畢業(yè)設計(論文）—感應式門鈴設計

1、武漢理工大學畢業(yè)設計（論文）感應式門鈴的設計學院（系）： 專業(yè)班級： 學生姓名： 指導教師： 學位論文原創(chuàng)性聲明本人鄭重聲明：所呈交的論文是本人在導師的指導下獨立進行研究所取得的研究成果。除了文中特別加以標注引用的內(nèi)容外，本論文不包括任何其他個人或集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫的成果作品。本人完全意識到本聲明的法律后果由本人承擔。作者簽名： 年 月 日學位論文版權使用授權書本學位論文作者完全了解學校有關保障、使用學位論文的規(guī)定，同意學校保留并向有關學位論文管理部門或機構(gòu)送交論文的復印件和電子版，允許論文被查閱和借閱。本人授權省級優(yōu)秀學士論文評選機構(gòu)將本學位論文的全部或部分內(nèi)容編入有關數(shù)據(jù)進行檢索，可以采用

2、影印、縮印或掃描等復制手段保存和匯編本學位論文。本學位論文屬于1、保密囗，在 年解密后適用本授權書2、不保密囗 。（請在以上相應方框內(nèi)打“”）作者簽名： 年 月 日導師簽名： 年 月 日本科生畢業(yè)設計（論文）任務書學生姓名： 專業(yè)班級：指導教師： 工作單位： 設計（論文）題目：感應式門鈴的設計設計（論文）主要內(nèi)容：了解感應技術的原理及應用，重點掌握紅外感應技術的原理。利用紅外感應探測技術來實現(xiàn)感應式門鈴的設計，其電路可以自動判別人體的進出方向并使門鈴做出不同的響應。完成對整個電路的仿真。要求完成的主要任務：1. 查閱不少于15篇的相關資料，其中英文文獻不少于3篇，完成開題報告。2. 充分掌握設

3、計過程中運用的原理，并熟悉電路元件的性能參數(shù)。3. 使用熱釋電紅外傳感器及相關的元器件完成電路設計，并對其進行仿真實現(xiàn)。4. 完成不少于5000漢字的英文文獻翻譯。5. 完成不少于15000字的畢業(yè)論文設計。必讀參考資料：1 康華光電子技術基礎（數(shù)字部分）高等教育出版社20062 湯姆彼德魯?shù)吕闺娮蛹夹g完全實踐科學出版社20063 黃繼昌，郭繼忠，張海貴等. 數(shù)字集成電路應用300例. 人民郵電出版社20024 張曉東，吳有倉. 電工實用電子制作. 國防工業(yè)出版社2005指導教師簽名： 系主任簽名： 院長簽名（章） 武漢理工大學本科生畢業(yè)設計（論文）開題報告1、目的及意義（含國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀

4、分析）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。感應門鈴就是在這種探索中產(chǎn)生。感應門鈴又稱迎賓器，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

5、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。感應門鈴分光感應式和紅外感應式。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。但光感迎賓器與環(huán)境光照度有關，黑暗情況下不能正常使用。常見紅外感應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。光感應式的價格便宜，但是誤報率高，因為的傳感核心是光敏電阻，光敏電阻對可見光大部分波長都反應變化，故光線變化可能會觸發(fā)迎賓器反應。紅外感應式的相比價格較高，但優(yōu)點誤報極少，加上前面的菲涅爾透鏡窗口，從而將誤

6、報率降至最低。紅外式采用先進微電腦制造技術，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。 紅外感應式技術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

7、電紅外傳感器就是熱探測器的一種。本次設計就是要根據(jù)現(xiàn)有紅外感應門鈴技術，在掌握其設計原理的基礎上，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門鈴。2、基本內(nèi)容和技術方案基本內(nèi)容： （1）了解紅外感應探測技術，重點掌握熱釋電紅外傳感器的原理，掌握常用邏輯芯片及獨立元器件的應用情況，熟悉常見紅外感應器件的性能參數(shù)。了解語音芯片的型號及存儲內(nèi)容。了解可能使用的常見芯片及獨立元器件的價格。（2）根據(jù)理論知識及實際需要與成本限制，分析需要使用的模塊，構(gòu)建完整模型，進行模塊分析，設計出合理完善的技術方案，另外注意功能的拓展功能實現(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

8、計的方案，完成電路仿真。技術方案：本方案設想用于商鋪門口，當有顧客進入時，門鈴自動響起悅耳的音樂，提醒店主有人進入并起歡迎顧客的作用。而在顧客離去時，門鈴不發(fā)聲。并且電路應具有一定的拓展空間，以便后續(xù)實現(xiàn)附加功能。在探測模塊，預選用熱釋電紅外探測模塊，只對人體發(fā)出的特定紅外波長有感應效果，屏蔽了其他外界影響引起的誤報。由于要確定顧客的行走方向，故需要兩個探測感應模塊，根據(jù)信號產(chǎn)生的先后順序來判別是進還是出。在控制模塊，使用門電路，觸發(fā)器和獨立元器件，通過組合，使控制電路可以根據(jù)探測模塊產(chǎn)生的不同信號來判別顧客的進出，從而產(chǎn)生不同的控制信號，得到不同的響應功能。在發(fā)聲模塊，采用內(nèi)置特定音樂的音樂

