，電子電器飛速發(fā)展，人民生活水平有了很大提高。各種高檔家電和貴重物品為許多家庭所擁有。然而一些不法分子也越來(lái)越多。這點(diǎn)就是因?yàn)椴环ǚ肿涌吹搅舜蟛糠秩朔辣I意識(shí)不夠強(qiáng)所造成的結(jié)果。因此越來(lái)越多的居民家庭對(duì)財(cái)產(chǎn)安全問(wèn)題十分擔(dān)憂。報(bào)警系統(tǒng)這時(shí)為人們解決了大部分問(wèn)題。但是市場(chǎng)上的報(bào)警系統(tǒng)大部分是適用于一些大公司的重要機(jī)構(gòu)。其價(jià)格昂貴，使普通家庭難以承受。如果設(shè)計(jì)一種價(jià)格低廉，性能可靠的報(bào)警系統(tǒng)，必將在私人財(cái)產(chǎn)的防盜領(lǐng)域起到巨大作用。由于紅外線是不可見光，隱蔽性能良好，因此在

9、防盜、警戒等安保裝置中被廣泛應(yīng)用。本次課題研究?jī)?nèi)容就是要根據(jù)現(xiàn)有的已市場(chǎng)化的紅外感應(yīng)門鈴的制造原理，在掌握感應(yīng)技術(shù)，采用紅外探測(cè)模塊加上必要的芯片及元器件，設(shè)計(jì)一個(gè)簡(jiǎn)易實(shí)用廉價(jià)的感應(yīng)式門鈴。要求重點(diǎn)在于掌握設(shè)計(jì)原理，并將書本所學(xué)與實(shí)際結(jié)合起來(lái)，提高實(shí)踐能力，熟悉電路設(shè)計(jì)的基本流程與方法，熟悉常用電子元器件、芯片的參數(shù)并能熟練使用它們，熟練運(yùn)用Protel軟件對(duì)電路進(jìn)行仿真。一、測(cè)試需求分析 針對(duì)消費(fèi)者需求需求，經(jīng)過(guò)分析得到感應(yīng)門鈴要實(shí)現(xiàn)的功能如下：當(dāng)有人靠近時(shí)發(fā)出聲音并且紅燈亮提示主人有人來(lái)；若主人不在家門鈴處會(huì)發(fā)光提示來(lái)客。要想完成對(duì)以上功能，需要做好以下幾個(gè)方面，首先該電路應(yīng)能感應(yīng)到紅外線

10、；其次，要有聲音模塊和發(fā)光二極管；最后，電路板要盡量小巧，做成成品后才不會(huì)影響美觀,而且價(jià)格不能過(guò)高。二、系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)模塊 本設(shè)計(jì)方案可分為4個(gè)模塊：紅外探測(cè)模塊，控制模塊，發(fā)聲模塊，供電模塊。如圖2-1所示。其中最關(guān)鍵的就是紅外探測(cè)模塊和控制模塊。前者決定了整個(gè)設(shè)計(jì)方案的成敗，而后者決定了能否實(shí)現(xiàn)預(yù)期效果。圖2-1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖Fig.2-1 Structure diagram of the power control unit test system 三、電路硬件設(shè)計(jì)系統(tǒng)硬件主要由集成電路LM567,數(shù)字集成電路CD4001，晶體管，發(fā)光二極管，電阻，電容，揚(yáng)聲器，開關(guān)等組成，系統(tǒng)硬件結(jié)

11、構(gòu)圖如圖3-1所示。輸出振蕩信號(hào)發(fā)射紅外光接收紅外光音頻、低頻振蕩器工作音頻電路輸出揚(yáng)聲器工作圖3-1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖Fig.3-1 Structure diagram of the hardware system 門鈴接通電源后，向空間發(fā)射一定距離的紅外光。在房門前無(wú)人時(shí)，光敏晶體管接收不到反射信號(hào)，音頻振蕩器和低頻振蕩器均不工作，揚(yáng)聲器BL不發(fā)聲，當(dāng)有人靠進(jìn)房門時(shí)，發(fā)射出去的紅外光信號(hào)將被人體反射回來(lái)，使紅外接收管接收到紅外線信號(hào)。當(dāng)紅外線接收管接收到紅外反射信號(hào)后該信號(hào)直接輸入LM567，經(jīng)過(guò)譯碼后輸出低電平。此時(shí)低頻振蕩器和音頻振蕩器均不工作，信號(hào)經(jīng)過(guò)放大后，通過(guò)揚(yáng)聲器發(fā)出“嘟、嘟”聲

