應(yīng)物-紅外感應(yīng)式語(yǔ)音門鈴電路設(shè)計(jì)

1、東 北 石 油 大 學(xué)課 程 設(shè) 計(jì)課 程 光電檢測(cè)技術(shù) 題 目 紅外感應(yīng)式語(yǔ)音門鈴電路設(shè)計(jì) 院 系 電子科學(xué)學(xué)院 專業(yè)班級(jí) 應(yīng)物09-1班級(jí) 學(xué)生姓名 學(xué)生學(xué)號(hào) 指導(dǎo)教師 2013年3月1日大慶石油學(xué)院課程設(shè)計(jì)任務(wù)書課程 光電檢測(cè)技術(shù)題目 紅外感應(yīng)式語(yǔ)音門鈴電路設(shè)計(jì)專業(yè) 姓名 學(xué)號(hào)主要內(nèi)容： 應(yīng)用KD5223語(yǔ)音專用集成電路，TX05D紅外集成傳感器，設(shè)計(jì)一紅外感應(yīng)式語(yǔ)音門鈴電路，使其當(dāng)有人接近時(shí)發(fā)出“請(qǐng)開(kāi)門”的聲音。基本要求：1） 設(shè)計(jì)紅外感應(yīng)式語(yǔ)音門鈴電路設(shè)計(jì)功能框圖。2） 設(shè)計(jì)紅外探測(cè)電路、模擬語(yǔ)音電路、音頻功率放大電路、電源變換電路。3） 當(dāng)客人離門1米左右時(shí)發(fā)出“請(qǐng)開(kāi)門”的聲音。4

2、） 調(diào)試安裝。5） 完成課程設(shè)計(jì)總結(jié)報(bào)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(shí)例M. 2006.4.3) 黃繼昌等編著.檢測(cè)專用集成電路及應(yīng)用M. 2006.10.完成期限 2013.2.252013.3.1 指導(dǎo)教師 專業(yè)負(fù)責(zé)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(xiàn)代社會(huì)最常見(jiàn)的是電子門鈴。門鈴的類型由有線門鈴發(fā)展為無(wú)線門鈴，由單純的音樂(lè)門鈴發(fā)展到對(duì)講門鈴，遙控門鈴，可視門鈴等。隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，門鈴也已經(jīng)不單純作為居家提醒來(lái)客的工具了。善于創(chuàng)新的人類會(huì)去思考，門鈴是否可

3、以用來(lái)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(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。 本次設(shè)計(jì)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(jì)原理的基礎(chǔ)上，利用紅外探測(cè)器加上必要的芯片及元器件，制作一個(gè)簡(jiǎn)易實(shí)用廉價(jià)的感應(yīng)門鈴。 1.2

4、基本內(nèi)容和設(shè)計(jì)方案1.2.1基本內(nèi)容 1）了解紅外感應(yīng)探測(cè)技術(shù)，重點(diǎn)掌握熱釋電紅外傳感器的原理，掌握常用邏輯芯片及獨(dú)立元器件的應(yīng)用情況，熟悉常見(jiàn)紅外感應(yīng)器件的性能參數(shù)。了解語(yǔ)音芯片的型號(hào)及存儲(chǔ)內(nèi)容。了解可能使用的常見(jiàn)芯片及獨(dú)立元器件的價(jià)格； 2）根據(jù)理論知識(shí)及實(shí)際需要與成本限制，分析需要使用的模塊，構(gòu)建完整模型，進(jìn)行模塊分析，設(shè)計(jì)出合理完善的技術(shù)方案，另外注意功能的拓展功能實(shí)現(xiàn)的難易程度，及拓展模塊與原電路的兼容性；3）根據(jù)所設(shè)計(jì)的方案，完成電路仿真。 1.2.2 技術(shù)方案 本方案設(shè)想用于商鋪門口，當(dāng)有顧客進(jìn)入時(shí)，門鈴自動(dòng)響起“請(qǐng)開(kāi)門”聲音，提醒店主有人進(jìn)入并起歡迎顧客的作用。而在顧客離去時(shí)，