9、芯片，搭配小功率喇叭，實現(xiàn)發(fā)聲功能。這里使用的音樂芯片，可以選用動聽的樂曲，也可以使用“歡迎光臨”等語音芯片。在供電模塊，采用5v直流電源供電。功能實現(xiàn)后可考慮增加拓展模塊，如當顧客出門時發(fā)出另一種提示音，或者在商鋪無人時，模式改為報警門鈴等。3、進度安排第13周：查閱相關文獻資料，明確研究內(nèi)容，了解研究所需的理論知識。第46周：根據(jù)論文要求，搭建模塊，設計出一種可行性方案。調(diào)查研究電路所需各種元器件芯片的價格和數(shù)據(jù)手冊，完成開題報告。第712周：根據(jù)所設計的方案，進行仿真，對不完善的地方進行調(diào)整修改，根據(jù)測試結(jié)果做必要的校正及拓展工作。第1314周：完成并修改畢業(yè)論文。第15周: 準備論文答

10、辯。4、指導教師意見 指導教師簽名： 年 月 日 目 錄摘 要iabstractii1 緒論11.1 課題研究的背景及意義11.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀11.3 課題研究的主要內(nèi)容22 感應式門鈴的基本原理32.1 熱釋電紅外傳感器32.2 d觸發(fā)器112.3 音樂芯片153 系統(tǒng)設計方案163.1 系統(tǒng)功能分析163.2 系統(tǒng)整體設計模塊163.3 紅外探測模塊163.4 控制模塊193.5 發(fā)聲模塊253.6 供電模塊263.7 系統(tǒng)整體電路圖264 系統(tǒng)仿真284.1 仿真工具簡介284.2 仿真流程圖284.3 繪制原理圖294.4 仿真結(jié)果分析305 結(jié)論33參考文獻34致 謝35武漢理工

11、大學畢業(yè)設計（論文）摘 要本文在掌握熱釋電紅外傳感器的基本原理和基本模擬電路、數(shù)字電路知識原理（包括與非門，d觸發(fā)器，三極管，電容，電阻，揚聲器等）的基礎上，介紹了一種新型的實用的紅外探測模塊hn911以及雙d觸發(fā)器cd4013的常見應用情況。在此基礎上，運用它們設計一個置于店鋪門口的用于迎接顧客的紅外感應式門鈴。它可根據(jù)顧客的進出情況作出不同的反應。設計完成后使用protel對其作了仿真，結(jié)果較為理想，外界干擾不大的情況下基本不會誤報，但揚聲器發(fā)聲的持續(xù)時間較理論值稍短0.2秒，誤差9%，但不影響電路工作。論文主要研究了紅外感應技術在日常生活中的典型應用，即感應式門鈴。通過對它的研究，掌握紅

12、外傳感器的基本原理，電路設計制作流程以及常用元器件的應用情況。研究結(jié)果表明：本文敘述的電路設計方案能達到預想的效果，當人進入時，揚聲器立即發(fā)出問候語，而離開則不提示，并且可以進行功能拓展。本文特色在于：電路結(jié)構(gòu)簡單，原理易懂，容易制作，并有一定的功能拓展性?？傮w而言，本文對于理解感應式門鈴的原理與設計，進一步深化理論知識，提高動手實踐能力都具有一定的參考價值。關鍵詞：感應技術；熱釋電紅外傳感器；d觸發(fā)器；紅外感應式門鈴iabstractthe paper is based on grasping the pyroelectric infrared sensors basic principle

13、s 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 infrar

14、ed 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 out

15、side 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 s

16、hould 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 do

17、orbell 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 sens

18、ing 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 緒論1.1 課題研究的背景及意義門鈴歷史悠久，現(xiàn)代社會最常見的是電子門鈴。早期門鈴的作用就是單純地提醒主人有賓客來訪，隨著經(jīng)濟的發(fā)展，門鈴的類型開始多樣化，功能作用也開

19、始轉(zhuǎn)變。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。門鈴的作用也由單向的提示主人發(fā)展為雙向的既可提醒主人又可歡迎客人（即賓客也可以聽到悅耳的音樂或歡迎語音），既可迎賓又可防盜報警。感應式門鈴就是在這種探索研究中產(chǎn)生的。感應式門鈴又稱迎賓器，是近年才有的常用于商鋪，寫字樓，工廠起迎賓防盜作用的電子產(chǎn)品。感應式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，起到了禮貌問候的

20、作用，從而做到提醒店員有人進店和迎賓的雙重作用。感應式門鈴的研究主要是集中在如何使其感應更靈敏，感應更準確，功能更完善，價格更低廉等方面，目的就是讓感應式門鈴在各種應用場合中完美地起到迎賓、醒主和防盜報警作用。1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀目前感應式門鈴主要分光感應式和紅外感應式。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。但光感門鈴受環(huán)境光照度的影響，黑暗情況下不能正常使用。常見紅外感應式門鈴使用熱釋電紅外傳感器，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。光感應式的價格便宜，但是誤報率高，因為它的傳感

21、核心是光敏電阻，光敏電阻對可見光大部分波長都反應變化，故光線變化可能會觸發(fā)門鈴反應。紅外感應式的相比價格較高，但優(yōu)點是誤報極少，加上前面的菲涅爾透鏡窗口，從而將誤報率降至最低。紅外式采用先進微電腦制造技術，無論白天黑夜都可正常使用，即可做門鈴使用，也可做獨立報警器使用。紅外感應式門鈴性能卓越，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?？偟膩碚f，感應式門鈴目前的技術比較成熟，功能也較為完善，成本不高，并且由于通常市面上的感應式門鈴都兼迎賓及報警兩用，因此應用場合也較為廣泛1。1.3 課

