紅外感應(yīng)門鈴電路設(shè)計(jì)方案畢業(yè)論文

1、ii 西南科技大學(xué)高等教育自學(xué)考試（電子信息技術(shù)）畢業(yè)論文 紅外感應(yīng)門鈴電路設(shè)計(jì) 紅外感應(yīng)門鈴電路設(shè)計(jì)摘要：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。設(shè)計(jì)中運(yùn)用模擬電路知識(shí)，利用熱釋電紅外傳感器、lm324四運(yùn)放集成電路和ne555時(shí)基集成電路等器件設(shè)計(jì)了一款紅外感應(yīng)式門鈴電路。該電路工作時(shí)可根據(jù)客人的走動(dòng)作出反應(yīng)，當(dāng)有客人進(jìn)入時(shí)，門鈴自動(dòng)響起悅耳的音樂(lè)，提醒主人有客來(lái)訪。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，具有相當(dāng)?shù)纳鐣?huì)實(shí)用性。通過(guò)對(duì)它的研究，掌握了紅外傳感器的基本原理，電路設(shè)計(jì)制作流程以及常用元器件的應(yīng)用情況，進(jìn)一步深化了理論知識(shí)；同時(shí)也熟悉了multisi

2、m11和protel99兩種軟件在電路設(shè)計(jì)中的應(yīng)用。關(guān)鍵詞：熱釋電紅外傳感器；集成電路；模擬電路 目 錄一、引言.1(一) 課題研究的背景及意義1(二) 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀1(三) 課題研究的主要內(nèi)容2二、總體方案設(shè)計(jì)與論證3（一）方案選擇3（二）方案論證4三、單元電路設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)5（一）前置放大電路設(shè)計(jì)51、熱釋電感應(yīng)器52、菲涅爾透鏡63、四運(yùn)放集成電路84、運(yùn)放電路設(shè)計(jì)9（二）比較電路和開(kāi)關(guān)電路設(shè)計(jì)10（三）延時(shí)電路111、ne555內(nèi)部結(jié)構(gòu)及工作原理112、延時(shí)電路12四、發(fā)聲（音樂(lè)芯片）和發(fā)光電路設(shè)計(jì)15五、整機(jī)電路工作原理16六、電路仿真與調(diào)試17（一）軟件介紹171、仿真軟件multi

3、sim172、印制電路板制作軟件protel 9917(二)電路仿真與調(diào)試171、pir輸出信號(hào)及運(yùn)算放大電路仿真172、比較器和開(kāi)關(guān)電路仿真183、延時(shí)電路19結(jié) 論20致 謝21參 考 文 獻(xiàn)22附錄1 熱釋電感應(yīng)門鈴電路原理圖.23附錄2 元器件明細(xì)表24 西南科技大學(xué)高等教育自學(xué)考試（電子信息技術(shù)）畢業(yè)論文 一、 引 言(一) 課題研究的背景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。早期門鈴的作用就是單純地提醒主人有賓客來(lái)訪，隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，門鈴的類型開(kāi)始多樣化，功能作用也開(kāi)始轉(zhuǎn)變。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。門鈴的作

4、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(tīng)到悅耳的音樂(lè)或歡迎語(yǔ)音），既可迎賓又可防盜報(bào)警。多功能紅外感應(yīng)式門鈴就是在這種探索研究中產(chǎn)生的。感應(yīng)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(yīng)式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)候的作用，從而做到提醒店員有人進(jìn)店和迎賓的雙重作用。感應(yīng)式門鈴的研究主要是集中在如何使其感應(yīng)更靈敏，

5、感應(yīng)更準(zhǔn)確，功能更完善，價(jià)格更低廉等方面，目的就是讓感應(yīng)式門鈴在各種應(yīng)用場(chǎng)合中完美地起到迎賓、醒主和防盜報(bào)警作用。(二) 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀 目前感應(yīng)式門鈴主要分光感應(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(jiàn)紅外感應(yīng)式門鈴使用熱釋電紅外傳感器，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。 光感應(yīng)式的價(jià)格便宜，但是誤報(bào)率高，因?yàn)樗膫鞲泻诵氖枪饷綦娮?，光敏電阻?duì)可見(jiàn)光大部分波長(zhǎng)都反應(yīng)變化，故光線變化可能會(huì)觸發(fā)門鈴反應(yīng)。紅外感應(yīng)

