感应式门铃电路设计

感应式门铃电路设计 1 感应式门铃电路设计 王晶晶( 安庆师范学院物理与电气工程学院 安徽 安庆 246011) 指导老师：王鹏 摘要：本文在掌握热释电红外传感器的基本原理和基本模拟电路、数字电路知识原理（包括与非 门，D 触发器，三极管，电容，电阻，扬声器等）的基础上，介绍了一种新型的实用的红外探测模块 HN911 以及双 D 触发器 CD4013 的常见应用情况。在此基础上，运用它们设计一个置于店铺门口的用于 迎接顾客的红外感应式门铃。它可根据顾客的进出情况作出不同的反应。设计完成后使用 Protel 对其 作了仿真，结果较为理想，外界干扰不大的情况下基本不会误报，但扬声器发声的持续时间较理论值 稍短 0.2 秒，误差 9%，但不影响电路工作。 论文主要研究了红外感应技术在日常生活中的典型应用，即感应式门铃。通过对它的研究，掌握 红外传感器的基本原理，电路设计制作流程以及常用元器件的应用情况。 研究结果表明：本文叙述的电路设计方案能达到预想的效果，当人进入时，扬声器立即发出问候 语，而离开则不提示，并且可以进行功能拓展。 本文特色在于：电路结构简单，原理易懂，容易制作，并有一定的功能拓展性。总体而言，本文 对于理解感应式门铃的原理与设计，进一步深化理论知识，提高动手实践能力都具有一定的参考价值。 关键词：感应技术；热释电红外传感器；D 触发器；红外感应式门铃 1.引言 1.1 课题研究的背景及意义 门铃历史悠久，现代社会最常见的是电子门铃。早期门铃的作用就是单纯地提醒主人有宾客来访， 随着经济的发展，门铃的类型开始多样化，功能作用也开始转变。门铃的类型由有线门铃发展为无线 门铃，由单纯的音乐门铃发展到对讲门铃，遥控门铃，可视门铃等。门铃的作用也由单向的提示主人 发展为双向的既可提醒主人又可欢迎客人（即宾客也可以听到悦耳的音乐或欢迎语音），既可迎宾又 可防盗报警。感应式门铃就是在这种探索研究中产生的。 感应式门铃又称迎宾器，是近年才有的常用于商铺，写字楼，工厂起迎宾防盗作用的电子产品。 感应式门铃的前身是电子防盗报警器，事先人们用它来防盗的，但后来因为电子防盗报警器发出的声 音是刺耳的报警声，对进店的顾客产生消极的影响，后来演变成比较悦耳的声音，特别是叮咚声，您 好，欢迎光临等音效备受用户的青睐，顾客一进门就报出欢迎语音，起到了礼貌问候的作用，从而做 到提醒店员有人进店和迎宾的双重作用。 感应式门铃的研究主要是集中在如何使其感应更灵敏，感应更准确，功能更完善，价格更低廉等 方面，目的就是让感应式门铃在各种应用场合中完美地起到迎宾、醒主和防盗报警作用。 1.2 课题研究的主要内容 本次课题研究内容就是要根据现有的已市场化的感应门铃的制造原理，在掌握感应技术，特别是红 2 外感应技术的基础上，采用红外探测模块加上必要的芯片及元器件，设计一个简易实用廉价的感应式 门铃。要求重点在于掌握设计原理，并将书本所学与实际结合起来，提高实践能力，熟悉电路设计的 基本流程与方法，熟悉常用电子元器件、芯片的参数并能熟练使用它们，熟练运用 Protel 软件对电路 进行仿真。通过研究设计感应式门铃，熟悉感应探测技术的具体应用，为以后的科研和制作积累经验 2.感应式门铃的基本原理 当今社会感应技术发展迅速，目前常用的感应技术有红外感应，压力感应，电感应，磁感应，光 感应，热感应，微波感应，气体感应等等。各种不同的感应技术都有各自的应用领域，而且呈现越来 越广泛的趋势。总的来说，感应技术的基本原理就是自动对特定的外界信号（包括物理、化学、生物 等方面的各种信号）产生预定响应。 本文感应式门铃用到的感应技术主要是红外感应，而红外感应技术就需要用到红外传感器。