12、，告知主人門外有人。當(dāng)主人外出時(shí)，可將開關(guān)S接通，此時(shí)若有客來(lái)訪，則發(fā)光二極管VL2閃亮，提示主人不在家。電路也可以通過(guò)調(diào)節(jié)電位器的阻值，可增加VLI的輻射距離，這樣可將門鈴作為報(bào)警器使用。3.1 紅外線傳感器紅外線傳感器包括光學(xué)系統(tǒng)、檢測(cè)元件和轉(zhuǎn)換電路。光學(xué)系統(tǒng)按結(jié)構(gòu)不同可分為透射式和反射式兩類。檢測(cè)元件按工作原理可分為熱敏檢測(cè)元件和光電檢測(cè)元件。熱敏元件應(yīng)用最多的是熱敏電阻。熱敏電阻受到紅外線輻射時(shí)溫度升高，電阻發(fā)生變化，通過(guò)轉(zhuǎn)換電路變成電信號(hào)輸出。光電檢測(cè)元件常用的是光敏元件，通常由硫化鉛、硒化鉛、砷化銦、砷化銻、碲鎘汞三元合金、鍺及硅摻雜等材料制成。（1）紅外線傳感器的特點(diǎn) 紅外線又稱

13、紅外光，它具有反射、折射、散射、干涉、吸收等性質(zhì)。紅外輻射是由于物體（固體、液體、和氣體）內(nèi)部分子的轉(zhuǎn)動(dòng)及振動(dòng)而產(chǎn)生的。這類振動(dòng)過(guò)程是物體受熱而引起的，只是在絕對(duì)零度（273.16）時(shí)，一切物體的分子才會(huì)停止運(yùn)動(dòng)。任何物質(zhì)，只要它本身具有一定的溫度，都能輻射紅外線。紅外傳感器  利用紅外輻射與物質(zhì)相互作用所稱呈現(xiàn)的物理效應(yīng)探測(cè)紅外輻射的傳感器，多數(shù)情況下是利用這種相互作用所呈現(xiàn)的電學(xué)效應(yīng)。 紅外線傳感器測(cè)量時(shí)不與被測(cè)物體直接接觸，因而不存在摩擦，并且有靈敏度高，響應(yīng)快等優(yōu)點(diǎn)。紅外線傳感器常用于無(wú)接觸溫度測(cè)量，氣體成分分析和無(wú)損探傷，在醫(yī)學(xué)、軍事、空間技術(shù)和環(huán)境工程等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。

14、例如采用紅外線傳感器遠(yuǎn)距離測(cè)量人體表面溫度的熱像圖，可以發(fā)現(xiàn)溫度異常的部位，及時(shí)對(duì)疾病進(jìn)行診斷治療；利用人造衛(wèi)星上的紅外線傳感器對(duì)地球云層進(jìn)行監(jiān)視，可實(shí)現(xiàn)大范圍的天氣預(yù)報(bào)；采用紅外線傳感器可檢測(cè)飛機(jī)上正在運(yùn)行的發(fā)動(dòng)機(jī) 的過(guò)熱情況等。 （2）主要特性 高靈敏度：400°C/750°F或 250°C / 480 °F 紅外光譜： 1至 3 µm 由自監(jiān)測(cè)功能實(shí)現(xiàn)數(shù)字式控制 無(wú)需光學(xué)調(diào)整 使用維護(hù)方便3.2 LM567概述 LM567 是一種高穩(wěn)定性的鎖相環(huán)音頻澤碼器集成芯片，其內(nèi)部由鑒相器、電流控制震蕩器、直流放大器、低通濾波器等電路組成如圖3-2

15、所示，LM567的基本工作狀況由如一個(gè)低壓電源開關(guān)，當(dāng)其接收到一個(gè)位于所選定的窄頻帶內(nèi)的輸入音調(diào)時(shí)，開關(guān)就接通。換句話說(shuō)LM567可做精密的音調(diào)控制開關(guān)。LM567 對(duì)應(yīng)到管腳圖如圖3-3所示。 圖3-2 LM567內(nèi)部原理圖 圖3-3 LM567管腳圖Fig.3-2 Diagram of internal principle Fig.3-3 Pin figure of LM5673.3 CD4001 概述 CD4001是四2輸入或非門。或非門的邏輯關(guān)系特點(diǎn)是只有當(dāng)輸入端全部為低電平時(shí)，輸出端為高電平狀態(tài)；在其余輸入情況下，輸出端為低電平狀態(tài)。CD4001或非門為系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供了直接的或非功能，