6、式的相比價(jià)格較高，但優(yōu)點(diǎn)是誤報(bào)極少，加上前面的菲涅爾透鏡窗口，從而將誤報(bào)率降至最低。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，即可做門鈴使用，也可做獨(dú)立報(bào)警器使用。紅外感應(yīng)式門鈴性能卓越，節(jié)能易用，靈敏度強(qiáng)，更適合市場(chǎng)的需要，更貼近消費(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。 總的來(lái)說(shuō)，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，并且由于通常市面上的感應(yīng)式門鈴都兼迎賓及報(bào)警兩用，因此應(yīng)用場(chǎng)合也較為廣泛。(三) 課題研究的主要內(nèi)容本次課題研究?jī)?nèi)容就是要根據(jù)現(xiàn)有的已市場(chǎng)化的感應(yīng)門鈴的制造原理，在掌握感應(yīng)技術(shù)

7、，特別是紅外感應(yīng)技術(shù)的基礎(chǔ)上，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。通過(guò)研究設(shè)計(jì)感應(yīng)式門鈴，熟悉感應(yīng)探測(cè)技術(shù)的具體應(yīng)用，為以后的科研和制作積累經(jīng)驗(yàn)。2、 總體方案設(shè)計(jì)與論證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。下面對(duì)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(shè)計(jì)要求，選擇一種最合適的紅外傳感器類型進(jìn)行課題研究。（一）方案選擇方案一：設(shè)計(jì)方案框圖方案一設(shè)計(jì)方案框圖如圖2-1所示。紅外光調(diào)制

8、發(fā)射電路紅外光解調(diào)放大處理延時(shí)電路發(fā)聲和發(fā)光電路圖2-1方案一電路方框圖 該電路采用主動(dòng)式紅外感應(yīng)，本電路工作時(shí)，來(lái)人只需站在門口前電路就可自動(dòng)發(fā)聲，多諧振蕩（ne555)等元件組成紅外發(fā)射電路，振蕩頻率在40khz左右，輸出電流為100-200ma，可驅(qū)動(dòng)紅外發(fā)光二極管發(fā)出40khz調(diào)制紅外脈沖信號(hào)。紅外接收管d2接收到40khz頻率的紅外脈沖信號(hào)后，轉(zhuǎn)為電信號(hào)送入芯片(upc1373h)的（7）腳，經(jīng)放大和調(diào)諧以及芯片(upc1373h)內(nèi)部檢波、整形后，由（1）輸出脈沖波信號(hào)。單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器（ne555）的（3）輸出為高電平，三極管放大后送給揚(yáng)聲器發(fā)聲和燈泡發(fā)光。此電路缺點(diǎn)：(1)必須要有

9、發(fā)射源，在安裝時(shí)占地方。 (2)cpu1373h集成芯片貴。 (3)抗同頻干擾力差。 (4)接收和發(fā)射頻率不好配調(diào)。此電路優(yōu)點(diǎn)：原理結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。方案二：設(shè)計(jì)方案框圖方案二設(shè)計(jì)方案框圖如圖2-2所示。熱釋電感應(yīng)器和運(yùn)放電路電壓比較器（雙限比較）延時(shí)電路和開(kāi)關(guān)管電路發(fā)光和發(fā)聲部分 圖2-2 方案二電路基本構(gòu)成圖該電路采用被動(dòng)式感應(yīng)。它是利用熱釋電感應(yīng)探頭作為接收部分，來(lái)人后，只要經(jīng)過(guò)門口熱釋電感應(yīng)探頭（單光束、雙光束、四光束），熱釋電感應(yīng)探頭便輸出1-10mv和頻率為6-10hz和信號(hào)送給運(yùn)放進(jìn)行處理后，再進(jìn)行雙限比較，送給單穩(wěn)態(tài)電路（ne555）的（2）腳低電平輸入端進(jìn)行處理，時(shí)延后由ne555（

10、3）腳輸出高平最后三極管放大送給揚(yáng)聲器發(fā)聲和燈泡發(fā)光。此電路的優(yōu)點(diǎn)：(1)只有接收部分安裝占地方小。 (2)大部分是常用集成塊，價(jià)格便宜。 (3)只需要人的溫度（37）就可以接收信號(hào)。以上兩個(gè)方案中方案二實(shí)用于現(xiàn)實(shí)生活。本設(shè)計(jì)選用第二種方案，以性能好、價(jià)格較低、應(yīng)用較方便的集成運(yùn)放lm324為核心設(shè)計(jì)相關(guān)硬件。（二）方案論證根據(jù)方案規(guī)劃及任務(wù)指標(biāo)設(shè)計(jì)基本組成框圖， 以上兩個(gè)方案，方案一，雖然原理結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但是由于天氣和溫度的變化，電感和電容的值會(huì)產(chǎn)生變化（主要是電容變化大），這樣就會(huì)造成接收失調(diào)，不能頻率，導(dǎo)致upc1373h（1）腳輸出，使得該電路在有人來(lái)時(shí)，也不發(fā)聲。方案二就沒(méi)有對(duì)頻率這方