感应 式门铃就是通过红外传感器探测人体红外信号，继而经过一系列电路的判断与控制，达到使扬声器发 声的功能。 2.1 热释电红外传感器 2.1.1 热释电红外传感器概述 热释电红外传感器也称热释电传感器，是一种被动式调制型温度敏感器。在电路原理图中，通常 采用字母“PIR”表示。 热释电器件是利用某些材料的热释电效应制成的红外检测元件。早在 1938 年就曾有人提出过利 用热释电效应探测红外辐射的想法，但长期没有得到重视。直到 20 世纪 60 年代才开始认真研究这个 问题。尤其是 20 年来，无论从材料还是器件的研究方面都得到迅速发展。特别是陶瓷热释电材料，不 但有良好的热释电特性，而且可以大批量生产，成本低。同时，随着技术的不断改进，使热释电红外 传感器的结构日臻完善，体积越来越小，而且灵敏度和可靠性都得到提高，应用更方便，从而使当今 热释电红外传感器的应用范围不断扩大，不但用于国防军事，而且在工业和民用电子电器产品中都得 到广泛应用。由于应用的广泛，国外厂商一直在克服器件的缺点上进行卓有成效的努力。过去，欧美 曾是热释电红外传感器的主要生产者和主要应用市场。近些年日本奋起直追，迎头赶上。现在，日本 多家公司正努力研究和开发多种热释电红外传感器。例如，陶瓷公司、Hokuriku 电气工业公司等，一 些产品已占领国外市场。 红外传感器主要分两大类，一类是光电型，一类是热敏型。前者利用光电效应工作，响应速度快， 检测特性好。但需要冷却，使用不方便。而且器件的检测灵敏度与红外波长有关。而热释电器件属于 后者，它工作在室温条件下，检测灵敏度很高，而且与辐射波长无关，可探测功率只受背景辐射的限 制。而且热释电器件响应也很快，应用又方便。因此，热释电红外传感器是光电型传感器无法取代 2。 2.1.3红外辐射，热释电效 红外辐射：红外辐射的物理本质是热辐射，它是由于物体内部分子的转动及振动而产生。这类振 动是由物体受热引起的，在一般常温下，所有物体都是红外辐射的发射源，但发射的红外波长不同。 实践证明，温度愈低的物体辐射的红外线波长愈长，人体表面辐射出波长约为 10m。红外线和所有 电磁波一样，具有反射、折射、散射、干涉和吸收等性质，但它的特点是热效应最大。 3 热释电效应：因红外线具有很强的热效应，当交互变化的红外线照射到晶体表面时，晶体温度迅 速变化，这时会发生电荷的变化，从而形成一个明显的外电场，这种现象称为热释电效应。热释电红 外传感器就是根据这种原理制成的。 2.1.4热释电红外传感器的结构及工作原理 众所周知，只要物体本身温度高于热力学温度 0 K（约-273） ，则都会发射出相当于某一个温 度的辐射线，人体都有恒定的体温，一般为 37，所以会从人体表面辐射出波长约为 10m 的红外线。 可利用面镜或透镜将人体所辐射出来的红外线有效地集中于热释电红外传感器上，通过热释电红外传 感器将收集到的红外线能量转换为电气信号。 热释电红外传感器内部由光学滤镜、场效应管、红外感应源（热释电元件） 、偏置电阻、EMI 电 容等元器件组成。其结构及内部电路分别如图 1 和图 2 所示 图 1 热释电红外传感器结构 图 2 热释电红外传感器结构及内部电路 光学滤镜的主要作用是只允许波长在 10m 左右的红外线（人体发出的红外线波长）通过，而将 4 灯光、太阳光及其他辐射滤除掉，以抑制外界干扰。红外感应源通常由两个串联或者并联的热释电元 件组成。这两个热释电元件的电极相反，环境背景辐射对两个热释电元件几乎具有相同的作用，使其 产生的热释电效应相互抵消，输出信号接近为零。一旦有人进入探测区域内，人体辐射的红外线就会 通过部分镜面聚焦，并被热释电元件接收。