紅外感應(yīng)門鈴電路設(shè)計論文

1、紅外感應(yīng)門鈴電路設(shè)計摘要：本設(shè)計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)計中運用模擬電路知識，利用熱釋電紅外傳感器、LM324四運放集成電路和NE555時基集成電路等器件設(shè)計了一款紅外感應(yīng)式門鈴電路。該電路工作時可根據(jù)客人的走動作出反應(yīng)，當(dāng)有客人進入時，門鈴自動響起悅耳的音樂，提醒主人有客來訪。該電路結(jié)構(gòu)簡單，原理易懂，容易制作，并有一定的功能拓展性，具有相當(dāng)?shù)纳鐣嵱眯?。通過對它的研究，掌握了紅外傳感器的基本原理，電路設(shè)計制作流程以與常用元器件的應(yīng)用情況，進一步深化了理論知識；同時也熟悉了multisim11和protel99兩種軟件在電路設(shè)計中的應(yīng)用。關(guān)鍵詞：熱釋電紅外傳感器；集成

2、電路；模擬電路目 錄一、引言.1(一) 課題研究的背景與意義1(二) 國外研究現(xiàn)狀1(三) 課題研究的主要容2二、總體方案設(shè)計與論證3（一）方案選擇3（二）方案論證4三、單元電路設(shè)計與實現(xiàn)5（一）前置放大電路設(shè)計51、熱釋電感應(yīng)器52、菲涅爾透鏡63、四運放集成電路84、運放電路設(shè)計9（二）比較電路和開關(guān)電路設(shè)計10（三）延時電路111、NE555部結(jié)構(gòu)與工作原理112、延時電路12四、發(fā)聲（音樂芯片）和發(fā)光電路設(shè)計15五、整機電路工作原理16六、電路仿真與調(diào)試17（一）軟件介紹171、仿真軟件Multisim172、印制電路板制作軟件protel 9917(二)電路仿真與調(diào)試171、PIR輸

3、出信號與運算放大電路仿真172、比較器和開關(guān)電路仿真183、延時電路19結(jié) 論20致 21參 考 文 獻22附錄1 熱釋電感應(yīng)門鈴電路原理圖.23附錄2 元器件明細表2424 / 27一、 引 言(一) 課題研究的背景與意義門鈴歷史悠久，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。多功能紅外感應(yīng)

4、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，起到了禮貌問候的作用，從而做到提醒店員有人進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，感應(yīng)更準確，功能更完善，價格更低廉等方面，目的就是讓感應(yīng)式門鈴在各種應(yīng)用場合中完美地起到迎賓、醒主和防盜報警作用。(二) 國外研究現(xiàn)狀

5、 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，當(dāng)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(yīng)式的價格便宜，但是誤報率高，因為它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(yīng)變化，故光線變化可能會觸發(fā)門鈴反應(yīng)。紅外感應(yīng)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(shù)，無論白天黑夜都可正常使

6、用，即可做門鈴使用，也可做獨立報警器使用。紅外感應(yīng)式門鈴性能卓越，節(jié)能易用，靈敏度強，更適合市場的需要，更貼近消費者的生活容，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。 總的來說，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)式門鈴都兼迎賓與報警兩用，因此應(yīng)用場合也較為廣泛。(三) 課題研究的主要容本次課題研究容就是要根據(jù)現(xiàn)有的已市場化的感應(yīng)門鈴的制造原理，在掌握感應(yīng)技術(shù)，特別是紅外感應(yīng)技術(shù)的基礎(chǔ)上，采用紅外探測模塊加上必要的芯片與元器件，設(shè)計一個簡易實用廉價的感應(yīng)式門鈴。要求重點在于掌握設(shè)計原理，并將書本所學(xué)

7、與實際結(jié)合起來，提高實踐能力，熟悉電路設(shè)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。通過研究設(shè)計感應(yīng)式門鈴，熟悉感應(yīng)探測技術(shù)的具體應(yīng)用，為以后的科研和制作積累經(jīng)驗。2、 總體方案設(shè)計與論證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(shè)計要求，選擇一種最合適的紅外傳感器類型進行課題研究。（一）方案選擇方案一：設(shè)計方案框圖方案一設(shè)計方案框圖如圖2-1所示。紅外光調(diào)制發(fā)射電路紅外光解調(diào)放大處理延時電路發(fā)聲和發(fā)光電路圖2-1方案一電路方框圖 該電路采用主動式紅外感應(yīng)，本電路工作時，來人只需站在門口前電路就可自