11、面要求那么高，只要有人來(lái)就有輸出。因?yàn)榉桨付际怯玫某Ｓ眉蓧K，而且成本要低點(diǎn)。所以兩者比較選用第二種方案。第 4 頁(yè) 共 23頁(yè)26 西南科技大學(xué)高等教育自學(xué)考試（電子信息技術(shù)）畢業(yè)論文 三、單元電路設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)（一）前置放大電路設(shè)計(jì)前置放大電路的作用是對(duì)接收到的正弦波信號(hào)進(jìn)行放大，因此，前置放大電路中的兩個(gè)重要器件是熱釋電感應(yīng)器和放大器。1、熱釋電感應(yīng)器被動(dòng)式紅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)關(guān)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

12、內(nèi)。被動(dòng)式紅外傳感器（pir）根據(jù)其結(jié)構(gòu)不同、警戒范圍及探測(cè)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(xué)系統(tǒng)，利用曲面反射鏡將來(lái)自目標(biāo)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(chǎng)角較窄，一般在5°以下，但作用距離較遠(yuǎn)，可長(zhǎng)達(dá)百米。因此又稱為直線遠(yuǎn)距離控制型被動(dòng)紅外傳感器，適合保護(hù)狹長(zhǎng)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(xué)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(gè)小透鏡排列在一個(gè)弧面上。警戒范圍在不同方向呈多個(gè)單波束狀態(tài)，組成立體扇形感熱區(qū)域，構(gòu)成立體警戒。菲涅爾透鏡自

13、上而下分為幾排，上面透鏡較多，下邊較少。因?yàn)槿四槻?、膝部、手臂紅外輻射較強(qiáng)，正好對(duì)著上邊的透鏡。下邊透鏡較少，一是因?yàn)槿梭w下部紅外輻射較弱，二是為防止地面小動(dòng)物紅外輻射干擾。多波束型pir的警戒視場(chǎng)角比單波束型大得多，水平可以大于90°，垂直視場(chǎng)角最大也可以達(dá)到90°，但作用距離較近。所有透鏡都向內(nèi)部設(shè)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(chǎng)內(nèi)走動(dòng)就會(huì)輸出有效信號(hào)。熱釋電紅外傳感器的輸出信號(hào)特性及優(yōu)缺點(diǎn)熱釋電紅外傳感器輸出電信號(hào)的幅度和頻率主要決定于：目標(biāo)人體的溫度、探測(cè)區(qū)域背景、人體離傳感器的距離、人體移動(dòng)的速度、光學(xué)透鏡系統(tǒng)的焦距和設(shè)計(jì)樣式。人體溫度和探測(cè)

14、區(qū)域背景的溫差越大，離傳感器越近，輸出電信號(hào)的幅值將越大。雙敏感元熱釋電傳感器配合菲涅爾光學(xué)透鏡使用時(shí)，輸出信號(hào)波形電壓峰峰值約為1mv，頻率可由下列公式2-1計(jì)算： （2-1）其中：f是輸出信號(hào)頻率（hz），vb是人體移動(dòng)速度（m/s），fb是光學(xué)系統(tǒng)焦距（mm），s是傳感器敏感元的面積（mm2），l是人體離傳感器距離（m）。對(duì)于雙敏感元傳感器，標(biāo)準(zhǔn)尺寸為2（mm）*1（mm），人體移動(dòng)速度范圍為0.5（m/s）5（m/s），常用探測(cè)器上使用的菲涅爾透鏡焦距為25（mm），我們可計(jì)算出傳感器輸出信號(hào)的頻率范圍為0.088hz。 由于傳感器輸出的信號(hào)非常微弱，因此需要外接放大電路，也有些傳感器

15、生產(chǎn)廠家直接將后續(xù)信號(hào)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(diǎn)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(jià)格低。其缺點(diǎn)是容易受各種熱源、光源及射頻輻射的干擾；被動(dòng)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(dāng)環(huán)境溫度和人體溫度接近時(shí)，探測(cè)和靈敏度下降，有時(shí)還會(huì)短時(shí)失靈。2、菲涅爾透鏡 熱釋電紅外傳感器不加光學(xué)透鏡（也稱菲涅爾透鏡），其檢測(cè)距離通常不大于2m，而加上菲涅爾透鏡后，其檢測(cè)距離可大于7m。因此在實(shí)際應(yīng)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（fresnel lense）是一種微細(xì)結(jié)構(gòu)的光學(xué)元件，從正面看其象一個(gè)飛

