紅外感應(yīng)式語音門鈴電路設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)

1、<p>　　課 程 設(shè) 計(jì)</p><p><b>　　2013年3月1日</b></p><p><b>　　第1章 概述</b></p><p><b>　　1.1目的及意義</b></p><p>　　激光具有良好的單色性和相關(guān)性，因此，在精密計(jì)量、光通信

2、、光頻標(biāo)、高分辨光譜學(xué)等領(lǐng)域中得到了廣泛的應(yīng)用。</p><p>　　門鈴歷史悠久，現(xiàn)代社會(huì)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(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客的工具了。善于創(chuàng)新的人類會(huì)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(yīng)門鈴就是在這種探索中產(chǎn)生。 </p><p

3、>　　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；事先人們用它來防盜的，但后來因?yàn)殡娮臃?盜報(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)出歡迎語音，起到了禮貌問候，從而做到提醒店員有人進(jìn)店和迎賓的兩重作用。 </p><p>　　感

4、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。 </p><p>　　光感應(yīng)式的價(jià)格便宜，但是誤報(bào)率高，因?yàn)榈膫鞲泻诵氖枪饷綦娮?，光敏電阻?duì)可見

5、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)迎賓器反應(yīng)。紅外感應(yīng)式的相比價(jià)格 較高，但優(yōu)點(diǎn)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，帶來方便之余，更帶來意想不到的快樂和安全感。 </p>

6、<p>　　紅外感應(yīng)式技術(shù)的核心就是紅外探測(cè)器。紅外探測(cè)器是一種將不可見的紅外輻射轉(zhuǎn) 換成可測(cè)量的信號(hào)的光敏器件。探測(cè)器作為紅外整機(jī)系統(tǒng)的核心關(guān)鍵部件，探測(cè)、識(shí)別和分析紅外信息。一個(gè)完整的紅外探測(cè)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(chǎng)鏡、浸沒透鏡、濾光片等。按工作機(jī)理分為熱探測(cè)器和光子探測(cè)器兩大類。熱釋電紅外傳感器就是熱探測(cè)器的一種。 </p><p>　　本次設(shè)計(jì)就

7、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。 </p><p>　　1.2基本內(nèi)容和設(shè)計(jì)方案</p><p>　　1.2.1基本內(nèi)容 </p><p>　　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，熟悉常見紅外感應(yīng)器件的性能參數(shù)。

8、了解語音芯片的型號(hào)及存儲(chǔ)內(nèi)容。了解可能使用的常見芯片及獨(dú)立元器件的價(jià)格。 </p><p>　　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。 </p><p>　　根據(jù)所設(shè)計(jì)的方案，完成電路仿真。 </p><p>　　1.2.2 技

9、術(shù)方案 </p><p>　　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)響起悅耳的音樂，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)，門鈴不發(fā)聲。并且電路應(yīng)具有一定的</p><p>　　拓展空間，以便后續(xù)實(shí)現(xiàn)附加功能。 </p><p>　　在探測(cè)模塊，預(yù)選用熱釋電紅外探測(cè)模塊，只對(duì)人體發(fā)出的特定紅外波長(zhǎng)有感應(yīng)效果，屏蔽了其他外界影響引起的誤報(bào)。由于

10、要確定顧客的行走方向，故需要兩個(gè)探測(cè)感應(yīng)模塊，根據(jù)信號(hào)產(chǎn)生的先后順序來判別是進(jìn)還是出。在控制模塊，使用門電路，觸發(fā)器和獨(dú)立元器件，通過組合，使控制電路可以根據(jù)探測(cè)模塊產(chǎn)生的不同信號(hào)來判別顧客的進(jìn)出，從而產(chǎn)生不同的控制信號(hào)，得到不同的響應(yīng)功能。 </p><p>　　在發(fā)聲模塊，采用內(nèi)置特定音樂的音樂芯片，搭配小功率喇叭，實(shí)現(xiàn)發(fā)聲功能。這里使用“請(qǐng)開門”的語音芯片也可以使用的音樂芯片等。 </p>&

11、lt;p>　　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，或者在商鋪無人時(shí)，模式改為報(bào)警門鈴等。 </p><p>　　1.3課題研究的主要內(nèi)容</p><p>　　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)，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)

12、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，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。通過研究設(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)。 </p><p><b>　　摘 要</b></p><p>　　本文在掌握熱釋

13、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(shí)原理（包括</p><p>　　與非門，D觸發(fā)器，三極管，電容，電阻，揚(yáng)聲器等）的基礎(chǔ)上，介紹了一種新型的實(shí)用</p><p>　　的紅外探測(cè)模塊HN911以及雙D觸發(fā)器CD4013的常見應(yīng)用情況。在此基礎(chǔ)上，運(yùn)用它</p><p>　　們?cè)O(shè)計(jì)一個(gè)置于店鋪門口的用于迎接顧客的紅外感應(yīng)式門鈴。它可根據(jù)顧客