不过由于角度不同，两片热释电元件接收到的热量不同， 热释电能量也不同，不能抵消，经处理电路处理后输出控制信号。热释电元件输出的是微弱电信号， 不能直接使用，需要用电阻将其转换为电压形式，该电阻阻抗高达 104M，故引入 N 沟道结型场效应 管接成共漏形式来完成阻抗变换。 热释电红外传感器由陶瓷氧化物或压电晶体元件组成，在元件两个表面做成电极，在传感器监测 范围内温度有T 的变化时，热释电效应会在两个电极上产生电荷Q，即在两电极之间产生一微弱的 电压V。热释电效应所产生的电荷Q 会被空气中的离子所结合而消失，即当环境温度稳定不变时， T= 0，传感器无输出。 我们一般口中所述的红外探头中有两个关键性的器件： 一个是热释电红外传感器。它能将波长为 812m 之间的红外信号的变化转变为电信号，并对 自然界中的可见光信号具有抑制作用。因此在红外探测器的有效感应区内，当无人体移动时，热释电 红外传感器感应到的只是背景温度，没有信号变化，所以不能产生电信号；当人体进人感应区，通过 菲涅尔透镜，热释电红外传感器感应到的是人体温度与背景温度的差异信号，此时产生电信号。 另外一个器件就是菲涅尔透镜。菲涅尔透镜一般固定在红外传感器正前方 15cm 的地方。它具 有聚焦，即将热释电的红外信号反射在红外传感器上的作用，还能将感应区内分为若干个明区和暗区， 使进入感应区的移动物体能以温度变化的形式在热释电红外传感器上产生变化热释红外信号，这样热 释电红外传感器产生变化的电信号，后续电路经检测处理后产生可用信号 5。 2.2 D 触发器 锁存器是一种基本的记忆器件，它能够储存一位元的数据。由于它是一种时序性的电路，所以并 不需要时钟输入，它会根据输入来改变输出。 触发器不同于锁存器，它是一种时钟控制的记忆器件，触发器具有一个控制输入信号（CP） 。CP 信号使触发器只在特定时刻才按输入信号改变输出状态。若触发器只在时钟 CP 由低电平到高电平（或 高电平到低电平）的转换时刻才接收输入，则称这种触发器是上升沿（或下降沿）触发的。 触发器可用来储存一位元的数据。通过将若干个触发器连接在一起可储存多位元的数据，它们可 用来表示时序器的状态、计数器的值、电脑记忆体中的 ASCII 码或其他资料。 D 触发器是最常用的触发器之一。对于上升沿触发的 D 触发器来说，其输出 Q 只在 CP 由低电平到高电 平的转换时刻才会跟随输入 D 的状态而变化，其他时候 Q 则维持不变。目前常用的是主从触发器。 2.2.1主从触发器 将两个 D 锁存器级联，则构成 CMOS 主从触发器，如图 3 所示。图中左边的锁存器成为主锁存器， 右边的称为从锁存器。主锁存器的锁存使能信号正好与从锁存器反相，利用两个锁存器的交互锁存， 则可实现存储数据和输入信号之间的隔离。 感应式门铃电路设计 1 图 3 主从触发器 图 3 中的触发器工作过程分为以下两个节拍： （1）当时钟信号 CP=0 时， =1，C=0，使 TG1 导通，TG2 断开，D 端输入信号进入主锁存器，这C 时 Q跟随 D 端的状态变化，使 Q=D。例如，D 为 1 时，经 TG1 传到 G1 的输入端，使 =0，Q=1。同时由于 TG3 断开，切断了从锁存器与主锁存器之间的联系，而 TG4 导通，G3 的输入Q 端和 G4 的输出端经 TG4 连通，构成双稳态存储单元电路，使从锁存器维持在原来的状态不变，即触发 器的输出状态不变。 （2）当 CP 由 0 跳变到 1 后， =0，C=1， ，使 TG1 断开，从而切断了 D 端与主锁存器的联系，同C 时 TG2 导通，将 G1 的输入端和 G2 的输出端连通，使主锁存器维持原态不变。