16、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(lái)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(diǎn)，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(jiǎn)單，它有兩種理解方式：（1）假設(shè)一個(gè)透鏡的折射能量?jī)H僅發(fā)生在光學(xué)表面（如：透鏡表面），拿掉盡可能多的光學(xué)材料，而保留表面的彎曲度。如圖2-3所示。 圖2-3 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(gè)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(gè)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(diǎn)，也就是透鏡

17、的焦點(diǎn)。每個(gè)凹槽都可以看做一個(gè)獨(dú)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2-4所示。圖2-4 菲涅爾透鏡2菲涅爾透鏡，簡(jiǎn)單的說(shuō)就是在透鏡的一側(cè)有等距的齒紋，通過(guò)這些齒紋，可以達(dá)到對(duì)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(xué)器材的帶通光學(xué)濾鏡造價(jià)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(bào)器上。如果你拿一個(gè)看看，你會(huì)發(fā)現(xiàn)在每個(gè)pir上都有個(gè)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(dāng)?shù)牡汀Ｒ虼?，菲涅爾透鏡作用

18、有兩個(gè)：一是聚焦作用，即將熱釋紅外信號(hào)折射（反射）在pir（熱釋電紅外傳感器）上，第二個(gè)作用是將探測(cè)區(qū)域內(nèi)分為若干個(gè)明區(qū)和暗區(qū)，使進(jìn)入探測(cè)區(qū)域的移動(dòng)物體能以溫度變化的形式在pir上產(chǎn)生變化的信號(hào)，繼而傳感器就能產(chǎn)生控制信號(hào)。在熱釋電紅外傳感器應(yīng)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2-5所示。熱釋電紅外傳感器的安裝要求 熱釋電紅外傳感器的誤報(bào)率與安裝位置和方式有很大關(guān)系，一般應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：（1）傳感器應(yīng)離地面22.5m，遠(yuǎn)離空調(diào)器、冰箱、火爐、射燈等空氣溫度變化敏感的地方； 圖2-5 菲涅爾透鏡聚焦作用示意圖（2）不要正對(duì)著窗戶、門、灶臺(tái)，否則室外的熱氣和人員的頻繁流動(dòng)會(huì)引起

19、傳感器誤報(bào)；（3）傳感器探測(cè)范圍不能有隔板、大型家具、屏風(fēng)等遮擋物。此外，熱釋電紅外傳感器對(duì)人體敏感程度還和人的運(yùn)動(dòng)方向有關(guān)，它對(duì)于徑向移動(dòng)反應(yīng)最不敏感，而對(duì)于切向方向（即與半徑垂直的方向）移動(dòng)最為敏感。如圖2-6所示。 圖2-6 熱釋電紅外傳感器靈敏度示意圖3、四運(yùn)放集成電路 lm324是四運(yùn)放集成電路，它采用14腳雙列直插塑料封裝,外形如圖所示。它的內(nèi)部包含四組形式完全相同的運(yùn)算放大器, 除電源共用外,四組運(yùn)放相互獨(dú)立。每一組運(yùn)算放大器可用圖1所示的符號(hào)來(lái)表示,它有5個(gè)引出腳,其中“+”、“-”為兩個(gè)信號(hào)輸入端,“v+”、“v-”為正、負(fù)電源端,“vo”為輸出端。兩個(gè)信號(hào)輸入端中,vi-（

20、-）為反相輸入端,表示運(yùn)放輸出端vo的信號(hào)與該輸入端的位相反;vi+（+）為同相輸入端,表示運(yùn)放輸出端vo的信號(hào)與該輸入端的相位相同。lm324的引腳排列見(jiàn)圖2-7。 圖2-7lm324外形圖和內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖 由于lm324四運(yùn)放電路具有電源電壓范圍寬,靜態(tài)功耗小,可單電源使用,價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn),因此被廣泛應(yīng)用在各種電路中。4、運(yùn)放電路設(shè)計(jì)利用lm324運(yùn)放，設(shè)計(jì)的前置放大電路圖如圖2-8所示。圖2-8前置放大電路圖此放大器可代替晶體管進(jìn)行交流放大,可用于擴(kuò)音機(jī)前置放大等。電路無(wú)需調(diào)試。放大器u1a由r3、r4組成1/2vcc偏置,c2是消振電容。u1a放大器電壓放大倍數(shù)av僅由外接電阻r2、r5決