5、門鈴不發(fā)聲。并且電路應(yīng)具有一定的拓展空間，以便后續(xù)實(shí)現(xiàn)附加功能。在供電模塊，采用5V直流電源供電。功能實(shí)現(xiàn)后可考慮增加拓展模塊，如當(dāng)顧客出門時(shí)發(fā)出另一種提示音，或者在商鋪無(wú)人時(shí)，模式改為報(bào)警門鈴等。 第2章 感應(yīng)門的基本原理當(dāng)今社會(huì)感應(yīng)技術(shù)發(fā)展迅速，目前常用的感應(yīng)技術(shù)有紅外感應(yīng)，壓力感應(yīng)，電感應(yīng)， 磁感應(yīng)，光感應(yīng)，熱感應(yīng)，微波感應(yīng)，氣體感應(yīng)等等。各種不同的感應(yīng)技術(shù)都有各自的應(yīng) 用領(lǐng)域，而且呈現(xiàn)越來(lái)越廣泛的趨勢(shì)?？偟膩?lái)說(shuō)，感應(yīng)技術(shù)的基本原理就是自動(dòng)對(duì)特定的外界信號(hào)（包括物理、化學(xué)、生物等方面的各種信號(hào)）產(chǎn)生預(yù)定響應(yīng)。本文感應(yīng)式門鈴用到的感應(yīng)技術(shù)主要是紅外感應(yīng)，而紅外感應(yīng)技術(shù)就需要用到紅外傳感器。

6、感應(yīng)式門鈴就是通過(guò)紅外傳感器探測(cè)人體紅外信號(hào)，繼而經(jīng)過(guò)一系列電路的判斷與控制，達(dá)到使揚(yáng)聲器發(fā)聲的功能。 2.1熱釋電傳感器 紅外傳感器可分為兩類：主動(dòng)式紅外傳感器和被動(dòng)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(dòng)式調(diào)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(fā)射任何能量而只被動(dòng)接收、探測(cè)來(lái)自環(huán)境的紅外輻射。傳感器安裝后數(shù)秒種已適應(yīng)環(huán)境，在無(wú)人或動(dòng)物進(jìn)入探測(cè)區(qū)域時(shí)，現(xiàn)場(chǎng)的紅外輻射穩(wěn)定不變，一旦有人體紅外線輻射進(jìn)來(lái)，經(jīng)光學(xué)系統(tǒng)聚焦就使熱釋電器件產(chǎn)生突變電信號(hào)，而發(fā)出警報(bào)。被動(dòng)紅外傳感器形成的警戒線一般可以達(dá)到數(shù)十米。被動(dòng)式紅

7、外傳感器主要由光學(xué)系統(tǒng)、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(cè)器件，通過(guò)光學(xué)系統(tǒng)的配合作用可以探測(cè)到某個(gè)立體防范空間內(nèi)的熱輻射的變化。紅外傳感器的探測(cè)波長(zhǎng)范圍是814m，人體輻射的紅外峰值波長(zhǎng)約為10m，正好在范圍以內(nèi)。被動(dòng)式紅外傳感器由于探測(cè)性能好、易于布防、價(jià)格便宜而被廣泛應(yīng)用。其缺點(diǎn)是相對(duì)于主動(dòng)式傳感器誤報(bào)率較高。感應(yīng)式門鈴的應(yīng)用范圍和設(shè)計(jì)要求決定了它應(yīng)該是具有一個(gè)面的探測(cè)范圍，而且應(yīng)該只對(duì)人體產(chǎn)生有效信號(hào)，這就排除了主動(dòng)式紅外傳感器。再根據(jù)單波束和多波束PIR的比較，綜合考慮，決定使用被動(dòng)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(yīng)紅外輻射：紅外輻射的物理本質(zhì)是熱輻射，它是由于物體內(nèi)部分子的轉(zhuǎn)動(dòng)及振動(dòng)而產(chǎn)生。這類振動(dòng)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(fā)射源，但發(fā)射的紅外波長(zhǎng)不同。實(shí)踐證明，溫度愈低的物體輻射的紅外線波長(zhǎng)愈長(zhǎng)，人體表面輻射出波長(zhǎng)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(zhì)，但它的特點(diǎn)是熱效應(yīng)最大。熱釋電效應(yīng)：因紅外線具有很強(qiáng)的熱效應(yīng)，當(dāng)交互變化的紅外線照射到晶體表面時(shí)，晶體溫度迅速變化，這時(shí)會(huì)發(fā)生電荷的變化，從而形成一個(gè)明顯的外電場(chǎng)，這種現(xiàn)象稱為熱釋電效應(yīng)。熱釋電紅外傳感器就是根據(jù)這種原理制成的。2.1.3熱釋電紅外傳感器的結(jié)構(gòu)及工作原理眾所周