16、 補(bǔ)充了已有的COS/MOS門系列，所有輸入和輸出經(jīng)過(guò)緩沖，改善了輸入/輸出特性，使得由于負(fù)載容量的增加而引起的傳輸時(shí)間的變化降低到最小。圖3-4 CD4001管腳圖Fig.3-4 Pin figure of CD400圖3-5 CD4001內(nèi)部邏輯圖 Fig.3-5 Internal logic diagram四、電路軟件設(shè)計(jì)4.1使用相關(guān)軟件的介紹 該電路設(shè)計(jì)軟件采用ProtelDXP2004，ProtelDXP2004拓展了Protel軟件的原設(shè)計(jì)領(lǐng)域 ，Protel DXP功能更加完備、風(fēng)格更加成熟，并且界面更加靈活，尤其在仿真和PLD電路設(shè)計(jì)方面有了重大改進(jìn)，Protel 舊版具有的

17、功能它都具有。Protel 是目前國(guó)內(nèi)最流行的通用EDA軟件，它將電路原理圖設(shè)計(jì)、PCB板圖設(shè)計(jì)、電路仿真和PLD設(shè)計(jì)等多個(gè)實(shí)用工具組合起來(lái)構(gòu)成EDA工作平臺(tái)，是第1個(gè)將EDA軟件設(shè)計(jì)成基于Windows的普及型產(chǎn)品。 與Protel 99SE軟件相比，Protel DXP功能更加完備、風(fēng)格更加成熟，并且界面更加靈活，尤其在仿真和PLD電路設(shè)計(jì)方面有了重大改進(jìn)。擺脫了Protel前期版本基于PCB設(shè)計(jì)的產(chǎn)品定位，顯露出一個(gè)普及型全線EDA產(chǎn)品嶄新的面貌。 整個(gè)軟件系統(tǒng)由原理圖設(shè)計(jì)、PCB設(shè)計(jì)、元器件封裝、PLD設(shè)計(jì)、3D仿真組成。系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)圖如圖4-1所示 圖4-1 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)圖

18、Fig.4-1 Schematic diagram of the software test system4.2 仿真流程圖使用Protel進(jìn)行電路仿真有一定的次序性，中間每一項(xiàng)都不可少，特別是建立Spice網(wǎng)絡(luò)表，一定不能忘記，而且每次修改原理圖后，都要重新建立Spice網(wǎng)絡(luò)表。流程圖如圖4-2所示。結(jié)束創(chuàng)建項(xiàng)目新建Sch文件繪制原理圖修改元器件參數(shù)電器規(guī)則檢查建立Spice網(wǎng)絡(luò)表仿真開始圖4-2 軟件設(shè)計(jì)的流程圖Fig.4-2 Flow chart the software design4.3 Protel使用常見問(wèn)題1.原理圖常見錯(cuò)誤：(1) ERC報(bào)告管腳沒(méi)有接入信號(hào)：a 創(chuàng)建封裝時(shí)給

19、管腳定義了I/O屬性；b 創(chuàng)建元件或放置元件時(shí)修改了不一致的grid屬性，管腳與線沒(méi)有連上；c 創(chuàng)建元件時(shí)pin方向反向，必須非pin name端連線。(2) 元件跑到圖紙界外：沒(méi)有在元件庫(kù)圖表紙中心創(chuàng)建元件。(3) 創(chuàng)建的工程文件網(wǎng)絡(luò)表只能部分調(diào)入pcb:生成netlist時(shí)沒(méi)有選擇為global。(4) 當(dāng)使用自己創(chuàng)建的多部分組成的元件時(shí)，千萬(wàn)不要使用annotate.2.PCB中常見錯(cuò)誤：(1) 網(wǎng)絡(luò)載入時(shí)報(bào)告NODE沒(méi)有找到：a 原理圖中的元件使用了pcb庫(kù)中沒(méi)有的封裝；b 原理圖中的元件使用了pcb庫(kù)中名稱不一致的封裝；c 原理圖中的元件使用了pcb庫(kù)中pin number不一致的封