21、定：av1=-r5/r2=200k/10k=-20。放大器u2b由r7、r8組成1/2vcc偏置，c5是消振電容。u2b電壓放大倍數(shù)av由外接電阻r6、r9決定：av2=-r9/r6=1m/10k=-100。avo=av1*av2=20*100=66db。按圖中所給數(shù)值, av1=-20和av2=-100。負(fù)號(hào)表示輸出信號(hào)與輸入信號(hào)相位相反。此兩級(jí)放大電路輸入電阻分別為r1、r6，c1和c4為耦合電容。（二）比較電路和開(kāi)關(guān)電路設(shè)計(jì)利用lm324設(shè)計(jì)的比較、開(kāi)關(guān)電路圖如圖2-9所示。圖2-9（a）比較電路 圖2-9（b）電壓傳輸特性 其中 u1 為上限電壓，u2 為下限電壓，ui 為輸入電壓；當(dāng)

22、 ui>u1 或ui<u2 時(shí)，運(yùn)算放大器 a1 或 a2 輸出高電平,輸出 vou+om，三極管q1導(dǎo)通，uo輸出為低電平。當(dāng) u1<ui<u2時(shí)，運(yùn)算放大器 a1 和 a2 均輸出低電平，輸出 vo=u-om，三極管q截止，uo輸出為高電平。由圖中傳輸特性可知，當(dāng)輸入電壓ui處于u1和u2之間時(shí)，輸出為-uom，而當(dāng)輸入電壓的值處于u1和u2之外時(shí)輸出為+uom。在圖2-9（b）電壓傳輸特性電路中，運(yùn)算放大器的輸出端不能直接相連，因?yàn)閳D2-9（a）（d1、d2用in4148，r=1k）當(dāng)兩個(gè)運(yùn)入輸出電壓的極性相反時(shí)，將互為對(duì)方提供低阻抗通路而導(dǎo)致運(yùn)算放大器燒毀。在比

23、較器后加上開(kāi)關(guān)管 ,整個(gè)電路不但工作可靠 ,且輸出電流大 ,能驅(qū)動(dòng)后級(jí)的執(zhí)行電器工作。（三）延時(shí)電路 延時(shí)電路的功能是使客人離開(kāi)過(guò)后音樂(lè)還繼續(xù)在響，在本設(shè)計(jì)中可以得用單穩(wěn)態(tài)me555后積分電路實(shí)現(xiàn)。1、ne555內(nèi)部結(jié)構(gòu)及工作原理 555定時(shí)器成本低，性能可靠，只需要外接幾個(gè)電阻、電容，就可以實(shí)現(xiàn)多諧振蕩器、單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器及施密特觸發(fā)器等脈沖產(chǎn)生與變換電路。它也常作為定時(shí)器廣泛應(yīng)用于儀器儀表、家用電器、電子測(cè)量及自動(dòng)控制等方面。下面就本設(shè)計(jì)需要主要介紹一下它的內(nèi)部結(jié)構(gòu)、基本原理和單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器。555內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2-10所示。圖2-10 555 定時(shí)器的內(nèi)部電路框圖在圖2-10中555定時(shí)器由3個(gè)

24、阻值為5k的電阻組成的分壓器、兩個(gè)電壓比較器c1和c2、基本rs觸發(fā)器、放電三極管td和緩沖反相器g4組成。虛線邊沿標(biāo)注的數(shù)字為管腳號(hào)。其中，1腳為接地端；2腳為低電平觸發(fā)端，由此輸入低電平觸發(fā)脈沖；6腳為高電平觸發(fā)端，由此輸入高電平觸發(fā)脈沖；4腳為復(fù)位端，輸入負(fù)脈沖（或使其電壓低于0.7v）可使555定時(shí)器直接復(fù)位；5腳為電壓控制端，在此端外加電壓可以改變比較器的參考電壓，不用時(shí)，經(jīng)0.01uf的電容接地，以防止引入干擾；7腳為放電端，555定時(shí)器輸出低電平時(shí)，放電晶體管td導(dǎo)通，外接電容元件通過(guò)td放電；3腳為輸出端，輸出高電壓約低于電源電壓1v3v，輸出電流可達(dá)200ma，因此可直接驅(qū)動(dòng)

25、繼電器、發(fā)光二極管、指示燈等；8腳為電源端，可在5v18v范圍內(nèi)使用。 555定時(shí)器工作時(shí)過(guò)程分析如下： 5腳經(jīng)0.01uf電容接地，比較器c1和c2的比較電壓為：ur1=2/3vcc、ur2=1/3vcc。 當(dāng)vi12/3vcc，vi21/3vcc時(shí)，比較器c1輸出低電平，比較器c2輸出高電平，基本rs觸發(fā)器置0，g3輸出高電平，放電三極管td導(dǎo)通，定時(shí)器輸出低電平。 當(dāng)vi12/3vcc，vi21/3vcc時(shí)，比較器c1輸出高電平，比較器c2輸出高電平，基本rs觸發(fā)器保持原狀態(tài)不變，555定時(shí)器輸出狀態(tài)保持不來(lái)。 當(dāng)vi12/3vcc，vi21/3vcc時(shí)，比較器c1輸出低電平，比較器c2