9、知，只要物體本身溫度高于熱力學(xué)溫度0 K（約-273），則都會(huì)發(fā)射出相當(dāng)于某一個(gè)溫度的輻射線，人體都有恒定的體溫，一般為37，所以會(huì)從人體表面輻射出波長(zhǎng)約為10m的紅外線。可利用面鏡或透鏡將人體所輻射出來(lái)的紅外線有效地集中于熱釋電紅外傳感器上，通過(guò)熱釋電紅外傳感器將收集到的紅外線能量轉(zhuǎn)換為電氣信號(hào)。熱釋電紅外傳感器內(nèi)部由光學(xué)濾鏡、場(chǎng)效應(yīng)管、紅外感應(yīng)源（熱釋電元件）、偏置電阻、EMI電容等元器件組成。其結(jié)構(gòu)及內(nèi)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(jié)構(gòu)圖2-2 熱釋電紅外傳感器結(jié)構(gòu)及內(nèi)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(nèi)部安裝敏感元件個(gè)數(shù)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(jiàn)的為雙元件型。所謂雙元件就是在一個(gè)傳感器中有兩個(gè)反相串聯(lián)的敏感元件，其特點(diǎn)是：（1）當(dāng)入射能量順序地射到兩個(gè)元件上時(shí)，其輸出要比單元件高一倍；（2）由于兩個(gè)元件逆向串聯(lián)，對(duì)于同時(shí)輸入的能量會(huì)相互抵消，可防止太陽(yáng)或燈頭等紅外線引起誤動(dòng)作；（3）可防止因環(huán)境溫度變化引起的檢測(cè)誤差；（4）常用的敏感元件還具有壓電效應(yīng)，所以雙敏感元件還可以消除因振動(dòng)引起的檢測(cè)誤差。特殊形式有溫補(bǔ)單元型，主要用于輻射高溫計(jì)、氣體分析設(shè)備、火焰檢測(cè)器等。目前常用的熱釋電紅外傳感器型號(hào)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(nèi)部開(kāi)關(guān)管D極，DRAIN）、信號(hào)輸出端（內(nèi)部開(kāi)關(guān)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(yīng)用連接圖2.2 音樂(lè)芯片音樂(lè)芯片是一種比較簡(jiǎn)單的語(yǔ)音電路，它通過(guò)內(nèi)部的振蕩電路，再外接少量分立元件，就能產(chǎn)生各種音樂(lè)信號(hào)。音樂(lè)芯片是語(yǔ)音集成電路的一個(gè)重要分支，目前廣泛用于音樂(lè)卡、電子玩具、電子鐘、電子門鈴、家用電器等場(chǎng)合。根據(jù)音樂(lè)輸出的特點(diǎn)我們將音樂(lè)電路分為以下幾類：?jiǎn)吻?fù)音、音樂(lè)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(lè)芯片音樂(lè)芯片的外部引腳根據(jù)廠家、型號(hào)、功能的不同各有不同，但主要引腳沒(méi)有區(qū)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(fù)端，一般工作電壓范圍是2.45.5V；（2）e、b、c三焊孔用來(lái)焊接外接功放三極管；（3）OSC是外接振蕩電阻端，振蕩電阻應(yīng)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(fā)端，高電平觸發(fā)有效。第3章 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方面3.1 系統(tǒng)功能分析 本方案設(shè)想用于商鋪門口，當(dāng)有顧客進(jìn)入時(shí)，門鈴自動(dòng)響起“