14、的進(jìn)出情況作</p><p>　　出不同的反應(yīng)。設(shè)計(jì)完成后使用Protel對(duì)其作了仿真，結(jié)果較為理想，外界干擾不大的情</p><p>　　況下基本不會(huì)誤報(bào)，但揚(yáng)聲器發(fā)聲的持續(xù)時(shí)間較理論值稍短0.2秒，誤差9%，但不影響</p><p><b>　　電路工作。 </b></p><p>　　論文主要研究了紅外感

15、應(yīng)技術(shù)在日常生活中的典型應(yīng)用，即感應(yīng)式門鈴。通過對(duì)它的</p><p>　　研究，掌握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。 </p><p>　　研究結(jié)果表明：本文敘述的電路設(shè)計(jì)方案能達(dá)到預(yù)想的效果，當(dāng)人進(jìn)入時(shí)，揚(yáng)聲器立</p><p>　　即發(fā)出問候語，而離開則不提示，并且可以進(jìn)行功能拓展。 </p><p>

16、;　　本文特色在于：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?？傮w 而言，本文對(duì)于理解感應(yīng)式門鈴的原理與設(shè)計(jì)，進(jìn)一步深化理論知識(shí)，提高動(dòng)手實(shí)踐能力</p><p>　　都具有一定的參考價(jià)值。 </p><p>　　關(guān)鍵詞：感應(yīng)技術(shù)；熱釋電紅外傳感器；D觸發(fā)器；紅外感應(yīng)式門鈴 </p><p><b>　　Abstract </b&g

17、t;</p><p>　　The paper is based on grasping the pyroelectric infrared sensor’s basic principles and basic analog circuits, digital circuit theory of knowledge (including non-gate, D flip-flop, transistors, ca

18、pacitors, resistors, speakers, etc.). Then it introduces a new infrared detection module HN911 and the common usage of the D flip-flop—CD4013. On this basis, using them to design a infrared sensing doorbell which places

19、shop’s door to meet customers. According to case that customers’ pass in and out, it </p><p>　　The paper mainly studies the typical application of infrared sensing technology in the daily life—sensing doorbe

20、ll. Through this research, we should master the basic principle of infrared sensing technology, circuit design process and components application. </p><p>　　The results show that this paper describe

21、s the circuit design to achieve the desired requirements. Ones the people entering the shop, the speaker immediately issued greeting. And the doorbell isn’t prompted when the people leave. </p><p>　　T

22、he 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 require

23、ments. For beginners to understand sensing doorbell, further deepening the theoretical knowledge and improve practical ability with a certain value. </p><p>　　Key Words: Sensing technology ; Pyroelectric inf

24、rared sensors ; D flip-flop ; Infrared sensing doorbell.</p><p>　　第2章 感應(yīng)門的基本原理</p><p>　　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)越來越廣泛的趨勢(shì)?？偟膩碚f，感應(yīng)技術(shù)的基

25、本原理就是自動(dòng)對(duì)特定的</p><p>　　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)。</p><p>　　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。感應(yīng)式門鈴就是通過紅外傳感器探測(cè)人體紅外信號(hào)，繼而經(jīng)過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。 </p><p><b>　　2.1熱釋電傳

26、感器</b></p><p>　　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。</p><p>　　2.1.1熱釋電紅外傳感器概述</p><p>　　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)來自環(huán)境的紅外輻射。傳感器安裝后數(shù)秒種已

27、適應(yīng)環(huán)境，在無人或動(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，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。</p><p>　　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</p><p>　　的變化

28、。紅外傳感器的探測(cè)波長(zhǎng)范圍是8～14μm，人體輻射的紅外峰值波長(zhǎng)約為10μm，</p><p><b>　　正好在范圍以內(nèi)。</b></p><p>　　被動(dòng)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(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自

29、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。菲涅爾透鏡自上而下

30、分 為幾排，上面透鏡較多，下邊較少。因?yàn)槿四槻俊⑾ゲ?、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)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</p><p>　　為了解決物品遮擋問題，又發(fā)明了吸頂式被動(dòng)紅外傳感

31、器。安裝在頂棚上向下360范圍內(nèi)進(jìn)行探測(cè)。只要在防護(hù)范圍內(nèi)，無論從哪個(gè)方向進(jìn)入都會(huì)觸發(fā)電路，在銀行營(yíng)業(yè)大</p><p>　　廳，商場(chǎng)的公共活動(dòng)區(qū)等空間較大的地方得到廣泛使用。</p><p>　　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</p><p>　　對(duì)于主動(dòng)式傳感器誤報(bào)率較高。</p><p>

32、　　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。</p><p>　　2.1.2 紅外輻射 熱釋電效應(yīng)</p><p>　　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

33、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10μm。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。</p><p>　　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

34、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。</p><p>　　2.1.3熱釋電紅外傳感器的結(jié)構(gòu)及工作原理</p><p>　　眾所周知，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10μm的紅外線?？衫妹骁R或透鏡將人體所輻射出來的紅外線有

35、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(hào)。</p><p>　　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</p><p>　　圖2-1 熱釋電紅外傳感器結(jié)構(gòu)</p><p>　　圖2-2 熱釋電紅外傳感器結(jié)構(gòu)及內(nèi)部