8、動發(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)動紅外發(fā)光二極管發(fā)出40kHZ調(diào)制紅外脈沖信號。紅外接收管D2接收到40kHZ頻率的紅外脈沖信號后，轉(zhuǎn)為電信號送入芯片(uPC1373H)的（7）腳，經(jīng)放大和調(diào)諧以與芯片(uPC1373H)部檢波、整形后，由（1）輸出脈沖波信號。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聲器發(fā)聲和燈泡發(fā)光。此電路缺點：(1)必須要有發(fā)射源，在安裝時占地方。 (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：原理結(jié)構(gòu)簡單。方

9、案二：設(shè)計方案框圖方案二設(shè)計方案框圖如圖2-2所示。熱釋電感應(yīng)器和運放電路電壓比較器（雙限比較）延時電路和開關(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式感應(yīng)。它是利用熱釋電感應(yīng)探頭作為接收部分，來人后，只要經(jīng)過門口熱釋電感應(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和信號送給運放進行處理后，再進行雙限比較，送給單穩(wěn)態(tài)電路（NE555）的（2）腳低電平輸入端進行處理，時延后由NE555（3）腳輸出高平最后三極管放大送給揚聲器發(fā)聲和燈泡發(fā)光。此電路的優(yōu)點：(1)只有接收部分安裝占地方小。 (2)大部分是常用集成塊，價格便宜。 (3)

10、只需要人的溫度（37）就可以接收信號。以上兩個方案中方案二實用于現(xiàn)實生活。本設(shè)計選用第二種方案，以性能好、價格較低、應(yīng)用較方便的集成運放LM324為核心設(shè)計相關(guān)硬件。（二）方案論證根據(jù)方案規(guī)劃與任務(wù)指標(biāo)設(shè)計基本組成框圖， 以上兩個方案，方案一，雖然原理結(jié)構(gòu)簡單，但是由于天氣和溫度的變化，電感和電容的值會產(chǎn)生變化（主要是電容變化大），這樣就會造成接收失調(diào)，不能頻率，導(dǎo)致uPC1373H（1）腳輸出，使得該電路在有人來時，也不發(fā)聲。方案二就沒有對頻率這方面要求那么高，只要有人來就有輸出。因為方案二都是用的常用集成塊，而且成本要低點。所以兩者比較選用第二種方案。三、單元電路設(shè)計與實現(xiàn)（一）前置放大電

11、路設(shè)計前置放大電路的作用是對接收到的正弦波信號進行放大，因此，前置放大電路中的兩個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。其核心是紅外探測器件，通過關(guān)學(xué)系統(tǒng)的配合作用可以探測到某個立體防空間的熱輻射的變化。紅外傳感器的探測波長圍是814m，人體輻射的紅外峰值波長約為10m，正好在圍以。被動式紅外傳感器（PIR）根據(jù)其結(jié)構(gòu)不同、警戒圍與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(xué)系統(tǒng)，利用曲面反射鏡將來自目標(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角較窄，一般在

12、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、通道以與封鎖門窗和圍墻。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，若干個小透鏡排列在一個弧面上。警戒圍在不同方向呈多個單波束狀態(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

13、6;，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走動就會輸出有效信號。熱釋電紅外傳感器的輸出信號特性與優(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(biāo)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(xué)透鏡系統(tǒng)的焦距和設(shè)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(xué)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2-1計算： （2-1）其中：f是輸出信號頻率（Hz），Vb是人體移動速度（m/s），fb是

14、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）。對于雙敏感元傳感器，標(biāo)準尺寸為2（mm）*1（mm），人體移動速度圍為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圍為0.088Hz。 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、光源與射頻輻射的干擾；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

15、接收；當(dāng)環(huán)境溫度和人體溫度接近時，探測和靈敏度下降，有時還會短時失靈。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(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）是一種微細結(jié)構(gòu)的光學(xué)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、大孔徑與厚度小的特點，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

16、式：（1）假設(shè)一個透鏡的折射能量僅僅發(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2-4所示。圖2-4 菲涅爾透鏡2菲涅爾透鏡，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圍的光帶通（反射或者折射）的作用

17、。傳統(tǒng)的打磨光學(xué)器材的帶通光學(xué)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?。因此，菲涅爾透鏡作用有兩個：一是聚用，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)域分為若干個明區(qū)和暗區(qū)，使進入探測區(qū)域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(yīng)用中，菲涅爾透鏡的主