22、題研究的主要內(nèi)容本次課題研究內(nèi)容就是要根據(jù)現(xiàn)有的已市場化的感應門鈴的制造原理，在掌握感應技術，特別是紅外感應技術的基礎上，采用紅外探測模塊加上必要的芯片及元器件，設計一個簡易實用廉價的感應式門鈴。要求重點在于掌握設計原理，并將書本所學與實際結(jié)合起來，提高實踐能力，熟悉電路設計的基本流程與方法，熟悉常用電子元器件、芯片的參數(shù)并能熟練使用它們，熟練運用protel軟件對電路進行仿真。通過研究設計感應式門鈴，熟悉感應探測技術的具體應用，為以后的科研和制作積累經(jīng)驗。2 感應式門鈴的基本原理當今社會感應技術發(fā)展迅速，目前常用的感應技術有紅外感應，壓力感應，電感應，磁感應，光感應，熱感應，微波感應，氣體感

23、應等等。各種不同的感應技術都有各自的應用領域，而且呈現(xiàn)越來越廣泛的趨勢?？偟膩碚f，感應技術的基本原理就是自動對特定的外界信號（包括物理、化學、生物等方面的各種信號）產(chǎn)生預定響應。本文感應式門鈴用到的感應技術主要是紅外感應，而紅外感應技術就需要用到紅外傳感器。感應式門鈴就是通過紅外傳感器探測人體紅外信號，繼而經(jīng)過一系列電路的判斷與控制，達到使揚聲器發(fā)聲的功能。2.1 熱釋電紅外傳感器2.1.1 紅外傳感器的類型比較及選用紅外傳感器可分為兩類：主動式紅外傳感器和被動式紅外傳感器。下面對這兩種傳感器的基本情況分別加以介紹，再結(jié)合本課題的設計要求，選擇一種最合適的紅外傳感器類型進行課題研究。（1）主動

24、式紅外傳感器主動紅外傳感器由紅外發(fā)射機、紅外接收機組成。分別置于收、發(fā)端的光學系統(tǒng)一般采用的是光學透鏡，起到將紅外光束聚焦成較細的平行光束的作用，以使紅外光的能量能夠集中傳送。紅外光在人眼看不見的光譜范圍，有人經(jīng)過這條無形的封鎖線，必然全部或部分遮擋紅外光束，接收端輸出的電信號的強度會因此產(chǎn)生變化，從而啟動后續(xù)電路進行工作。主動式紅外傳感器遇到小動物、樹葉、沙塵、雨、雪、霧遮擋則不應輸出有效信號，人或相當體積的物品遮擋將輸出有效信號。由于光束較窄，收發(fā)端安裝要牢固可靠，不應受地面震動影響，而發(fā)生位移引起誤報，光學系統(tǒng)要保持清潔，注意維護保養(yǎng)。因此主動式傳感器所探測的是點到點，而不是一個面的范圍

25、。其特點是探測可靠性非常高。但若對一個空間進行布防，則需有多個主動式傳感器，價格昂貴。主動式傳感器常用于博物館中單體貴重文物展品的布防以及工廠倉庫的門窗封鎖、購物中心的通道封鎖、停車場的出口封鎖、家居的陽臺封鎖等等。 主動式紅外傳感器有單光束、雙光束、四光束之分。以發(fā)射機與接收機設置的位置不同分為對向型安裝方式和反射式按裝方式，反射型安裝方式的接收機不是直接接收發(fā)射機發(fā)出的紅外光束，而是接收由反射鏡或適當?shù)姆瓷湮铮ㄈ缡覊?、門板表面光滑的油漆層）反射回的紅外光束。當反射面的位置與方向發(fā)生變化或紅外發(fā)射光束和反射光束之一被阻擋而使接收機無法接收到紅外反射光束時輸出有效信號。當使用較多的傳感器進行

26、防范布局時應該注意消除射束的交叉誤射。（2）被動式紅外傳感器我們之所以稱為被動式紅外傳感器，即傳感器本身不發(fā)射任何能量而只被動接收、探測來自環(huán)境的紅外輻射。傳感器安裝后數(shù)秒種已適應環(huán)境，在無人或動物進入探測區(qū)域時，現(xiàn)場的紅外輻射穩(wěn)定不變，一旦有人體紅外線輻射進來，經(jīng)光學系統(tǒng)聚焦就使熱釋電器件產(chǎn)生突變電信號，而發(fā)出警報。被動紅外傳感器形成的警戒線一般可以達到數(shù)十米。 被動式紅外傳感器主要由光學系統(tǒng)、熱傳感器（或稱為紅外傳感器）等部分組成。其核心是紅外探測器件，通過關學系統(tǒng)的配合作用可以探測到某個立體防范空間內(nèi)的熱輻射的變化。紅外傳感器的探測波長范圍是814m，人體輻射的紅外峰值波長約為10m，正

27、好在范圍以內(nèi) 被動式紅外傳感器（passive infared detector，pir）根據(jù)其結(jié)構(gòu)不同、警戒范圍及探測距離也有所不同，大致可以分為單波束型和多波束型兩種。單波束pir采用反射聚焦式光學系統(tǒng)，利用曲面反射鏡將來自目標的紅外輻射匯聚在紅外傳感器上。這種方式的傳感器境界視場角較窄，一般在5以下，但作用距離較遠，可長達百米。因此又稱為直線遠距離控制型被動紅外傳感器，適合保護狹長的走廊、通道以及封鎖門窗和圍墻。多波束型采用透鏡聚焦式光學系統(tǒng)，目前大都采用紅外塑料透鏡多層光束結(jié)構(gòu)的菲涅爾透鏡。這種透鏡是用特殊塑料一次成型，若干個小透鏡排列在一個弧面上。警戒范圍在不同方向呈多個單波束狀態(tài)，