26、輸出低電平，基本rs觸發(fā)器兩端都被置1，g3輸出低電平，放電三極管td截止，定時(shí)器輸出高電平。當(dāng)vi12/3vcc，vi21/3vcc時(shí)，比較器c1輸出高電平，比較器c2輸出低電平，基本rs觸發(fā)器置1，g3輸出低電平，放電三極管td截止，定時(shí)器輸出高電平。2、延時(shí)電路利用555設(shè)計(jì)的延時(shí)電路如圖2-11所示。圖2-11單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器組成的延時(shí)電路由555定時(shí)器和外接定時(shí)元件r2、c2構(gòu)成的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器。穩(wěn)態(tài)時(shí)555電路輸入端處于電源電平，輸出到q1輸入端為低電平，三極管截止，負(fù)載rl電流為0，當(dāng)有一個(gè)外部負(fù)脈沖觸發(fā)信號(hào)加到vi端。并使2端電位瞬時(shí)低于1/3vcc，低電平比較器動(dòng)作，單穩(wěn)態(tài)電路即開(kāi)

27、始一個(gè)穩(wěn)態(tài)過(guò)程，電容c2開(kāi)始充電，vc按指數(shù)規(guī)律增長(zhǎng)。當(dāng)vc充電到2/3vcc時(shí)，高電平比較器動(dòng)作，輸出vo從高電平返回低電平。波形圖如圖2-12所示。圖2-12 單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器波形圖暫穩(wěn)態(tài)的持續(xù)時(shí)間tw（即為延時(shí)時(shí)間）決定于外接元件r2、c2的大小。tw=1.1r2c2通過(guò)改變r(jià)2、c2的大小，可使處時(shí)時(shí)間在幾個(gè)微秒和幾十分鐘之間變化。當(dāng)這種單穩(wěn)態(tài)電路作為計(jì)時(shí)器時(shí)，可直接驅(qū)動(dòng)小型繼電器，并可采用復(fù)位端接地的方法來(lái)終止暫態(tài)，重新計(jì)時(shí)。通過(guò)改變r(jià)2、c2的大小，可使延時(shí)時(shí)間在幾個(gè)微秒和幾十分鐘之間變化。當(dāng)這種單穩(wěn)態(tài)電路作為計(jì)時(shí)器時(shí)，可直接驅(qū)動(dòng)小型繼電器，并可采用復(fù)位端接地的方法來(lái)終止暫態(tài)，重新計(jì)時(shí)

28、。第 26 頁(yè) 共 23 頁(yè)四、發(fā)聲（音樂(lè)芯片）和發(fā)光電路設(shè)計(jì)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。基本外形如圖4-1所示。圖4-1 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4-1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

29、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。五、整機(jī)電路工作原理根據(jù)以上各單元電路可以得到熱釋電感應(yīng)門鈴整機(jī)電路原理圖，如附錄1所示。x1a、x2b、x3c、x4d組成廉價(jià)的通用四運(yùn)放lm324 ,用其中x1a、x2b兩個(gè)運(yùn)放組成高、低通放大器。第一級(jí)放大器增益為:av1= r6/ r4= 20 ,第二級(jí)放大器增益為:av2= r10/ r9=100，

30、總增益為 av=20 ×100 =2 000 =66 db。電壓比較器部分lm324 另外x3c、x4d兩個(gè)運(yùn)放組成電壓比較檢測(cè)窗口,由 r3、r5和 r7、r8將高、低通放大器的（3）腳和（5）腳均設(shè)置為1/2vcc,即3v。當(dāng)紅外傳感器檢測(cè)到人體的活動(dòng),其產(chǎn)生的微弱電壓信號(hào)經(jīng)過(guò)放大,傳送到lm324的 （10）、（13）腳時(shí),可以檢測(cè)到峰值約為5 v 的正弦波,那么無(wú)論是信號(hào)的正半周還是負(fù)半周,兩個(gè)比較器中必有一個(gè)輸出為低電平,使ne555的 (2)腳由高電平跳成低電平,以便控制延時(shí)電路工作。而當(dāng)紅外傳感器沒(méi)有檢測(cè)到人活動(dòng)時(shí),由靜態(tài)電路可知,該3 v 直流信號(hào)同時(shí)加到lm324