18、要作用是聚用。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：（1）傳感器應(yīng)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；圖2-5 菲涅爾透鏡聚用示意圖（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人體敏感程度還和人的運動方向有關(guān)，它對于徑向移動反應(yīng)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2-6所示。 圖2-6 熱釋電紅外傳感器靈敏度示意圖3、四運放集成電

19、路 LM324是四運放集成電路，它采用14腳雙列直插塑料封裝,外形如圖所示。它的部包含四組形式完全一樣的運算放大器, 除電源共用外,四組運放相互獨立。每一組運算放大器可用圖1所示的符號來表示,它有5個引出腳,其中“+”、“-”為兩個信號輸入端,“V+”、“V-”為正、負電源端,“Vo”為輸出端。兩個信號輸入端中,Vi-（-）為反相輸入端,表示運放輸出端Vo的信號與該輸入端的位相反;Vi+（+）為同相輸入端,表示運放輸出端Vo的信號與該輸入端的相位一樣。LM324的引腳排列見圖2-7。圖2-7LM324外形圖和部結(jié)構(gòu)圖 由于LM324四運放電路具有電源電壓圍寬,靜態(tài)功耗小,可單電源使用,價格低廉

20、等優(yōu)點,因此被廣泛應(yīng)用在各種電路中。4、運放電路設(shè)計利用LM324運放，設(shè)計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行交流放大,可用于擴音機前置放大等。電路無需調(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=-

21、20和Av2=-100。負號表示輸出信號與輸入信號相位相反。此兩級放大電路輸入電阻分別為R1、R6，C1和C4為耦合電容。（二）比較電路和開關(guān)電路設(shè)計利用LM324設(shè)計的比較、開關(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) Ui>U1 或Ui<U2 時，運算放大器 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，運算放大器 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

22、可知，當(dāng)輸入電壓Ui處于U1和U2之間時，輸出為-Uom，而當(dāng)輸入電壓的值處于U1和U2之外時輸出為+Uom。在圖2-9（b）電壓傳輸特性電路中，運算放大器的輸出端不能直接相連，因為圖2-9（a）（D1、D2用IN4148，R=1K）當(dāng)兩個運入輸出電壓的極性相反時，將互為對方提供低阻抗通路而導(dǎo)致運算放大器燒毀。在比較器后加上開關(guān)管 ,整個電路不但工作可靠 ,且輸出電流大 ,能驅(qū)動后級的執(zhí)行電器工作。（三）延時電路 延時電路的功能是使客人離開過后音樂還繼續(xù)在響，在本設(shè)計中可以得用單穩(wěn)態(tài)ME555后積分電路實現(xiàn)。1、NE555部結(jié)構(gòu)與工作原理555定時器成本低，性能可靠，只需要外接幾個電阻、電容，

23、就可以實現(xiàn)多諧振蕩器、單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器與施密特觸發(fā)器等脈沖產(chǎn)生與變換電路。它也常作為定時器廣泛應(yīng)用于儀器儀表、家用電器、電子測量與自動控制等方面。下面就本設(shè)計需要主要介紹一下它的部結(jié)構(gòu)、基本原理和單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器。555部結(jié)構(gòu)如圖2-10所示。圖2-10 555 定時器的部電路框圖在圖2-10中555定時器由3個阻值為5k的電阻組成的分壓器、兩個電壓比較器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。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，輸入負脈沖（或使其電壓低于0.7V）

24、可使555定時器直接復(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，經(jīng)0.01uF的電容接地，以防止引入干擾；7腳為放電端，555定時器輸出低電平時，放電晶體管TD導(dǎo)通，外接電容元件通過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200mA，因此可直接驅(qū)動繼電器、發(fā)光二極管、指示燈等；8腳為電源端，可在5V18V圍使用。 555定時器工作時過程分析如下： 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，比較器C1輸出低電平，比較器C2輸出高電平，

25、基本RS觸發(fā)器置0，G3輸出高電平，放電三極管TD導(dǎo)通，定時器輸出低電平。 當(dāng)VI12/3VCC，VI21/3VCC時，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定時器輸出狀態(tài)保持不來。 當(dāng)VI12/3VCC，VI21/3VCC時，比較器C1輸出低電平，比較器C2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，定時器輸出高電平。當(dāng)VI12/3VCC，VI21/3VCC時，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，定時器輸出高電平。2、延時電路利用555設(shè)計的延時電路如圖2