28、組成立體扇形感熱區(qū)域，構(gòu)成立體警戒。菲涅爾透鏡自上而下分為幾排，上面透鏡較多，下邊較少。因為人臉部、膝部、手臂紅外輻射較強，正好對著上邊的透鏡。下邊透鏡較少，一是因為人體下部紅外輻射較弱，二是為防止地面小動物紅外輻射干擾。多波束型pir的警戒視場角比單波束型大得多，水平可以大于90，垂直視場角最大也可以達到90，但作用距離較近。所有透鏡都向內(nèi)部設置的熱釋電器件聚焦，因此靈敏度較高，只要有人在透鏡視場內(nèi)走動就會輸出有效信號。為了解決物品遮擋問題，又發(fā)明了吸頂式被動紅外傳感器。安裝在頂棚上向下360范圍內(nèi)進行探測。只要在防護范圍內(nèi)，無論從哪個方向進入都會觸發(fā)電路，在銀行營業(yè)大廳，商場的公共活動區(qū)等

29、空間較大的地方得到廣泛使用。被動式紅外傳感器由于探測性能好、易于布防、價格便宜而被廣泛應用。其缺點是相對于主動式傳感器誤報率較高。感應式門鈴的應用范圍和設計要求決定了它應該是具有一個面的探測范圍，而且應該只對人體產(chǎn)生有效信號，這就排除了主動式紅外傳感器。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 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。熱釋電器件是利用某些材料的熱釋電效應制成的紅外檢測元件。早在1938年就曾有人提出過利用熱

30、釋電效應探測紅外輻射的想法，但長期沒有得到重視。直到20世紀60年代才開始認真研究這個問題。尤其是20年來，無論從材料還是器件的研究方面都得到迅速發(fā)展。特別是陶瓷熱釋電材料，不但有良好的熱釋電特性，而且可以大批量生產(chǎn)，成本低。同時，隨著技術的不斷改進，使熱釋電紅外傳感器的結(jié)構(gòu)日臻完善，體積越來越小，而且靈敏度和可靠性都得到提高，應用更方便，從而使當今熱釋電紅外傳感器的應用范圍不斷擴大，不但用于國防軍事，而且在工業(yè)和民用電子電器產(chǎn)品中都得到廣泛應用。由于應用的廣泛，國外廠商一直在克服器件的缺點上進行卓有成效的努力。過去，歐美曾是熱釋電紅外傳感器的主要生產(chǎn)者和主要應用市場。近些年日本奮起直追，迎頭

31、趕上?，F(xiàn)在，日本多家公司正努力研究和開發(fā)多種熱釋電紅外傳感器。例如，陶瓷公司、hokuriku電氣工業(yè)公司等，一些產(chǎn)品已占領國外市場。紅外傳感器主要分兩大類，一類是光電型，一類是熱敏型。前者利用光電效應工作，響應速度快，檢測特性好。但需要冷卻，使用不方便。而且器件的檢測靈敏度與紅外波長有關。而熱釋電器件屬于后者，它工作在室溫條件下，檢測靈敏度很高，而且與輻射波長無關，可探測功率只受背景輻射的限制。而且熱釋電器件響應也很快，應用又方便。因此，熱釋電紅外傳感器是光電型傳感器無法取代的2。2.1.3 紅外輻射，熱釋電效應紅外輻射：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)動及振動而產(chǎn)生。這

32、類振動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)射的紅外波長不同。實踐證明，溫度愈低的物體輻射的紅外線波長愈長，人體表面輻射出波長約為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)，但它的特點是熱效應最大。熱釋電效應：因紅外線具有很強的熱效應，當交互變化的紅外線照射到晶體表面時，晶體溫度迅速變化，這時會發(fā)生電荷的變化，從而形成一個明顯的外電場，這種現(xiàn)象稱為熱釋電效應。熱釋電紅外傳感器就是根據(jù)這種原理制成的。2.1.4 熱釋電紅外傳感器的結(jié)構(gòu)及工作原理眾所周知，只要物體本身溫度高于熱力學溫度0 k（約-273），則都會發(fā)射出相當于某一個溫度的輻射

33、線，人體都有恒定的體溫，一般為37，所以會從人體表面輻射出波長約為10m的紅外線。可利用面鏡或透鏡將人體所輻射出來的紅外線有效地集中于熱釋電紅外傳感器上，通過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。熱釋電紅外傳感器內(nèi)部由光學濾鏡、場效應管、紅外感應源（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1和圖2所示3 4。圖1 熱釋電紅外傳感器結(jié)構(gòu)圖2 熱釋電紅外傳感器結(jié)構(gòu)及內(nèi)部電路光學濾鏡的主要作用是只允許波長在10m左右的紅外線（人體發(fā)出的紅外線波長）通過，而將燈光、太陽光及其他輻射濾除掉，以抑制外界干擾。紅外感應源通常由兩個串聯(lián)或者并聯(lián)的熱釋電元件組成。這