31、的(10)、(13)腳 ,又知道r11、r12、r13將窗口電壓上、下限設(shè)置為3.4 v 和 2.6 v ,即(9)腳偏置為3.4v ,(12)腳偏置為2.6v。靜態(tài)時(shí) ,電壓比較器輸出端 (8)、(14)均為低電平，開(kāi)關(guān)管截止, ne555的(2)腳仍為高電平,延時(shí)電路不工作。當(dāng)紅外傳感器檢測(cè)到人的活動(dòng) ,在輸入信號(hào)的正半周時(shí),（13）腳的電平高于（12）腳所加的2. 6 v 比較電壓,下比較器由（14）腳輸出低電平，vd2 截止;此時(shí)由于（10）腳電平高于（9）腳,上比較器輸出高電平,vd1導(dǎo)通,其高電平使得開(kāi)關(guān)管飽和導(dǎo)通 ,將 ne555 的(2)腳拉成低電平,致使延時(shí)電路工作。在信號(hào)負(fù)

32、半周時(shí),上、下比較器輸出電平剛好相反 ,即 (8)腳輸出低電平,(14)腳輸出高電平 , vd2導(dǎo)通?？梢?jiàn),只要傳感器檢測(cè)到人體活動(dòng) ,無(wú)論是信號(hào)的正半周還是負(fù)半周,兩個(gè)比較器中必有一個(gè)輸出為高電平,通過(guò)開(kāi)關(guān)三極管從而控制延時(shí)電路工作。延時(shí)電路u1使用單時(shí)基電路 ne555,延時(shí)時(shí)間 t = 1. 1 r16×c960 s。其作用有二:一是為自己離開(kāi)檢測(cè)區(qū)時(shí)提供一段非報(bào)警延遲時(shí)間;二是在自己進(jìn)入檢測(cè)區(qū)后提供關(guān)斷檢測(cè)器所需的時(shí)間。延時(shí)電路工作時(shí),輸出的高電平使得三極管導(dǎo)通使得揚(yáng)聲器發(fā)聲和燈發(fā)光。六、電路仿真與調(diào)試（一）軟件介紹本設(shè)計(jì)使用了仿真軟件multisim和印制電路板制作軟件pr

33、otel99，下面分別對(duì)這兩種軟件進(jìn)行介紹。1、仿真軟件multisim multisim是interactive image technologies (electronics workbench）公司推出的以windows為基礎(chǔ)的仿真工具，適用于板級(jí)的模擬/數(shù)字電路板的設(shè)計(jì)工作。它包含了電路原理圖的圖形輸入、電路硬件描述語(yǔ)言輸入方式，具有豐富的仿真分析能力。 工程師們可以使用multisim交互式地搭建電路原理圖，并對(duì)電路進(jìn)行仿真。multisim提煉了spice仿真的復(fù)雜內(nèi)容，這樣工程師無(wú)需懂得深入的spice技術(shù)就可以很快地進(jìn)行捕獲、仿真和分析新的設(shè)計(jì)，這也使其更適合電子學(xué)教育。通過(guò)m

34、ultisim和虛擬儀器技術(shù)，pcb設(shè)計(jì)工程師和電子學(xué)教育工作者可以完成從理論到原理圖捕獲與仿真再到原型設(shè)計(jì)和測(cè)試這樣一個(gè)完整的綜合設(shè)計(jì)流程。2、印制電路板制作軟件protel 99protel 99se是prokltechnology公司開(kāi)發(fā)的基于windows環(huán)境下的電路板設(shè)計(jì)軟件。該軟件功能強(qiáng)大，人機(jī)界面友好，易學(xué)易用，業(yè)界人士首選的電路板設(shè)計(jì)工具。protel 99se 由兩大部分組成：電路原理圖設(shè)計(jì)（advanced schematic）和多層印刷電路板設(shè)計(jì)（advanced pcb）。其中advanced schematic由兩部分組成：電路圖編輯器（schematic）和元件庫(kù)編

35、輯器（schematic library）。(二)電路仿真與調(diào)試 1、pir輸出信號(hào)及運(yùn)算放大電路仿真運(yùn)算放大電路仿真如圖5-1所示。圖5-1 pir輸出信號(hào)及運(yùn)算放大電路仿真 圖5-1當(dāng)中紅色為pir輸出正弦波信號(hào)，藍(lán)色為第一級(jí)放大電路輸出信號(hào)，橙色為第二級(jí)放大電路信號(hào)。由仿真圖可知：當(dāng)電路輸入信號(hào)為1.174mv時(shí)，第一級(jí)放大電路輸出為2.986v，第二級(jí)放大電路輸出為4.395v。滿足了設(shè)計(jì)的要求。2、比較器和開(kāi)關(guān)電路仿真比較器和開(kāi)關(guān)電路仿真如圖5-2所示。 圖5-2比較器和開(kāi)關(guān)電路仿真圖5-2當(dāng)中紅色為比較器輸入信號(hào)，橙色為開(kāi)關(guān)管輸出信號(hào)。由仿真圖可知：當(dāng)電路輸入信號(hào)為4.298v時(shí)，