26、-11所示。圖2-11單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器組成的延時電路由555定時器和外接定時元件R2、C2構(gòu)成的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器。穩(wěn)態(tài)時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，負載RL電流為0，當(dāng)有一個外部負脈沖觸發(fā)信號加到Vi端。并使2端電位瞬時低于1/3VCC，低電平比較器動作，單穩(wěn)態(tài)電路即開始一個穩(wěn)態(tài)過程，電容C2開始充電，Vc按指數(shù)規(guī)律增長。當(dāng)Vc充電到2/3VCC時，高電平比較器動作，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)時間Tw（即為延時時間）決定于外接元件R2、C2的大小。Tw=1.1R2C2通過改變R2、C2的大小，可

27、使處時時間在幾個微秒和幾十分鐘之間變化。當(dāng)這種單穩(wěn)態(tài)電路作為計時器時，可直接驅(qū)動小型繼電器，并可采用復(fù)位端接地的方法來終止暫態(tài)，重新計時。通過改變R2、C2的大小，可使延時時間在幾個微秒和幾十分鐘之間變化。當(dāng)這種單穩(wěn)態(tài)電路作為計時器時，可直接驅(qū)動小型繼電器，并可采用復(fù)位端接地的方法來終止暫態(tài)，重新計時。四、發(fā)聲（音樂芯片）和發(fā)光電路設(shè)計音樂芯片是一種比較簡單的語音電路，它通過部的振蕩電路，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(fù)音、音樂帶

28、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D4-1所示。圖4-1 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端，一般工作電壓圍是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(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、整機電路工作原理根據(jù)以上各單元電路

29、可以得到熱釋電感應(yīng)門鈴整機電路原理圖，如附錄1所示。X1A、X2B、X3C、X4D組成廉價的通用四運放LM324 ,用其中X1A、X2B兩個運放組成高、低通放大器。第一級放大器增益為:AV1= R6/ R4= 20 ,第二級放大器增益為:AV2= R10/ R9=100，總增益為 AV=20 ×100 =2 000 =66 dB。電壓比較器部分LM324 另外X3C、X4D兩個運放組成電壓比較檢測窗口,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)紅外傳感器檢測到人體的活動,其產(chǎn)生的微弱電壓信號經(jīng)過放大,傳送到LM324的 （10）、

30、（13）腳時,可以檢測到峰值約為5 V 的正弦波,那么無論是信號的正半周還是負半周,兩個比較器中必有一個輸出為低電平,使NE555的 (2)腳由高電平跳成低電平,以便控制延時電路工作。而當(dāng)紅外傳感器沒有檢測到人活動時,由靜態(tài)電路可知,該3 V 直流信號同時加到LM324 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 ,電壓比較器輸出端 (8)、(14)均為低電平，開關(guān)管截止, NE555的(2)腳仍為高電平,延時電路不工作。當(dāng)紅外傳感器檢測到人的活動 ,在輸入信號的正半周

31、時,（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,其高電平使得開關(guān)管飽和導(dǎo)通 ,將 NE555 的(2)腳拉成低電平,致使延時電路工作。在信號負半周時,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?只要傳感器檢測到人體活動 ,無論是信號的正半周還是負半周,兩個比較器中必有一個輸出為高電平,通過開關(guān)三極管從而控制延時電路工作。延時電路U1使用單時基電路 NE555,延時時間 t = 1. 1 R16×C96

32、0 s。其作用有二:一是為自己離開檢測區(qū)時提供一段非報警延遲時間;二是在自己進入檢測區(qū)后提供關(guān)斷檢測器所需的時間。延時電路工作時,輸出的高電平使得三極管導(dǎo)通使得揚聲器發(fā)聲和燈發(fā)光。六、電路仿真與調(diào)試（一）軟件介紹本設(shè)計使用了仿真軟件multisim和印制電路板制作軟件protel99，下面分別對這兩種軟件進行介紹。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，適用于板級的模擬/數(shù)字電路板的設(shè)計工作。它包含了電路原理圖的圖形輸入、電路硬件描述語

33、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，并對電路進行仿真。Multisim提煉了SPICE仿真的復(fù)雜容，這樣工程師無需懂得深入的SPICE技術(shù)就可以很快地進行捕獲、仿真和分析新的設(shè)計，這也使其更適合電子學(xué)教育。通過Multisim和虛擬儀器技術(shù)，PCB設(shè)計工程師和電子學(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)計和測試這樣一個完整的綜合設(shè)計流程。2、印制電路板制作軟件protel 99Protel 99SE是ProklTechnology公司開發(fā)的基于Windows環(huán)境下的電路板設(shè)計軟件。該軟件功能強大，人機界面友好，易學(xué)易用，業(yè)