34、兩個熱釋電元件的電極相反，環(huán)境背景輻射對兩個熱釋電元件幾乎具有相同的作用，使其產(chǎn)生的熱釋電效應相互抵消，輸出信號接近為零。一旦有人進入探測區(qū)域內(nèi)，人體輻射的紅外線就會通過部分鏡面聚焦，并被熱釋電元件接收。不過由于角度不同，兩片熱釋電元件接收到的熱量不同，熱釋電能量也不同，不能抵消，經(jīng)處理電路處理后輸出控制信號。熱釋電元件輸出的是微弱電信號，不能直接使用，需要用電阻將其轉(zhuǎn)換為電壓形式，該電阻阻抗高達104m，故引入n溝道結(jié)型場效應管接成共漏形式來完成阻抗變換。熱釋電紅外傳感器由陶瓷氧化物或壓電晶體元件組成，在元件兩個表面做成電極，在傳感器監(jiān)測范圍內(nèi)溫度有t的變化時，熱釋電效應會在兩個電極上產(chǎn)生電

35、荷q，即在兩電極之間產(chǎn)生一微弱的電壓v。熱釋電效應所產(chǎn)生的電荷q會被空氣中的離子所結(jié)合而消失，即當環(huán)境溫度穩(wěn)定不變時，t= 0，傳感器無輸出。我們一般口中所述的紅外探頭中有兩個關鍵性的器件：一個是熱釋電紅外傳感器。它能將波長為812m 之間的紅外信號的變化轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?，并對自然界中的可見光信號具有抑制作用。因此在紅外探測器的有效感應區(qū)內(nèi)，當無人體移動時，熱釋電紅外傳感器感應到的只是背景溫度，沒有信號變化，所以不能產(chǎn)生電信號；當人體進人感應區(qū)，通過菲涅爾透鏡，熱釋電紅外傳感器感應到的是人體溫度與背景溫度的差異信號，此時產(chǎn)生電信號。另外一個器件就是菲涅爾透鏡。菲涅爾透鏡一般固定在紅外傳感器正前方1

36、5cm的地方。它具有聚焦，即將熱釋電的紅外信號反射在紅外傳感器上的作用，還能將感應區(qū)內(nèi)分為若干個明區(qū)和暗區(qū)，使進入感應區(qū)的移動物體能以溫度變化的形式在熱釋電紅外傳感器上產(chǎn)生變化熱釋紅外信號，這樣熱釋電紅外傳感器產(chǎn)生變化的電信號，后續(xù)電路經(jīng)檢測處理后產(chǎn)生可用信號5。2.1.5 熱釋電紅外傳感器的材料、類別及特性熱釋電紅外傳感器的制作材料以陶瓷氧化物和壓電晶體為最多，如pbtio3（鈦酸鉛）、litao3（鉭酸鋰）、latgs（硫酸三甘肽）、pzt（鋯鈦酸鉛）等。這類材料具有強烈的自發(fā)極化特性，平時靠捕獲大氣中的浮游電荷保持平衡，當受到熱輻射而產(chǎn)生溫度變化時，介質(zhì)的極化狀態(tài)將隨之變化。由于表面電荷

37、的變化速度遠遠小于內(nèi)部電荷的變化速度，內(nèi)、外層電荷會出現(xiàn)“失步”現(xiàn)象，即在表面電荷重新達到平衡的短暫時間內(nèi)，將出現(xiàn)獨立的電荷。這就是電介質(zhì)的熱釋電效應。熱釋電紅外傳感器按內(nèi)部安裝敏感元件個數(shù)多少，又可分為單元件、雙元件、四元件及特殊形式等幾種，最常見的為雙元件型。所謂雙元件就是在一個傳感器中有兩個反相串聯(lián)的敏感元件，其特點是：（1）當入射能量順序地射到兩個元件上時，其輸出要比單元件高一倍；（2）由于兩個元件逆向串聯(lián)，對于同時輸入的能量會相互抵消，可防止太陽或燈頭等紅外線引起誤動作；（3）可防止因環(huán)境溫度變化引起的檢測誤差；（4）常用的敏感元件還具有壓電效應，所以雙敏感元件還可以消除因振動引起的

38、檢測誤差。上文圖2就是雙元型元件。特殊形式有溫補單元型，主要用于輻射高溫計、氣體分析設備、火焰檢測器等6。目前常用的熱釋電紅外傳感器型號主要有p228、lhl958、lhi954、re200b、kds209、pis209、lhi878、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)部開關管d極，drain）、信號輸出端（內(nèi)部開關管s極，source）、接地端（ground）。常見的熱釋電紅外傳感器外形及各引腳功能如圖3所示。熱釋電紅外傳感器的主要工作參數(shù)有：工作電壓（常用的熱釋電紅外傳感器工作電壓范圍為315v）、工作波長（通常為7.514 m）、源極電壓（通

39、常為0.41.1v，r=47k）、輸出信號電壓（通常大于2.0v）等。圖3 常見的熱釋電紅外傳感器外形及各引腳功能2.1.6 熱釋電紅外傳感器的輸出信號特性及優(yōu)缺點熱釋電紅外傳感器輸出電信號的幅度和頻率主要決定于：目標人體的溫度、探測區(qū)域背景、人體離傳感器的距離、人體移動的速度、光學透鏡系統(tǒng)的焦距和設計樣式。人體溫度和探測區(qū)域背景的溫差越大，離傳感器越近，輸出電信號的幅值將越大。雙敏感元熱釋電傳感器配合菲涅爾光學透鏡使用時，輸出信號波形電壓峰峰值約為1mv，頻率可由下列公式計算： （1）其中：f是輸出信號頻率（hz），vb是人體移動速度（m/s），fb是光學系統(tǒng)焦距（mm），s是傳感器敏感元的