36、電路</p><p>　　光學(xué)濾鏡的主要作用是只允許波長(zhǎng)在10μm左右的紅外線（人體發(fā)出的紅外線波長(zhǎng)）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(yīng)源通常由兩個(gè)串聯(lián)或者并聯(lián)的熱釋電元件組成。這兩個(gè)熱釋電元件的電極相反，環(huán)境背景輻射對(duì)兩個(gè)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(yīng)相互抵消，輸出信號(hào)接近為零。一旦有人進(jìn)入探測(cè)區(qū)域內(nèi)，人體輻射的紅外線就會(huì)通過部分鏡面聚焦，并被熱釋電元件接收。不

37、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(hào)。熱釋電元件輸出的是微弱電信號(hào)，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(dá)104MΩ，故引入N溝道結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管接成共漏形式來完成阻抗變換。</p><p>　　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(gè)表面做成電極，在傳感器監(jiān)測(cè)范圍內(nèi)溫度有△T的變化時(shí)，熱釋電效應(yīng)會(huì)在兩個(gè)電極上產(chǎn)

38、生電荷△Q，即在兩電極之間產(chǎn)生一微弱的電壓△V。熱釋電效應(yīng)所產(chǎn)生的電荷△Q會(huì)被空氣中的離子所結(jié)合而消失，即當(dāng)環(huán)境溫度穩(wěn)定不變時(shí)，△T=0，傳感器無輸出。</p><p>　　我們一般口中所述的紅外探頭中有兩個(gè)關(guān)鍵性的器件：</p><p>　　一個(gè)是熱釋電紅外傳感器。它能將波長(zhǎng)為8～12μm之間的紅外信號(hào)的變化轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)，并對(duì)自然界中的可見光信號(hào)具有抑制作用。因此在紅外探測(cè)器的有效感應(yīng)區(qū)

39、內(nèi)，當(dāng)無人體移動(dòng)時(shí)，熱釋電紅外傳感器感應(yīng)到的只是背景溫度，沒有信號(hào)變化，所以不能產(chǎn)生電信號(hào)；當(dāng)人體進(jìn)人感應(yīng)區(qū)，通過菲涅爾透鏡，熱釋電紅外傳感器感應(yīng)到的是人體溫度與背景溫度的差異信號(hào)，此時(shí)產(chǎn)生電信號(hào)。</p><p>　　另外一個(gè)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1～5cm的地方。它具有聚焦，即將熱釋電的紅外信號(hào)反射在紅外傳感器上的作用，還能將感應(yīng)區(qū)內(nèi)分為若干個(gè)明區(qū)和暗區(qū)，使進(jìn)入感應(yīng)區(qū)的移動(dòng)物

40、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(hào)，這樣熱釋電紅外傳感器產(chǎn)生變化的電信號(hào)，后續(xù)電路經(jīng)檢測(cè)處理后產(chǎn)生可用信號(hào)。</p><p>　　2.1.4 熱釋電紅外傳感器的材料、類別及特性 </p><p>　　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

41、強(qiáng)烈的自發(fā)極化特性，平時(shí)靠捕獲大氣中的浮游電荷保持平衡，當(dāng)受到熱輻射而產(chǎn)生溫度變化時(shí)，介質(zhì)的極化狀態(tài)將隨之變化。由于表面電荷的變化速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于內(nèi)部電荷的變化速度，內(nèi)、外層電荷會(huì)出現(xiàn)“失步”現(xiàn)象，即在表面電荷重新達(dá)到平衡的短暫時(shí)間內(nèi)，將出現(xiàn)獨(dú)立的電荷。這就是電介質(zhì)的熱釋電效應(yīng)。</p><p>　　熱釋電紅外傳感器按內(nèi)部安裝敏感元件個(gè)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

42、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：</p><p>　?。?）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；</p><p>　?。?）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，可防止太陽或燈頭等紅外線引起誤動(dòng)作；</p><p>　?。?）可防止因環(huán)境溫度變化引起的檢測(cè)誤差；</p><p>　

43、　（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。</p><p>　　上文圖2-2就是雙元型元件。</p><p>　　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。</p><p>　　目前常用的熱釋電紅外傳感器型號(hào)主要有P228、LHl958、LHI954、RE200B、KDS209、PIS209、LH

44、I878、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(guān)管D極，DRAIN）、信號(hào)輸出端（內(nèi)部開關(guān)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2-3所示。</p><p>　　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3～15V）、工作波長(zhǎng)（通常為7.5～14 μm）、源極電壓（通常為0.4

45、～1.1V，R=47KΩ）、輸出信號(hào)電壓（通常大于2.0V）等。</p><p>　　圖2-3 常見的熱釋電紅外傳感器外形及各引腳功能</p><p>　　2.1.5 熱釋電紅外傳感器的輸出信號(hào)特性及優(yōu)缺點(diǎn)</p><p>　　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)

46、計(jì)樣式。人體溫度和探測(cè)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：</p><p><b>　　（2-1）</b></p><p>　　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

47、（mm2），L是人體離傳感器距離（m）。</p><p>　　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0.08～8Hz。</p><p>　　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，也有些傳感器生產(chǎn)廠家直接將后續(xù)信號(hào)處理電路內(nèi)置在