13、請(qǐng)開(kāi)門”（或者其他語(yǔ)音）的預(yù)置聲音，既起到迎賓作用，也提示店主有顧客進(jìn)入；而當(dāng)顧客離開(kāi)時(shí)則不提示。這樣不僅實(shí)現(xiàn)了感應(yīng)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(yù)留了空間（比如顧客出門時(shí)提示“謝謝光臨”的預(yù)置音或者店鋪關(guān)門后可調(diào)整至報(bào)警狀態(tài)等）。3.2 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3-1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。紅外探測(cè)模塊控 制 模 塊發(fā) 聲 模 塊供 電 模 塊圖3-1 系統(tǒng)模塊圖3.3 紅外探測(cè)模塊 紅外探測(cè)模塊實(shí)現(xiàn)的功能是將感應(yīng)

14、到的人體紅外線轉(zhuǎn)換為可用的驅(qū)動(dòng)電信號(hào)。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(cè)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(hào)輸出。整個(gè)探測(cè)模塊主要由光學(xué)系統(tǒng)，熱釋電紅外傳感器，信號(hào)濾波和放大信號(hào)處理構(gòu)成。如果使用獨(dú)立元器件完成信號(hào)處理的各項(xiàng)功能會(huì)比較復(fù)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(jiǎn)介TX05D外形和引線見(jiàn)圖1所示 它是一體化結(jié)構(gòu)，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(nèi) 盒的側(cè)面設(shè)有工作狀態(tài)指示燈和靈敏度調(diào)節(jié)孔，紅色發(fā)光二極管用來(lái)指示

15、近紅外傳感器的工作狀態(tài)，平時(shí)熄滅，有反射物時(shí)發(fā)光 靈敏度調(diào)節(jié)孔用來(lái)調(diào)節(jié)反射檢測(cè)距離，順時(shí)針調(diào)距離增大，逆時(shí)針調(diào)距離減小TX05D 通過(guò)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(wǎng)D 接電源負(fù)極 在近紅外傳感器的有效檢測(cè)區(qū)范圍內(nèi)，若有人和物體存在，輸出端白色線上的電壓為高電平，若沒(méi)有反射物，則輸出為低電平 實(shí)際應(yīng)用時(shí)，如果引出線長(zhǎng)度不夠，可根據(jù)需要加長(zhǎng)。圖3-2 TX05D紅外集成傳感器模塊內(nèi)部電路結(jié)構(gòu)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(cè)距離為1. 2 m0TX05D 工作原理，當(dāng)

16、TX05D 接通電源后模塊內(nèi)部的紅外發(fā)射管向前方發(fā)射38 kH 的調(diào)制紅外光信號(hào) 一旦有人進(jìn)入( 或有物體存在)有效檢測(cè)范圍內(nèi)時(shí)紅外光信號(hào)就會(huì)有一部分被反射回來(lái) 紅外接收管接收后由內(nèi)部電路轉(zhuǎn)換成同頻率的電信號(hào) 再經(jīng)放大，解調(diào)，整形，比較處理后在輸出端輸出高電平信號(hào)。由于TX05D 使用了調(diào)制技術(shù)和采用進(jìn)口帶補(bǔ)償?shù)目垢蓴_器件 在一定程度上解決了抗干擾問(wèn)題。TX05D紅外集成傳感器具有溫度補(bǔ)償功能。探測(cè)器工作時(shí)，人體輻射和周圍環(huán)境紅外輻射一起進(jìn)入傳感器。當(dāng)氣溫升高時(shí)，背景紅外輻射增強(qiáng)，傳感器自身極化強(qiáng)度即傳感器輸出的熱釋電信號(hào)減小，將明顯影響對(duì)人體的探測(cè)。因此，內(nèi)部的溫度補(bǔ)償電路，使放大器的增益隨