40、面積（mm2），l是人體離傳感器距離（m）。對于雙敏感元傳感器，標準尺寸為2（mm）*1（mm），人體移動速度范圍為0.5（m/s）5（m/s），常用探測器上使用的菲涅爾透鏡焦距為25（mm），我們可計算出傳感器輸出信號的頻率范圍為0.088hz7。由于傳感器輸出的信號非常微弱，因此需要外接放大電路，也有些傳感器生產(chǎn)廠家直接將后續(xù)信號處理電路內(nèi)置在傳感器中，用戶直接就可以使用。 熱釋電紅外傳感器其優(yōu)點是本身不發(fā)出各種類型的輻射，該器件的功耗小、隱蔽性好、價格低。其缺點是容易受各種熱源、光源及射頻輻射的干擾；被動紅外穿透力差，人體的紅外輻射容易被遮擋，不易被探頭接收；當環(huán)境溫度和人體溫度接近時，

41、探測和靈敏度下降，有時還會短時失靈8。2.1.7 菲涅爾透鏡熱釋電紅外傳感器不加光學透鏡（也稱菲涅爾透鏡），其檢測距離通常不大于2m，而加上菲涅爾透鏡后，其檢測距離可大于7m。因此在實際應用中，熱釋電紅外傳感器通常與菲涅爾透鏡配合使用。菲涅爾透鏡是由法國物理學家奧古斯汀菲涅爾（augustinfresnel）發(fā)明的，他在1822年最初使用這種透鏡設計用于建立一個玻璃菲涅爾透鏡系統(tǒng)燈塔透鏡。菲涅爾透鏡（fresnel lense）是一種微細結(jié)構(gòu)的光學元件，從正面看其象一個飛鏢盤，由一環(huán)一環(huán)的同心園組成，是依托菲涅爾理論由平凸透鏡演變而來的，是平凸透鏡的一種異化。它具有短焦距、大孔徑及厚度小的特點

42、，用菲涅爾透鏡可以獲得更為柔和、均勻的光分布照明狀態(tài)。菲涅爾透鏡有兩種形式，即折射式和反射式。其工作原理十分簡單，它有兩種理解方式：（1）假設一個透鏡的折射能量僅僅發(fā)生在光學表面（如：透鏡表面），拿掉盡可能多的光學材料，而保留表面的彎曲度。如圖4所示。圖4 菲涅爾透鏡1另外一種理解就是，透鏡連續(xù)表面部分“坍陷”到一個平面上。從剖面看，其表面由一系列鋸齒型凹槽組成，中心部分是橢圓型弧線。每個凹槽都與相鄰凹槽之間角度不同，但都將光線集中一處，形成中心焦點，也就是透鏡的焦點。每個凹槽都可以看做一個獨立的小透鏡，把光線調(diào)整成平行光或聚光。這種透鏡還能夠消除部分球形像差。如圖5所示。圖5 菲涅爾透鏡2菲

43、涅爾透鏡，簡單的說就是在透鏡的一側(cè)有等距的齒紋，通過這些齒紋，可以達到對指定光譜范圍的光帶通（反射或者折射）的作用。傳統(tǒng)的打磨光學器材的帶通光學濾鏡造價昂貴，菲涅爾透鏡可以極大的降低成本，典型的例子就是pir。pir廣泛的用在門鈴、警報器上。如果你拿一個看看，你會發(fā)現(xiàn)在每個pir上都有個塑料的小帽子，這就是菲涅爾透鏡。小帽子的內(nèi)部都刻上了齒紋。這種菲涅爾透鏡可以將入射光的頻率峰值限制到10m左右（人體紅外線輻射的峰值），成本相當?shù)牡?。因此，菲涅爾透鏡作用有兩個：一是聚焦作用，即將熱釋紅外信號折射（反射）在pir（熱釋電紅外傳感器）上，第二個作用是將探測區(qū)域內(nèi)分為若干個明區(qū)和暗區(qū)，使進入探測區(qū)域

44、的移動物體能以溫度變化的形式在pir上產(chǎn)生變化的信號，繼而傳感器就能產(chǎn)生控制信號。在熱釋電紅外傳感器應用中，菲涅爾透鏡的主要作用是聚焦作用。其工作示意圖如圖6所示9。圖6 菲涅爾透鏡聚焦作用示意圖2.1.8 熱釋電紅外傳感器的安裝要求熱釋電紅外傳感器的誤報率與安裝位置和方式有很大關系，一般應注意以下幾點： （1）傳感器應離地面22.5m，遠離空調(diào)器、冰箱、火爐、射燈等空氣溫度變化敏感的地方；（2）不要正對著窗戶、門、灶臺，否則室外的熱氣和人員的頻繁流動會引起傳感器誤報； （3）傳感器探測范圍不能有隔板、大型家具、屏風等遮擋物10。此外，熱釋電紅外傳感器對人體敏感程度還和人的運動方向有關，它對于

45、徑向移動反應最不敏感，而對于切向方向（即與半徑垂直的方向）移動最為敏感。如圖7所示。圖7 熱釋電紅外傳感器靈敏度示意圖2.2 d觸發(fā)器鎖存器是一種基本的記憶器件，它能夠儲存一位元的數(shù)據(jù)。由于它是一種時序性的電路，所以并不需要時鐘輸入，它會根據(jù)輸入來改變輸出。觸發(fā)器不同于鎖存器，它是一種時鐘控制的記憶器件，觸發(fā)器具有一個控制輸入信號（cp）。cp信號使觸發(fā)器只在特定時刻才按輸入信號改變輸出狀態(tài)。若觸發(fā)器只在時鐘cp由低電平到高電平（或高電平到低電平）的轉(zhuǎn)換時刻才接收輸入，則稱這種觸發(fā)器是上升沿（或下降沿）觸發(fā)的。觸發(fā)器可用來儲存一位元的數(shù)據(jù)。通過將若干個觸發(fā)器連接在一起可儲存多位元的數(shù)據(jù)，它們可