48、傳感器中，用戶直接就可以使用。</p><p>　　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。</p><p>　　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。</p><p>　　2.1.6 菲涅爾

49、透鏡 </p><p>　　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。</p><p>　　菲涅爾透鏡是由法國(guó)物理學(xué)家奧古斯汀·菲涅爾（Augustin·Fresnel）發(fā)明的，他在1822年最初使用這種透鏡設(shè)計(jì)用于建立一個(gè)玻璃菲涅爾透鏡

50、系統(tǒng)——燈塔透鏡。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(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。</p><p>　　其工作原理十分簡(jiǎn)單，它有兩種理解方式：</p><p&

51、gt;　?。?）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2-4所示。</p><p>　　圖2-4 菲涅爾透鏡1</p><p>　　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

52、是透鏡的焦點(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2-5所示。</p><p>　　圖2-5 菲涅爾透鏡2</p><p>　　菲涅爾透鏡，簡(jiǎn)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(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

53、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10μm左右（人體紅外線輻射的峰值），成本相當(dāng)?shù)牡汀?lt;/p><p>　　因此，菲涅爾透鏡作用有兩個(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)

54、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2-6所示。</p><p>　　圖2-6 菲涅爾透鏡聚焦作用示意圖</p><p>　　2.1.7 熱釋電紅外傳感器的安裝要求</p><p>　　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

55、，一般應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：</p><p>　　（1）傳感器應(yīng)離地面2～2.5m，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；</p><p>　?。?）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)引起傳感器誤報(bào)；</p><p>　?。?）傳感器探測(cè)范圍不能有隔板、大型家具、屏風(fēng)等遮擋物。</p><p>　　此外，熱釋

56、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2-7所示。</p><p>　　圖2-7 熱釋電紅外傳感器靈敏度示意圖</p><p><b>　　2.2 D觸發(fā)器 </b></p><p>　　鎖存器是一種基本的記憶器件，它能夠儲(chǔ)存一位元的數(shù)據(jù)。由于它是一種

57、時(shí)序性的電路，所以并不需要時(shí)鐘輸入，它會(huì)根據(jù)輸入來改變輸出。</p><p>　　觸發(fā)器不同于鎖存器，它是一種時(shí)鐘控制的記憶器件，觸發(fā)器具有一個(gè)控制輸入信號(hào)（CP）。CP信號(hào)使觸發(fā)器只在特定時(shí)刻才按輸入信號(hào)改變輸出狀態(tài)。若觸發(fā)器只在時(shí)鐘CP由低電平到高電平（或高電平到低電平）的轉(zhuǎn)換時(shí)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。</p><p>　　觸發(fā)器可用來儲(chǔ)存一位元的數(shù)據(jù)。

58、通過將若干個(gè)觸發(fā)器連接在一起可儲(chǔ)存多位元的數(shù)據(jù)，它們可用來表示時(shí)序器的狀態(tài)、計(jì)數(shù)器的值、電腦記憶體中的ASCII碼或其他資料。</p><p>　　D觸發(fā)器是最常用的觸發(fā)器之一。對(duì)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(shí)刻才會(huì)跟隨輸入D的狀態(tài)而變化，其他時(shí)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)。&

59、lt;/p><p>　　2.2.1 主從觸發(fā)器</p><p>　　將兩個(gè)D鎖存器級(jí)聯(lián)，則構(gòu)成CMOS主從觸發(fā)器，如圖2-8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(hào)正好與從鎖存器反相，利用兩個(gè)鎖存器的交互鎖存，則可實(shí)現(xiàn)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)和輸入信號(hào)之間的隔離。</p><p>　　圖2-8 主從觸發(fā)器</p><p>

60、　　圖2-8中的觸發(fā)器工作過程分為以下兩個(gè)節(jié)拍：</p><p>　　（1）當(dāng)時(shí)鐘信號(hào)CP=0時(shí)，=1，C=0，使TG1導(dǎo)通，TG2斷開，D端輸入信號(hào)進(jìn)入主鎖存器，這時(shí)Q′跟隨D端的狀態(tài)變化，使Q′=D。例如，D為1時(shí)，經(jīng)TG1傳到G1的輸入端，使=0，Q′=1。同時(shí)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(dǎo)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(chǔ)單元電路，使從鎖存器維持在原

61、來的狀態(tài)不變，即觸發(fā)器的輸出狀態(tài)不變。</p><p>　?。?）當(dāng)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(shí)TG2導(dǎo)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(shí)，TG3導(dǎo)通，TG4斷開，將端信號(hào)傳輸?shù)絈端。若=0，經(jīng)TG3傳送給G3的輸入端，于是=0，Q=1。</p><p>　　可見，從鎖存器在工作中總是跟隨主鎖存器的狀

62、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(hào)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(hào)上升沿到達(dá)前瞬間的D信號(hào)，從功能上考慮成為D觸發(fā)器。如果以Qn+1表示CP信號(hào)上升沿到達(dá)后觸發(fā)器的狀態(tài)，則D觸發(fā)器的特性可以用下公式2-2來表示：</p><p>　　Qn+1=D