20、裝。如三極管：sch中pin number為e,b,c,而pcb中為1,2,3。(2) 打印時(shí)總是不能打印到一頁(yè)紙上：a 創(chuàng)建pcb庫(kù)時(shí)沒(méi)有在原點(diǎn)； b 多次移動(dòng)和旋轉(zhuǎn)了元件，pcb板界外有隱藏的字符。選擇顯示所有隱藏的字符， 縮小pcb, 然后移動(dòng)字符到邊界內(nèi)。多幾次導(dǎo)出文件，做成新的DDB文件，減少文件尺寸和PROTEL僵死的機(jī)會(huì)。如果作較復(fù)雜得設(shè)計(jì)，盡量不要使用自動(dòng)布線。五、結(jié) 論本文根據(jù)現(xiàn)有的芯片及技術(shù)，運(yùn)用數(shù)字電路和模擬電路知識(shí)，設(shè)計(jì)了一個(gè)簡(jiǎn)單可用的紅外感應(yīng)式門鈴。在實(shí)現(xiàn)了基本的感應(yīng)并發(fā)聲的門鈴功能。電路具有較高的靈敏度，只要門鈴的紅外探測(cè)窗口設(shè)定的高度和位置合適，基本可以杜絕孩童們

21、惡作劇現(xiàn)象的發(fā)生。電路也可以通過(guò)調(diào)節(jié)電位器的阻值，可增加輻射距離，這樣可將門鈴作為報(bào)警器使用，從整個(gè)設(shè)計(jì)過(guò)程和設(shè)計(jì)方案可以看出，此方案無(wú)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，而且器件都是非常常用、廉價(jià)的。作為廠家或個(gè)人而言，盡量使用普通工具、低廉成本可以擴(kuò)大市場(chǎng)范圍。心得體會(huì)經(jīng)過(guò)幾周的時(shí)間，終于完成了這次實(shí)訓(xùn)，雖然結(jié)果不是很滿意。但總的來(lái)說(shuō)還是不錯(cuò)的，基本上符合要求。這次實(shí)訓(xùn)，從選題到繪制電路板最后撰寫報(bào)告每一步都要自己獨(dú)立完成，以前做課程設(shè)計(jì)時(shí)同學(xué)們總會(huì)抱怨老師給的題目難，這次由自己選題了卻又不知選什么才好，網(wǎng)上查一查后覺(jué)得題目很多更是

22、眼花繚亂，最后我想了想生活中的電子產(chǎn)品應(yīng)用從，所以選定門鈴設(shè)計(jì)。題目確定后最難也是最重要的部分就是繪制電路板，在之前的科程里我是學(xué)過(guò)protel的，但是由于時(shí)間長(zhǎng)加之掌握不夠扎實(shí)好多內(nèi)容應(yīng)經(jīng)忘了，所以只好從新拿出課本學(xué)習(xí)。對(duì)工科來(lái)說(shuō)理解比記憶更重要，通過(guò)學(xué)習(xí)這一次實(shí)訓(xùn)，在實(shí)踐中我了解并更加熟悉了PCB制板的整個(gè)流程，提高了動(dòng)手能力，應(yīng)變能力，學(xué)會(huì)了分析問(wèn)題解決問(wèn)題能力。在我們已有的理論基礎(chǔ)上去展示我們的實(shí)踐操作能力，增強(qiáng)了專業(yè)技能，從實(shí)際問(wèn)題出發(fā)不斷探索思考，創(chuàng)新。為今后的畢業(yè)設(shè)計(jì)以及其他學(xué)習(xí)，工作方面積累了豐富經(jīng)驗(yàn)。而且在實(shí)驗(yàn)報(bào)告過(guò)程中我深切感受到電子工業(yè)的飛速發(fā)展，電路設(shè)計(jì)越來(lái)越復(fù)雜，手工

23、設(shè)計(jì)難以適應(yīng)形勢(shì)發(fā)展的需要，Protel 以其強(qiáng)大的功能、快捷實(shí)用的操作界面及良好的開放性，為設(shè)計(jì)者提供了現(xiàn)代電子設(shè)計(jì)手段，使設(shè)計(jì)者能快捷、準(zhǔn)確地設(shè)計(jì)出滿意的電路原理圖和印刷電路板，不愧是從事電路設(shè)計(jì)的一個(gè)良好的工具。在完成報(bào)告過(guò)程中我深深反省自己，我大學(xué)期間的課程中幾乎各類只是都學(xué)過(guò)但是每門課都不精，掌握的不夠扎實(shí)牢固，就像老師說(shuō)的那樣我們都是樣樣通樣樣松，有人說(shuō)是時(shí)間不夠其實(shí)是我們沒(méi)有充分利用好時(shí)間，或是根本沒(méi)有目標(biāo)，最終導(dǎo)致一事無(wú)成，雖然即將畢業(yè)了但是以后還有很長(zhǎng)的路，我會(huì)不斷提高自己，讓自己成為有用之才。參考文獻(xiàn)1 閆軍，莊乾章熱釋電紅外傳感器的類別特性及應(yīng)用J長(zhǎng)春大學(xué)學(xué)報(bào)2004 Y

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