17、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。3.3.2 電路設(shè)計(jì)由于TX05D將熱釋電紅外傳感器的后續(xù)信號(hào)處理電路全部集成，輸出信號(hào)即為可用信號(hào)，因此對(duì)于本設(shè)計(jì)的紅外探測(cè)模塊可以直接由TX05D構(gòu)成，而不需要接任何外部電路。這里因?yàn)橐袛喾较?，故使用兩個(gè)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?yàn)橐诡櫩鸵贿M(jìn)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(jìn)入時(shí)，必然先經(jīng)過(guò)H1，在經(jīng)過(guò)H2；而出門也必然先經(jīng)過(guò)H2，再經(jīng)過(guò)H1。根據(jù)兩個(gè)TX05D的1腳高電平來(lái)臨的先后次序，即可判斷顧客是進(jìn)還是出。由于感應(yīng)范圍較寬

18、，而兩個(gè)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(shí)間范圍內(nèi)兩個(gè)傳感器同時(shí)輸出高電平。圖3-3 TX05D紅外探測(cè)模塊電路3.4 控制模塊控制模塊的功能是根據(jù)探測(cè)模塊傳來(lái)的信號(hào)進(jìn)行判斷，若判斷結(jié)果為顧客進(jìn)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(kāi)，則輸出低電平，發(fā)聲模塊不工作。因?yàn)榘l(fā)聲模塊正常工作需要一定的時(shí)間，而非一個(gè)瞬時(shí)脈沖，故要求控制模塊輸出的高電平能持續(xù)一段時(shí)間。無(wú)疑，這里應(yīng)該用到觸發(fā)器，對(duì)輸出可以起到一定時(shí)間的保持作用。本次設(shè)計(jì)選用雙D觸發(fā)器CD4013。3.4.1 CD4013的工作原理 CD4013是CMOS雙D觸發(fā)器，內(nèi)部集成了兩個(gè)性能相同

19、，引腳獨(dú)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(jì)開(kāi)發(fā)電子電路的一種常用器件，CD4013的管腳排列如圖3-4所示，內(nèi)部有兩個(gè)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(shí)鐘脈沖輸入端，Q和一對(duì)互補(bǔ)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(fù)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(dāng)RESET=SET=0時(shí)，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(dāng)RESET=1，SET=0時(shí)，電路復(fù)位，Q=0；當(dāng)RESET=0，SET=1時(shí)，電

20、路置位，Q=1。后兩種情況無(wú)需時(shí)鐘脈沖和數(shù)據(jù)端配合。一般情況下不允許同時(shí)在RESET，SET兩端加上高電平，因?yàn)榇藭r(shí)觸發(fā)器的兩個(gè)輸出端均為高電平，是不正常的工作狀態(tài)。如表3-1 CD4013的功能表CLOCKDRESETSETQ00001001××100××0113.4.3 電路設(shè)計(jì) 首先，需要進(jìn)一步詳細(xì)明確設(shè)計(jì)目標(biāo)：（1）運(yùn)用兩個(gè)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(dāng)H1和H2輸出低電平（即無(wú)人進(jìn)出）時(shí)，應(yīng)使得D2觸