63、 公式（2-2）</p><p>　　稱為D觸發(fā)器的特性方程。它反映了觸發(fā)器在時(shí)鐘信號(hào)作用后的狀態(tài)與此前輸入信號(hào)D的關(guān)系。</p><p>　　2.2.2 維持阻塞觸發(fā)器 </p><p>　　維持阻塞結(jié)構(gòu)的D觸發(fā)器的邏輯電路如圖2-9所示。該觸發(fā)器由3個(gè)用與非門構(gòu)成的基本SR鎖存器組成，其中G1、G2和G3、G4構(gòu)成的兩個(gè)基本SR鎖存器響應(yīng)外部輸入數(shù)據(jù)D和時(shí)鐘信號(hào)

64、CP，他們的輸出Q2和Q3作為、信號(hào)控制著由G5、G6構(gòu)成的第三個(gè)基本SR鎖存器的狀態(tài)，即整個(gè)觸發(fā)器的狀態(tài)。下面介紹其工作原理：</p><p>　　圖2-9 維持阻塞觸發(fā)器</p><p>　?。?）當(dāng)CP=0時(shí)，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(shí)，Q2和Q3的反饋信號(hào)分別將G1和G4兩個(gè)門打開，使Q4=，

65、Q1==D，D信號(hào)進(jìn)入觸發(fā)器，為觸發(fā)器狀態(tài)刷新做好準(zhǔn)備。</p><p>　　（2）當(dāng)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)永遠(yuǎn)是互補(bǔ)的，也就是說，和中必有一個(gè)是0。由基本SR鎖存器的邏輯功能可知，這時(shí)Qn+1 = D，觸發(fā)器狀態(tài)按此前D的邏輯值刷新。</p><p>　?。?）在CP=1期間，有G1、

66、G2和G3、G4分別構(gòu)成的兩個(gè)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(hào)D的變化影響。在Q=1時(shí)，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(hào)在此期間的變化可能使Q4相應(yīng)改變，但不會(huì)改變Q3的狀態(tài)，從而阻塞了D端輸入的置0信號(hào)，稱為置0阻塞線。在Q=0時(shí)，Q3=0，則將G4封鎖，使Q4=1，

67、既阻塞了D=1信號(hào)進(jìn)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?yàn)檫@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。</p><p>　　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(gè)電路所實(shí)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(hào)D傳遞到Q端并保持下去

68、。因此，它們使用同一個(gè)邏輯符合，特性方程也是一致的。</p><p>　　2.2.3 觸發(fā)器的動(dòng)態(tài)特性 </p><p>　　觸發(fā)器的動(dòng)態(tài)特性反映其對(duì)輸入邏輯信號(hào)和時(shí)鐘信號(hào)之間的時(shí)間要求，以及輸出對(duì)時(shí)鐘信號(hào)響應(yīng)的延遲時(shí)間。圖2-10所示的定時(shí)圖顯示了D觸發(fā)器各信號(hào)之間的時(shí)間要求或延遲。</p><p>　?。?）建立時(shí)間tSU</p><p>

69、;　　輸入信號(hào)D的變化會(huì)引起觸發(fā)器輸入電路的一系列變化，它必須在時(shí)鐘信號(hào)CP的上升沿（對(duì)上升沿觸發(fā)的觸發(fā)器而言）到來之前的某一時(shí)刻跳變到某一邏輯電平并保持不變，以保證與信號(hào)D相關(guān)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(shí)間的最小值即建立時(shí)間tSU。</p><p>　　圖2-10 D觸發(fā)器定時(shí)器</p><p><b>　?。?）保持時(shí)間tH</b>&

70、lt;/p><p>　　信號(hào)D在CP上升沿到來之后還應(yīng)保持一定時(shí)間，才能保證D狀態(tài)可靠地傳送到Q和端，該時(shí)間的最小值稱為保持時(shí)間tH。由于技術(shù)的進(jìn)步，已有許多種觸發(fā)器可把保持時(shí)間降到0。這項(xiàng)特性在高速移位寄存器或計(jì)數(shù)器中是十分重要的。</p><p>　　（3）傳輸延遲時(shí)間tpLH和tpHL</p><p>　　時(shí)鐘脈沖CP上升沿至輸出端新狀態(tài)穩(wěn)定建立起來的時(shí)間定義為傳

71、輸延遲時(shí)間。tpLH是輸出從低電平到高電平的延遲時(shí)間，tpHL則是輸出從高電平到低電平的延遲時(shí)間，應(yīng)用中有時(shí)取其平均傳輸延遲時(shí)間tpd = 0.5（tpLH ＋ tpHL）。</p><p>　?。?）觸發(fā)脈沖寬度tW</p><p>　　為保證可靠觸發(fā)，要求時(shí)鐘脈沖CP的寬度不小于tW，以保證內(nèi)部各門正確翻轉(zhuǎn)。</p><p>　?。?）最高觸發(fā)頻率fcmax&l