34、界人士首選的電路板設(shè)計工具。Protel 99SE 由兩大部分組成：電路原理圖設(shè)計（Advanced Schematic）和多層印刷電路板設(shè)計（Advanced PCB）。其中Advanced Schematic由兩部分組成：電路圖編輯器（Schematic）和元件庫編輯器（Schematic Library）。(二)電路仿真與調(diào)試1、PIR輸出信號與運算放大電路仿真運算放大電路仿真如圖5-1所示。圖5-1 PIR輸出信號與運算放大電路仿真 圖5-1當(dāng)中紅色為PIR輸出正弦波信號，藍色為第一級放大電路輸出信號，橙色為第二級放大電路信號。由仿真圖可知：當(dāng)電路輸入信號為1.174mV時，第一級放大

35、電路輸出為2.986V，第二級放大電路輸出為4.395V。滿足了設(shè)計的要求。2、比較器和開關(guān)電路仿真比較器和開關(guān)電路仿真如圖5-2所示。圖5-2比較器和開關(guān)電路仿真圖5-2當(dāng)中紅色為比較器輸入信號，橙色為開關(guān)管輸出信號。由仿真圖可知：當(dāng)電路輸入信號為4.298V時，開關(guān)管輸出為5.988V。由圖可知，電路輸入為正弦波信號，輸出為方波信號。滿足了設(shè)計的要求。3、延時電路延時電路波形如圖5-3所示。圖5-3 延時電路波形圖圖5-3當(dāng)中紅色為NE555的（2）腳輸入信號，橙色為NE555(3)腳輸出信號。由仿真圖可知：當(dāng)沒人來的時候，電路輸入為高電平，輸出為低電平。當(dāng)有人來的時候，NE555的（2）

36、腳輸入端輸入了幾個脈沖信號，NE555的（3）腳輸出端輸出高電平，當(dāng)人離開過了一段時間后輸出端變?yōu)榈碗娖健M足了設(shè)計的要求。結(jié) 論總之 ,熱釋電紅外傳感器的應(yīng)用十分廣泛 ,本設(shè)計采用了LM324集成運放和NE555延時電路。這兩個集成電路比較常用，成本又比較低。對各元件的要求比較低，沒有像主動式紅外感應(yīng)電路那么難調(diào)。我認這應(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，如與各種型號的專用處理集成電路(如 CS9803GP) 配套使用 ,則外圍電路更為簡單 ,安裝調(diào)試更方便 ,工作更加穩(wěn)定可靠。因為 CS9803 是由振蕩器、計數(shù)器、PIR 檢測、信號放大、系統(tǒng)時鐘、

37、輸出控制等電路組成 ,代替了圖3-1 中的 LM324集成運放和NE555 部分。不過這樣的話應(yīng)用電路成本會稍微高一點。在應(yīng)用中應(yīng)注意的問題 :1、首先要正確判別傳感器的幾個端子。管腳朝自己 ,順時針為 D、S、E;D 端接正電源 ,E 端接地 , S端輸出正弦信號送往高、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距離與反映靈敏度就要大打折扣了。致 本文最終目的是設(shè)計出一個感應(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)可以說體現(xiàn)了一個國家的科技水平，

38、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期一個重點發(fā)展方向，因此非常具有研究價值?？梢哉f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)會理論知識，學(xué)會運用常用器件制作實用小電路，提高個人設(shè)計能力，此門鈴設(shè)計已經(jīng)達到了目標(biāo)。當(dāng)然就實際應(yīng)用而言，本設(shè)計還存在著一些缺陷。這里的設(shè)計方案是考慮在一個比較良好的外界環(huán)境下使用的，對于各種外界干擾因素都沒有過多的考慮，而且在電路的安全穩(wěn)定性方面也沒有做太多的深究，省略了一些保護性的元器件，這些都可能導(dǎo)致在實際生活應(yīng)用上存在著誤報或者無法工作甚至電路損壞的問題?？偟膩碚f，此紅外感應(yīng)式門鈴的設(shè)計對研究紅外感應(yīng)技術(shù)具有一定的參考價值。相信在此基礎(chǔ)上，根據(jù)具體探測環(huán)境，充分考慮影響傳感器的因素，合理修改、優(yōu)化信號處理電路，增加電路功能，減少誤檢測，提高電路穩(wěn)定性，就可以達到比較完美的非常實用的感應(yīng)式門鈴。參