21、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?；?）當(dāng)H1先輸出高電平時(shí)，說(shuō)明顧客是進(jìn)入，應(yīng)及時(shí)解鎖D2脈沖端CP2，以便H2輸出高電平時(shí)，Q2跳變?yōu)楦唠娖?，使發(fā)聲模塊工作；（4）當(dāng)H2先輸出高電平時(shí)，說(shuō)明顧客是離開(kāi)，D2脈沖端繼續(xù)封鎖，Q2輸出保持低電平。同時(shí)，再當(dāng)H1輸出高電平時(shí)仍不能解鎖D2脈沖端；（5）當(dāng)顧客進(jìn)入時(shí)，Q2輸出高電平，應(yīng)持續(xù)一定的時(shí)間，使發(fā)聲模塊正常完整工作后自動(dòng)變?yōu)榈碗娖健８鶕?jù)這些具體要求，電路設(shè)計(jì)如下圖3-5所示。這里用到了CD4013的單穩(wěn)態(tài)工作方式。圖3-5 控制模塊電路圖當(dāng)無(wú)人進(jìn)出時(shí)，紅外探測(cè)模塊的H1和H2的輸出為低電平，兩個(gè)D觸發(fā)器的復(fù)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(tài)。此時(shí)，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(wú)法通過(guò)與非門作用在D2脈沖端CP2上，即H2的探測(cè)信號(hào)被封鎖，即使H2輸出高電平，后續(xù)電路也無(wú)法接收到。當(dāng)顧客進(jìn)門時(shí)，先經(jīng)過(guò)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(guò)H2時(shí)，H2輸出的高電平經(jīng)兩個(gè)與非門后使CP2出現(xiàn)一個(gè)正脈沖，Q2翻轉(zhuǎn)為高電平，后續(xù)電路開(kāi)始工作，同時(shí)D1變?yōu)榈碗娖健2輸出的一個(gè)支路開(kāi)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?。C1通過(guò)二極

23、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(shí)間由R2和C1決定，t0.693 R2C1，大概約為2.2秒，足夠支持揚(yáng)聲器播報(bào)完預(yù)置語(yǔ)音。如果后續(xù)發(fā)生電路需要更長(zhǎng)的高電平支持，只需適當(dāng)調(diào)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(dāng)連續(xù)有顧客出門時(shí)就會(huì)產(chǎn)生誤報(bào)。原理很簡(jiǎn)單，當(dāng)?shù)谝晃活櫩碗x開(kāi)時(shí)，雖然模塊輸出Q保持低電平不變，但他經(jīng)過(guò)H1時(shí)會(huì)給一個(gè)正脈沖信號(hào)使Q1輸出高電平，導(dǎo)致H2端的封鎖解除。如果此時(shí)再有一位顧客離開(kāi)，H2探測(cè)到的信號(hào)毫無(wú)阻礙的傳輸?shù)紺P2，Q2輸出高電

24、平，電路工作，出現(xiàn)誤報(bào)。3.5 發(fā)聲模塊發(fā)聲模塊的設(shè)計(jì)比較簡(jiǎn)單，如圖3-6所示。這里選用KD5223語(yǔ)音芯片，內(nèi)含“請(qǐng)開(kāi)門”的預(yù)存語(yǔ)音。三極管選用9013，揚(yáng)聲器采用8，0.25W。平時(shí)，因音樂(lè)芯片觸發(fā)端無(wú)信號(hào)，電路處于等待狀態(tài)，揚(yáng)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(chǔ)存的語(yǔ)音信號(hào)，經(jīng)三極管放大后推動(dòng)揚(yáng)聲器發(fā)聲。圖3-6 發(fā)聲模塊電路圖3.6 供電模塊根據(jù)前面各個(gè)模塊的元件，芯片要求，采用+5V直流電源供電。3.7 系統(tǒng)整體電路圖 這個(gè)設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)方案電路圖 無(wú)人進(jìn)出時(shí)，傳

25、感器無(wú)感應(yīng)信號(hào)輸出，觸發(fā)器D1輸出低電平使H2的輸出信號(hào)被封鎖，觸發(fā)器D2輸出低電平使揚(yáng)聲器不會(huì)發(fā)聲，整個(gè)電路處于等待狀態(tài)。如果有人進(jìn)入，H1先輸出正脈沖信號(hào)，Q1輸出高電平，H2解封鎖。隨后H2輸出的正脈沖信號(hào)使觸發(fā)器D2輸出高電平，促使音樂(lè)芯片輸出語(yǔ)音信號(hào)，在經(jīng)三極管放大信號(hào)，揚(yáng)聲器工作，同時(shí)電容C1被充電。直到C1上電壓達(dá)到R的工作電壓，Q1、Q2被迫復(fù)位，音樂(lè)芯片不再輸出語(yǔ)音信號(hào)，揚(yáng)聲器停止工作。同時(shí)C1經(jīng)二極管向Q2放電，R回復(fù)低電平。如果有人離開(kāi)，H2先輸出的正脈沖信號(hào)在與非門處被Q1封鎖，無(wú)法傳遞到后續(xù)電路，揚(yáng)聲器不工作。第4章 系統(tǒng)仿真4.1 仿真流程圖使用Protel進(jìn)行電路