72、t;/p><p>　　觸發(fā)器所能響應(yīng)的時(shí)鐘脈沖CP最高頻率，fcmax = 1/Tcmin 。因?yàn)樵贑P高電平和低電平期間，觸發(fā)器內(nèi)部都要完成一系列動(dòng)作，需要一定的時(shí)間延遲，所以對(duì)于CP最高工作頻率有一個(gè)限制。</p><p><b>　　2.2 音樂芯片</b></p><p>　　音樂芯片是一種比較簡(jiǎn)單的語音電路，它通過內(nèi)部的振蕩電路，再外接少

73、量分立元件，就能產(chǎn)生各種音樂信號(hào)。音樂芯片是語音集成電路的一個(gè)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(chǎng)合。</p><p>　　根據(jù)音樂輸出的特點(diǎn)我們將音樂電路分為以下幾類：?jiǎn)吻?、?fù)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。基本外形如圖2-11所示。</p><p>　　圖2-11 音樂芯片</p><p>

74、　　音樂芯片的外部引腳根據(jù)廠家、型號(hào)、功能的不同各有不同，但主要引腳沒有區(qū)別，圖2-11給出的是一種基本形式。</p><p>　　芯片各引腳的功能分別為：</p><p>　　（1）VDD和VSS分別是電源正端和負(fù)端，一般工作電壓范圍是2.4～5.5V；</p><p>　?。?）e、b、c三焊孔用來焊接外接功放三極管；</p><p>　

75、?。?）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；</p><p>　?。?）TRIG為觸發(fā)端，高電平觸發(fā)有效。</p><p>　　第3章 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方面</p><p>　　3.1 系統(tǒng)功能分析 </p><p>　

76、　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)開門”（或者其他音樂）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）。</p><p>　　3.2 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)模塊</p><p>　　本設(shè)

77、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。</p><p>　　圖3-1 系統(tǒng)模塊圖</p><p>　　3.3 紅外探測(cè)模塊 </p><p>　　紅外探測(cè)模塊實(shí)現(xiàn)的功能是將感應(yīng)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

78、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HN911。</p><p>　　3.3.1 HN911紅外探測(cè)模塊原理 </p><p>　　HN911是一款新型熱釋電紅外探測(cè)器，

79、采用雙列6腳直插式封裝。該傳感器由于內(nèi)部放大器集成了溫度補(bǔ)償功能，可以將人體輻射信號(hào)從惡劣的環(huán)境輻射信號(hào)中分離出來進(jìn)行處理，保證了傳感器的工作穩(wěn)定性。它具有靈敏度高，抗干擾能力強(qiáng)，耐低溫以及使用方便的特點(diǎn)。因而，HN911可在嚴(yán)寒或炎熱等惡劣環(huán)境地區(qū)使用。表3-1為HN911紅外探測(cè)模塊的性能指標(biāo)。</p><p>　　表3-1 HN911紅外探測(cè)模塊的性能指標(biāo)</p><p>　　HN

80、911紅外探測(cè)模塊內(nèi)部電路如圖3-2所示，主要由熱釋電紅外傳感器、放大器、比較器、信號(hào)處理電路和延時(shí)輸出電路組成。電路靜態(tài)工作（即未檢測(cè)到紅外線）時(shí)，1腳輸出低電平，2腳輸出高電平。動(dòng)態(tài)時(shí)，即有移動(dòng)發(fā)熱物體進(jìn)入探測(cè)范圍時(shí)，傳感器接收到紅外輻射能量，輸出幅度約1mV、頻率0.3～7Hz的微弱信號(hào)。該信號(hào)經(jīng)放大器放大，由比較器進(jìn)行比較判斷，再由信號(hào)處理電路處理，最后由延時(shí)輸出電路輸出用做驅(qū)動(dòng)信號(hào)。此時(shí)，輸出端1腳變?yōu)楦唠娖剑?腳變?yōu)榈碗娖健?/p>

81、4腳和5腳間可外接電位器，以便調(diào)節(jié)其探測(cè)靈敏度。</p><p>　　圖3-2 HN911模塊內(nèi)部電路結(jié)構(gòu)</p><p>　　HN911模塊內(nèi)放大器具有溫度補(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，使放大器的增益隨環(huán)境溫度的升高而升高

82、，從而保證了該傳感器的溫度穩(wěn)定性。</p><p>　　3.3.2 電路設(shè)計(jì)</p><p>　　由于HN911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HN911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)HN911T。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?/p>

83、客一進(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H1，在經(jīng)過H2；而出門也必然先經(jīng)過H2，再經(jīng)過H1。根據(jù)兩個(gè)HN911的1腳高電平來臨的先后次序，即可判斷顧客是進(jìn)還是出。</p><p>　　由于感應(yīng)范圍較寬，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。</p><p>　　圖3

84、-3 紅外探測(cè)模塊電路</p><p><b>　　3.4 控制模塊</b></p><p>　　控制模塊的功能是根據(jù)探測(cè)模塊傳來的信號(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，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。無疑，這里應(yīng)該用到觸發(fā)

85、器，對(duì)輸出可以起到一定時(shí)間的保持作用。</p><p>　　本次設(shè)計(jì)選用雙D觸發(fā)器CD4013。</p><p>　　3.4.1 CD4013的工作原理 </p><p>　　CD4013是CMOS雙D觸發(fā)器，內(nèi)部集成了兩個(gè)性能相同，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)開發(fā)電子電路的一種常用器件，它的使用相當(dāng)靈活方便且易掌握，受