这时，TG3 导通，TG4 断 开，将 端信号传输到 Q 端。若 =0，经 TG3 传送给 G3 的输入端，于是 =0，Q=1。 Q 可见，从锁存器在工作中总是跟随主锁存器的状态变化，触发器因之冠名“主从” 。它的输出状态 转换发生在 CP 信号上升沿到来后的瞬间，而触发器的状态仅仅取决于 CP 信号上升沿到达前瞬间的 D 信号，从功能上考虑成为 D 触发器。如果以 Qn+1表示 CP 信号上升沿到达后触发器的状态，则 D 触发器 的特性可以用下式来表示： Qn+1 = D 称为 D 触发器的特性方程。它反映了触发器在时钟信号作用后的状态与此前输入信号 D 的关系。 2.3 音乐芯片 音乐芯片是一种比较简单的语音电路，它通过内部的振荡电路，再外接少量分立元件，就能产生 各种音乐信号。音乐芯片是语音集成电路的一个重要分支，目前广泛用于音乐卡、电子玩具、电子钟、 电子门铃、家用电器等场合。 根据音乐输出的特点我们将音乐电路分为以下几类：单曲、复音、音乐带闪灯、唱歌。按封装形 式有 COB 黑膏软封装和三极管封装形式。基本外形如图 4 所示。 6 图 4 音乐芯片 音乐芯片的外部引脚根据厂家、型号、功能的不同各有不同，但主要引脚没有区别，图 4 给出的 是一种基本形式。 芯片各引脚的功能分别为： （1）VDD 和 VSS 分别是电源正端和负端，一般工作电压范围是 2.45.5V； （2）e、b、c 三焊孔用来焊接外接功放三极管； （3）OSC 是外接振荡电阻端，振荡电阻应接于 OSC 和 VDD 端间。值得注意的是，有些芯片的 OSC 是振荡阻容端，是外接振荡电阻和振荡电容的公共端，而有些芯片则不需要外接电容电阻； （4）TRIG 为触发端，高电平触发有效。 3系统设计方案 3.1系统整体设计模块 本设计方案可分为 4 个模块：红外探测模块，控制模块，发声模块，供电模块。如图 5 所示。其 中最关键的就是红外探测模块和控制模块。前者决定了整个设计方案的成败，而后者决定了能否实现 预期效果。 7 图 5 系统模块图 3.2红外探测模块 红外探测模块实现的功能是将感应到的人体红外线转换为可用的驱动电信号。本模块的红外感应 部分采用热释电红外线传感器。它能以非接触形式检测出人体辐射的红外线能量的变化，并将其转换 成电压信号输出。整个探测模块主要由光学系统，热释电红外传感器，信号滤波和放大信号处理构成。 如果使用独立元器件完成信号处理的各项功能会比较复杂。这里采用一种新型模块 HN911。 3.2.1 HN911红外探测模块原理 HN911是一款新型热释电红外探测器，采用双列6脚直插式封装。该传感器由于内部放大器集成了 温度补偿功能，可以将人体辐射信号从恶劣的环境辐射信号中分离出来进行处理，保证了传感器的工 作稳定性。它具有灵敏度高，抗干扰能力强，耐低温以及使用方便的特点。因而，HN911可在严寒或炎 热等恶劣环境地区使用。表1为HN911红外探测模块的性能指标。 表1 HN911红外探测模块的性能指标 型号 参数名称 通用型 HN911T 微功耗型 HN911L 低温型HN911D 工作电压 DC 5V10% DC 6V10% DC 5V10% 静态电流 1 mA 20 A 1 mA 工作温度 -2050 -2050 -3050 输出延时 2 S 2 S 2 S 内部放大器增益 70 dB 70 dB 70 dB 内部放大器频宽 0.37 HZ 0.37 HZ 0.37 HZ 探测范围（加透镜） 10 m 10 m 10 m 3.3.2 电路设计 由于 HN911 将热释电红外传感器的后续信号处理电路全部集成，输出信号即为可用信号，因此对 于本设计的红外探测模块可以直接由 HN911 构成，而不需要接任何外部电路。