46、用來表示時序器的狀態(tài)、計數(shù)器的值、電腦記憶體中的ascii碼或其他資料。d觸發(fā)器是最常用的觸發(fā)器之一。對于上升沿觸發(fā)的d觸發(fā)器來說，其輸出q只在cp由低電平到高電平的轉(zhuǎn)換時刻才會跟隨輸入d的狀態(tài)而變化，其他時候q則維持不變。目前常用的觸發(fā)器主要有三種電路結(jié)構(gòu)：主從觸發(fā)器，維持阻塞觸發(fā)器和利用傳輸延遲的觸發(fā)器。而d觸發(fā)器主要是前兩種結(jié)構(gòu)。2.2.1 主從觸發(fā)器將兩個d鎖存器級聯(lián)，則構(gòu)成cmos主從觸發(fā)器，如圖8所示。圖中左邊的鎖存器成為主鎖存器，右邊的稱為從鎖存器。主鎖存器的鎖存使能信號正好與從鎖存器反相，利用兩個鎖存器的交互鎖存，則可實現(xiàn)存儲數(shù)據(jù)和輸入信號之間的隔離。圖8 主從觸發(fā)器圖8中的觸

47、發(fā)器工作過程分為以下兩個節(jié)拍：（1）當時鐘信號cp=0時，=1，c=0，使tg1導通，tg2斷開，d端輸入信號進入主鎖存器，這時q跟隨d端的狀態(tài)變化，使q=d。例如，d為1時，經(jīng)tg1傳到g1的輸入端，使=0，q=1。同時由于tg3斷開，切斷了從鎖存器與主鎖存器之間的聯(lián)系，而tg4導通，g3的輸入端和g4的輸出端經(jīng)tg4連通，構(gòu)成雙穩(wěn)態(tài)存儲單元電路，使從鎖存器維持在原來的狀態(tài)不變，即觸發(fā)器的輸出狀態(tài)不變。（2）當cp由0跳變到1后，=0，c=1，使tg1斷開，從而切斷了d端與主鎖存器的聯(lián)系，同時tg2導通，將g1的輸入端和g2的輸出端連通，使主鎖存器維持原態(tài)不變。這時，tg3導通，tg4斷開，

48、將端信號傳輸?shù)絨端。若=0，經(jīng)tg3傳送給g3的輸入端，于是=0，q=1。可見，從鎖存器在工作中總是跟隨主鎖存器的狀態(tài)變化，觸發(fā)器因之冠名“主從”。它的輸出狀態(tài)轉(zhuǎn)換發(fā)生在cp信號上升沿到來后的瞬間，而觸發(fā)器的狀態(tài)僅僅取決于cp信號上升沿到達前瞬間的d信號，從功能上考慮成為d觸發(fā)器。如果以qn+1表示cp信號上升沿到達后觸發(fā)器的狀態(tài)，則d觸發(fā)器的特性可以用下式來表示： qn+1 = d （2）稱為d觸發(fā)器的特性方程。它反映了觸發(fā)器在時鐘信號作用后的狀態(tài)與此前輸入信號d的關系。2.2.2 維持阻塞觸發(fā)器維持阻塞結(jié)構(gòu)的d觸發(fā)器的邏輯電路如圖9所示。該觸發(fā)器由3個用與非門構(gòu)成的基本sr鎖存器組成，其中

49、g1、g2和g3、g4構(gòu)成的兩個基本sr鎖存器響應外部輸入數(shù)據(jù)d和時鐘信號cp，他們的輸出q2和q3作為、信號控制著由g5、g6構(gòu)成的第三個基本sr鎖存器的狀態(tài)，即整個觸發(fā)器的狀態(tài)。下面介紹其工作原理：圖9 維持阻塞觸發(fā)器（1）當cp=0時，與非門g2和g3被封鎖，其輸出q2=q3=1，即=1，使輸出鎖存器處于保持狀態(tài)，觸發(fā)器的輸出q和不改變狀態(tài)。同時，q2和q3的反饋信號分別將g1和g4兩個門打開，使q4=，q1=d，d信號進入觸發(fā)器，為觸發(fā)器狀態(tài)刷新做好準備。（2）當cp由0變1后瞬間，g2和g3打開，它們的輸出q2和q3的狀態(tài)由g1和g4的輸出狀態(tài)決定，即=q2=，=q3=d，二者狀態(tài)永

50、遠是互補的，也就是說，和中必有一個是0。由基本sr鎖存器的邏輯功能可知，這時qn+1 = d，觸發(fā)器狀態(tài)按此前d的邏輯值刷新。（3）在cp=1期間，有g1、g2和g3、g4分別構(gòu)成的兩個基本sr鎖存器可以保證q2、q3的狀態(tài)不變，使觸發(fā)器狀態(tài)不受輸入信號d的變化影響。在q=1時，q2=0，則將g1和g3封鎖。q2至g1的反饋線使q1=1，起維持q2=0的作用，從而維持了觸發(fā)器的1狀態(tài)，稱為置1維持線；而q2至g3的反饋線使q3=1，雖然d信號在此期間的變化可能使q4相應改變，但不會改變q3的狀態(tài)，從而阻塞了d端輸入的置0信號，稱為置0阻塞線。在q=0時，q3=0，則將g4封鎖，使q4=1，既阻