86、到許多電子愛好者的喜愛。</p><p>　　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。</p><p>　　圖3-4 CD4013管腳圖</p><p>　　CD4013的功能表如表

87、3-2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)，電路置位，Q=1。后兩種情況無需時(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)。</p><p>　　Tab

88、le 3-2 CD4013 feature table</p><p>　　3.4.2 CD4013的四種工作方式 </p><p><b>　?。?）數(shù)據(jù)鎖存方式</b></p><p>　　圖3-5為D觸發(fā)器數(shù)據(jù)鎖存工作方式電路圖，也是它的基本功能。圖3-6是其輸出波形圖。由圖可見，在時(shí)鐘脈沖作用后（即上升沿），D端數(shù)被鎖存到Q端。若將多個(gè)

89、D觸發(fā)器組合可構(gòu)成多位數(shù)據(jù)鎖存器或寄存器。</p><p>　　圖3-5 數(shù)據(jù)鎖存方式</p><p>　　圖3-6 數(shù)據(jù)鎖存方式輸出波形圖</p><p>　?。?）單穩(wěn)態(tài)工作方式</p><p>　　圖3-7和圖3-8分別是為D觸發(fā)器單穩(wěn)態(tài)工作方式電路圖和輸出波形圖。在時(shí)鐘脈沖作用下，Q端由0跳到1，并通過R1向電容C1充電，當(dāng)電容C

90、上電壓Vc上升門限電壓VT（≈1/2Vcc） 時(shí)，觸發(fā)器被強(qiáng)迫復(fù)位，Q端由1自動(dòng)跳到0，同時(shí)，Vc通過二極管D1迅速放電，為下一周期的工作做好準(zhǔn)備。在單穩(wěn)態(tài)工作方式中，Q端的0態(tài)為穩(wěn)態(tài)，而1態(tài)稱為暫穩(wěn)態(tài)，tw為暫穩(wěn)態(tài)寬度，由R1和C1決定：tw=0.693R1C1。D觸發(fā)器構(gòu)成定時(shí)器，消抖動(dòng)電路都工作于單穩(wěn)態(tài)方式。</p><p>　　圖3-7 單穩(wěn)態(tài)工作方式</p><p>　　圖3-

91、8 單穩(wěn)態(tài)工作方式輸出波形圖</p><p>　?。?）無穩(wěn)態(tài)工作方式</p><p>　　圖3-9和圖3-10分別是D觸發(fā)器無穩(wěn)態(tài)工作方式電路圖及輸出波形圖，無穩(wěn)態(tài)工作方式也稱為多諧振蕩工作方式。其工作過程如下：假設(shè)D觸發(fā)器的初態(tài)Q=1，此時(shí)Q端通過R1向C1充電，當(dāng)Vc1充至1/2Vcc時(shí)，D觸發(fā)器復(fù)位，Q端由1變?yōu)?，而由0變1，此時(shí)Q端通過R2向C2充電，當(dāng)Vc2充至1/2Vcc

92、時(shí)，D觸發(fā)器被置位，Q=1，=0，完成一個(gè)工作周期。之后將不斷重復(fù)上述工作過程，形成多諧振蕩。振蕩周期T=0.693 （R1C1+R2C2）= tw1+tw2，振蕩頻率f=1.433/（R1C1+R2C2），改變R1C1與R2C2即可調(diào)節(jié)振蕩周期或頻率，并可得到所需要的脈沖占空比。當(dāng)R1=R2，C1=C2時(shí)，得到的是方波輸出脈沖。</p><p>　　圖3-9 無穩(wěn)態(tài)工作方式</p><p&

93、gt;　　圖3-10 無穩(wěn)態(tài)工作方式輸出波形圖</p><p>　?。?）雙穩(wěn)態(tài)工作方式</p><p>　　圖3-11和圖3-12分別為D觸發(fā)器的雙穩(wěn)態(tài)工作方式電路圖及輸出波形圖。圖中，D與相聯(lián)，使得Qn+1=。即每有一個(gè)CP作用，Q端狀態(tài)與原來相反，也稱為計(jì)數(shù)狀態(tài)。</p><p>　　圖3-11 雙穩(wěn)態(tài)工作方式</p><p>　　

94、圖3-12 雙穩(wěn)態(tài)工作方式輸出波形圖</p><p>　　3.4.3 電路設(shè)計(jì) </p><p>　　首先，需要進(jìn)一步詳細(xì)明確設(shè)計(jì)目標(biāo)：</p><p>　?。?）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；</p>&

95、lt;p>　?。?）當(dāng)H1和H2輸出低電平（即無人進(jìn)出）時(shí)，應(yīng)使得D2觸發(fā)器的脈沖端被封鎖，防止因干擾觸發(fā)致使Q2跳變?yōu)楦唠娖剑?lt;/p><p>　?。?）當(dāng)H1先輸出高電平時(shí)，說明顧客是進(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；</p><p>　　（4）當(dāng)H2先輸出高電平時(shí)，說明顧客是離開，D2脈沖端繼續(xù)封鎖，Q2輸出保持低電平。同