36、開(kāi)關(guān)管輸出為5.988v。由圖可知，電路輸入為正弦波信號(hào)，輸出為方波信號(hào)。滿足了設(shè)計(jì)的要求。3、延時(shí)電路延時(shí)電路波形如圖5-3所示。圖5-3 延時(shí)電路波形圖圖5-3當(dāng)中紅色為ne555的（2）腳輸入信號(hào)，橙色為ne555(3)腳輸出信號(hào)。由仿真圖可知：當(dāng)沒(méi)人來(lái)的時(shí)候，電路輸入為高電平，輸出為低電平。當(dāng)有人來(lái)的時(shí)候，ne555的（2）腳輸入端輸入了幾個(gè)脈沖信號(hào)，ne555的（3）腳輸出端輸出高電平，當(dāng)人離開(kāi)過(guò)了一段時(shí)間后輸出端變?yōu)榈碗娖健M足了設(shè)計(jì)的要求。結(jié) 論總之 ,熱釋電紅外傳感器的應(yīng)用十分廣泛 ,本設(shè)計(jì)采用了lm324集成運(yùn)放和ne555延時(shí)電路。這兩個(gè)集成電路比較常用，成本又比較低。對(duì)各

37、元件的要求比較低，沒(méi)有像主動(dòng)式紅外感應(yīng)電路那么難調(diào)。我認(rèn)這應(yīng)該就是以后所有熱釋電感應(yīng)電路的基礎(chǔ)。但是用其它的電路更為方便，集成化更高，如與各種型號(hào)的專用處理集成電路(如 cs9803gp) 配套使用 ,則外圍電路更為簡(jiǎn)單 ,安裝調(diào)試更方便 ,工作更加穩(wěn)定可靠。因?yàn)?cs9803 是由振蕩器、計(jì)數(shù)器、pir 檢測(cè)、信號(hào)放大、系統(tǒng)時(shí)鐘、輸出控制等電路組成 ,代替了圖3-1 中的 lm324集成運(yùn)放和ne555 部分。不過(guò)這樣的話應(yīng)用電路成本會(huì)稍微高一點(diǎn)。在應(yīng)用中應(yīng)注意的問(wèn)題 :1、首先要正確判別傳感器的幾個(gè)端子。管腳朝自己 ,順時(shí)針為 d、s、e;d 端接正電源 ,e 端接地 , s端輸出正弦信號(hào)

38、送往高、低通放大器。2、高、低通放大器 ,一般要求總放大增益為 60-70db 左右比較合適 ,否則紅外線傳感器探測(cè)距離及反映靈敏度就要大打折扣了。致 謝 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)一個(gè)重點(diǎn)發(fā)展方向，因此非常具有研究?jī)r(jià)值?？梢哉f(shuō)就熟悉元件、芯片屬性，熟練了multisim11和protel99仿真軟件應(yīng)用。深入領(lǐng)會(huì)理論知識(shí)，學(xué)會(huì)運(yùn)用常用器件制作實(shí)用小電路，提高個(gè)人設(shè)計(jì)能力，此門鈴設(shè)計(jì)已經(jīng)達(dá)到了目標(biāo)。當(dāng)然就實(shí)際應(yīng)用而言，本設(shè)計(jì)還存在著一些缺陷。這里的設(shè)計(jì)方案是考慮在一個(gè)比較良好的外界環(huán)境下使用的，對(duì)于各種外界干擾因素都沒(méi)有過(guò)多的考慮，而且在電路的安全穩(wěn)定性方面也沒(méi)有做太多的深究，省略了一些保護(hù)性的元器件，這些都可能導(dǎo)致在實(shí)際生活應(yīng)用上存在著誤報(bào)或者無(wú)法工作甚至電路損壞的問(wèn)題?？偟膩?lái)說(shuō)，此紅外感應(yīng)式門鈴的設(shè)計(jì)對(duì)研究紅外感應(yīng)技術(shù)具有一定的參考價(jià)值。相信在此基礎(chǔ)上，根據(jù)具體探測(cè)環(huán)境，充分考慮影響傳感器的因素，合理修改、優(yōu)化信號(hào)處理電路，增加電路功能，減少誤檢測(cè)，提高電路穩(wěn)定性，就可以達(dá)到比較完美的非常實(shí)用的感應(yīng)式門鈴。參 考 文 獻(xiàn)1 antoni rogalskiin