51、塞了d=1信號進入觸發(fā)器的路徑，又與cp=1，q2=1共同作用，將q3維持為0，而將觸發(fā)器維持在0狀態(tài)，故將q3至g4的反饋線稱為置1阻塞、置0維持線。正因為這種觸發(fā)器工作中的維持、阻塞特性，所以稱之為維持阻塞觸發(fā)器。雖然維持阻塞d觸發(fā)器的電路結(jié)構(gòu)與主從觸發(fā)器的完全不同，但這兩個電路所實現(xiàn)的邏輯功能是完全相同的，都是在cp脈沖上升沿到來后瞬間轉(zhuǎn)換輸出狀態(tài)，將輸入信號d傳遞到q端并保持下去。因此，它們使用同一個邏輯符合，特性方程也是一致的。2.2.3 觸發(fā)器的動態(tài)特性觸發(fā)器的動態(tài)特性反映其對輸入邏輯信號和時鐘信號之間的時間要求，以及輸出對時鐘信號響應的延遲時間。圖10所示的定時圖顯示了d觸發(fā)器各

52、信號之間的時間要求或延遲。（1）建立時間tsu輸入信號d的變化會引起觸發(fā)器輸入電路的一系列變化，它必須在時鐘信號cp的上升沿（對上升沿觸發(fā)的觸發(fā)器而言）到來之前的某一時刻跳變到某一邏輯電平并保持不變，以保證與信號d相關的電路建立起穩(wěn)定的狀態(tài)，使觸發(fā)器狀態(tài)得到正確的轉(zhuǎn)換。該時間的最小值即建立時間tsu。圖10 d觸發(fā)器定時器（2）保持時間th信號d在cp上升沿到來之后還應保持一定時間，才能保證d狀態(tài)可靠地傳送到q和端，該時間的最小值稱為保持時間th。由于技術的進步，已有許多種觸發(fā)器可把保持時間降到0。這項特性在高速移位寄存器或計數(shù)器中是十分重要的。（3）傳輸延遲時間tplh和tphl時鐘脈沖cp

53、上升沿至輸出端新狀態(tài)穩(wěn)定建立起來的時間定義為傳輸延遲時間。tplh是輸出從低電平到高電平的延遲時間，tphl則是輸出從高電平到低電平的延遲時間，應用中有時取其平均傳輸延遲時間tpd = 0.5（tplh tphl）。（4）觸發(fā)脈沖寬度tw為保證可靠觸發(fā)，要求時鐘脈沖cp的寬度不小于tw，以保證內(nèi)部各門正確翻轉(zhuǎn)。（5）最高觸發(fā)頻率fcmax觸發(fā)器所能響應的時鐘脈沖cp最高頻率，fcmax = 1/tcmin 。因為在cp高電平和低電平期間，觸發(fā)器內(nèi)部都要完成一系列動作，需要一定的時間延遲，所以對于cp最高工作頻率有一個限制11。2.3 音樂芯片音樂芯片是一種比較簡單的語音電路，它通過內(nèi)部的振蕩電

54、路，再外接少量分立元件，就能產(chǎn)生各種音樂信號。音樂芯片是語音集成電路的一個重要分支，目前廣泛用于音樂卡、電子玩具、電子鐘、電子門鈴、家用電器等場合。根據(jù)音樂輸出的特點我們將音樂電路分為以下幾類：單曲、復音、音樂帶閃燈、唱歌。按封裝形式有cob黑膏軟封裝和三極管封裝形式?；就庑稳鐖D11所示。圖11 音樂芯片音樂芯片的外部引腳根據(jù)廠家、型號、功能的不同各有不同，但主要引腳沒有區(qū)別，圖11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端，一般工作電壓范圍是2.45.5v；（2）e、b、c三焊孔用來焊接外接功放三極管；（3）osc是外接振蕩電阻端，振蕩電阻應接于

55、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。3 系統(tǒng)設計方案3.1 系統(tǒng)功能分析本方案設想用于商鋪門口，當有顧客進入時，門鈴自動響起“歡迎光臨”（或者其他音樂）的預置聲音，既起到迎賓作用，也提示店主有顧客進入；而當顧客離開時則不提示。這樣不僅實現(xiàn)了感應式門鈴的基本要求，而且由于可判別人體行走方向，為以后的拓展功能預留了空間（比如顧客出門時提示“謝謝光臨”的預置音或者店鋪關門后可調(diào)整至報警狀態(tài)等）。3.2 系統(tǒng)整體設計模塊本設計方案可分為4個模塊：紅外探測模塊，控制模塊，

56、發(fā)聲模塊，供電模塊。如圖12所示。其中最關鍵的就是紅外探測模塊和控制模塊。前者決定了整個設計方案的成敗，而后者決定了能否實現(xiàn)預期效果。圖12 系統(tǒng)模塊圖3.3 紅外探測模塊紅外探測模塊實現(xiàn)的功能是將感應到的人體紅外線轉(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。整個探測模塊主要由光學系統(tǒng)，熱釋電紅外傳感器，信號濾波和放大信號處理構(gòu)成。如果使用獨立元器件完成信號處理的各項功能會比較復雜。這里采用一種新型模塊hn911。3.3.1 hn911紅外探測模塊原理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