96、時(shí)，再當(dāng)H1輸出高電平時(shí)仍不能解鎖D2脈沖端；</p><p>　?。?）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?lt;/p><p>　　根據(jù)這些具體要求，電路設(shè)計(jì)如下圖3-13所示。這里用到了CD4013的單穩(wěn)態(tài)工作方式。</p><p>　　圖3-13 控制模塊電路圖</p><p>　　當(dāng)

97、無人進(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R2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的輸出無法通過與非門作用在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)電路也無法接收到。</p><p>　　當(dāng)顧客進(jìn)門時(shí)，先經(jīng)過H1，H1輸出的高電平作用于CP1端

98、，使得Q1輸出高電平，H2封鎖解除。顧客再經(jīng)過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)電路開始工作，同時(shí)D1變?yōu)榈碗娖?。Q2輸出的一個(gè)支路開始給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)榈碗娖健1通過二極管向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，

99、t≈0.693 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。</p><p>　　當(dāng)顧客離開時(shí)，先經(jīng)過H2，H2輸出高電平促使D1跳變?yōu)榈碗娖?，且由于Q1的低電平封鎖與非門，H2信號(hào)無法傳輸?shù)紺P2，Q2狀態(tài)不變，后續(xù)電路無法工作。顧客再經(jīng)過H1時(shí)，因?yàn)榇藭r(shí)仍處于H2的探測(cè)范圍（兩傳感器有重疊感應(yīng)區(qū)域），D1保持低電平。所以盡管CP1

100、出現(xiàn)正脈沖信號(hào)，Q1繼續(xù)保持低電平不變，H2始終處于封鎖狀態(tài)，確保不出現(xiàn)誤報(bào)。顧客走出H2感應(yīng)區(qū)后，D1恢復(fù)高電平，系統(tǒng)重新進(jìn)入等待狀態(tài)。</p><p>　　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開時(shí)，雖然模塊輸出Q保持低電平不變，但他經(jīng)過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，

101、H2探測(cè)到的信號(hào)毫無阻礙的傳輸?shù)紺P2，Q2輸出高電平，電路工作，出現(xiàn)誤報(bào)。</p><p>　　3.4.4 器件選擇</p><p>　　與非門選用CD4011四2輸入與非門，D觸發(fā)器選用CD4013雙D觸發(fā)器，電阻使用1MΩ的碳膜電阻器，電容使用3.3uF的瓷介電容器，二極管使用1N4148。</p><p><b>　　3.5 發(fā)聲模塊</b&

102、gt;</p><p>　　發(fā)聲模塊的設(shè)計(jì)比較簡(jiǎn)單，如圖3-14所示。這里選用KD5603語音芯片，內(nèi)含“請(qǐng)開門”的預(yù)存語音。三極管選用9013，揚(yáng)聲器采用8Ω，0.25W。</p><p>　　平時(shí)，因音樂芯片觸發(fā)端無信號(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)存的語音信號(hào)，經(jīng)三極管放大后推動(dòng)揚(yáng)聲器發(fā)聲。</

103、p><p>　　圖3-14 發(fā)聲模塊電路圖</p><p><b>　　3.6 供電模塊</b></p><p>　　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。</p><p>　　3.7 系統(tǒng)整體電路圖 </p><p>　　這個(gè)設(shè)計(jì)方案的完整電路圖如圖3-15所示。下面再累述一遍

104、完整的工作原理。</p><p>　　圖3-15 設(shè)計(jì)方案電路圖</p><p>　　無人進(jìn)出時(shí)，傳感器無感應(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)。</p><p>　　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

105、芯片輸出語音信號(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，音樂芯片不再輸出語音信號(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。</p><p>　　如果有人離開，H2先輸出的正脈沖信號(hào)在與非門處被Q1封鎖，無法傳遞到后續(xù)電路，揚(yáng)聲器不工作。</p><p><b>　　第4章 系統(tǒng)仿真</b&g

106、t;</p><p>　　4.1 仿真工具簡(jiǎn)介 </p><p>　　Protel是PORTEL公司在80 年代末推出的EDA軟件,在電子行業(yè)的CAD軟件中，它當(dāng)之無愧地排在眾多EDA軟件的前面，是電子設(shè)計(jì)者的首選軟件。Protel 99SE覆蓋了以PCB為核心的整個(gè)物理設(shè)計(jì),能實(shí)現(xiàn)從電學(xué)概念設(shè)計(jì)到輸出物理生產(chǎn)數(shù)據(jù)，以及這之間的所有分析、驗(yàn)證和設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)管理。</p><

107、;p>　　Protel 99SE共分為5個(gè)模塊，分別是原理圖設(shè)計(jì)，PCB設(shè)計(jì)（包含信號(hào)完整性分析)，動(dòng)布線器，原理圖混合信號(hào)仿真，PLD設(shè)計(jì)。這里主要用到原理圖設(shè)計(jì)和仿真。 </p><p><b>　　4.2 仿真流程圖</b></p><p>　　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</p>