26、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，每次修改原理圖后，都要重新建立Spice網(wǎng)絡(luò)表。流程圖如下圖4-1所示。 開(kāi)始創(chuàng)建項(xiàng)目新建SEh文件繪制原理圖修改元器件參數(shù)開(kāi)始 仿真 建立Spice網(wǎng)絡(luò)表 電器規(guī)則檢查圖4-1 仿真流程4.3 繪制原理圖要想在Protel中實(shí)現(xiàn)仿真，則繪制原理圖時(shí)應(yīng)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(gè)都鏈接到標(biāo)準(zhǔn)得SPICE模型，5800個(gè)仿真用元件分別在Sim.Ddb數(shù)據(jù)庫(kù)的28個(gè)庫(kù)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(lè)芯片就無(wú)法仿真。因此這里只對(duì)控制模塊進(jìn)

27、行仿真。因?yàn)槲覀円呀?jīng)知道TX05D的輸出參數(shù)，故可以用信號(hào)源進(jìn)行模擬替代，不影響整個(gè)設(shè)計(jì)的正確性。只要控制模塊運(yùn)行正常，整個(gè)設(shè)計(jì)就基本不存在問(wèn)題?？刂颇K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(shè)計(jì)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(gè)4011單與非門表示，CD4013雙D觸發(fā)器用2個(gè)4013D觸發(fā)器表示，電阻RES設(shè)置阻值1M，電容CAP設(shè)置3.3uF，H1和H2的信號(hào)使用矩形脈沖信號(hào)源替代表示，設(shè)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(jié)果分析 顧客進(jìn)入情況 設(shè)置信號(hào)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(hào)，即顧客進(jìn)入。由于脈沖寬度400ms，使得它們有200ms的時(shí)間都處于高電平狀態(tài)，表示人處于兩個(gè)紅外傳感器的重疊感應(yīng)區(qū)域。仿真結(jié)果如圖32所示。 圖4-4 模擬H1輸出的信號(hào)源V1參數(shù)設(shè)置 圖4-5 模擬H2輸出的信號(hào)源V2參數(shù)設(shè)置 可以看出，顧客進(jìn)入時(shí)，一進(jìn)入H2的探測(cè)區(qū)域后，控制模塊就開(kāi)始輸出高電平，使得后續(xù)的發(fā)聲電路開(kāi)始工作，電容被充電。當(dāng)電容上的電壓達(dá)到復(fù)位端的工作電壓時(shí)，輸出端回復(fù)低電平，電容迅速放電，等待下一次的信號(hào)來(lái)臨，符合設(shè)計(jì)預(yù)想。這里，我們發(fā)現(xiàn)輸

29、出端高電平的持續(xù)時(shí)間大約為2秒，與理論的2.2秒存在著9%的誤差，基本上對(duì)電路不起任何影響。 圖4.6 顧客進(jìn)入時(shí)仿真效果綜合兩者的情況，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(shuō)明設(shè)計(jì)方案在理論上不存在原則性的錯(cuò)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(jìn)。第5章 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)了最基本的感應(yīng)并發(fā)聲的門鈴功能后，通過(guò)改進(jìn)，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(guò)仿真，證實(shí)設(shè)計(jì)的可用性。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。除了紅外探測(cè)模塊使用到的HN911芯片，是比較新型的一種型號(hào)，價(jià)格也稍高外，其他器件都是非常常用、廉價(jià)的。作為廠家或個(gè)人而言，盡量使用普通工具、低廉成本實(shí)現(xiàn)我們的設(shè)計(jì)目標(biāo)也是實(shí)際操作中應(yīng)考慮的一個(gè)方面。本文最終目的是設(shè)計(jì)出一個(gè)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(shuō)體現(xiàn)了一個(gè)國(guó)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(shí)期內(nèi)一