这里因为要判断方向， 故使用两个 HN911T。将其分别命名为 H1 和 H2，并排排列在顾客行走的垂直方向，其电路图如图 14 所示。因为要使顾客一进门就响，故可以把门铃固定于门的侧面，H1 靠门外侧，H2 靠门内侧。有人 进入时，必然先经过 H1，在经过 H2；而出门也必然先经过 H2，再经过 H1。根据两个 HN911 的 1 脚 高电平来临的先后次序，即可判断顾客是进还是出。 由于感应范围较宽，而两个红外传感器靠的较近，可以知道，它们有一部分重叠的感应区域，即 有一定的时间范围内两个传感器同时输出高电平。 8 图14 红外探测模块电路 3.4 控制模块 控制模块的功能是根据探测模块传来的信号进行判断，若判断结果为顾客进入，则输出高电平， 使发声模块工作；若判断结果为顾客离开，则输出低电平，发声模块不工作。因为发声模块正常工作 需要一定的时间，而非一个瞬时脉冲，故要求控制模块输出的高电平能持续一段时间。无疑，这里应 该用到触发器，对输出可以起到一定时间的保持作用。本次设计选用双 D 触发器 CD4013。 3.4.1 CD4013的工作原理 CD4013是CMOS双D触发器，内部集成了两个性能相同，引脚独立(电源共用) 的D触发器，采用14 引脚双列直插塑料封装，是目前设计开发电子电路的一种常用器件，它的使用相当灵活方便且易掌握， 受到许多电子爱好者的喜爱。 CD4013的管脚排列如图15所示，内部有两个完全相同的D触发器FF1和FF2。图中， D为数据输入 端，CLOCK为时钟脉冲输入端，Q和 一对互补的输出端，SET为置位端，RESET为复位端，VDD和VSS分Q 别为电源正负端 14。 9 图 15 CD4013管脚图 CD4013 的功能表如表 2 所示。由表中可知，当 RESET=SET=0 时，在 CLOCK 上升沿的作用下， Q 端状态与 D 端相同，即 Q=D，也就是将 D 端数据置于触发器；当 RESET=1，SET=0 时，电路复位， Q=0；当 RESET=0，SET=1 时，电路置位，Q=1。后两种情况无需时钟脉冲和数据端配合。一般情况 下不允许同时在 RESET，SET 两端加上高电平，因为此时触发器的两个输出端均为高电平，是不正常 的工作状态。 表 2 CD4013功能表 CLOCK D RESET SET Q 0 0 0 0 1 0 0 1 1 0 0 0 1 1 3.4.2CD4013的工作方式 CD4013 共有 4 种工作方式：数据锁存方式、单稳态工作方式、无稳态工作方式、双稳态工作方式。 本次设计主要运用单稳态工作方式 图 18 和图 19 分别是为 D 触发器单稳态工作方式电路图和输出波形图。在时钟脉冲作用下，Q 端 由 0 跳到 1，并通过 R1 向电容 C1 充电，当电容 C 上电压 Vc 上升门限电压 VT（1/2Vcc） 时，触发 器被强迫复位，Q 端由 1 自动跳到 0，同时，Vc 通过二极管 D1 迅速放电，为下一周期的工作做好准备。 10 在单稳态工作方式中，Q 端的 0 态为稳态，而 1 态称为暂稳态，t w为暂稳态宽度，由 R1 和 C1 决定： tw=0.693R1C1。D 触发器构成定时器，消抖动电路都工作于单稳态方式。 图 18 单稳态工作方式 图 19 单稳态工作方式输出波形图 3.4.3 电路设计 首先，需要进一步详细明确设计目标： （1）运用两个 D 触发器，红外感应模块中的 H1 和 H2 作为 D 触发器的脉冲控制端使用，假设 D1 触 发器接 H1，D2 触发器接 H2，以 D2 触发器的输出端 Q2 作为控制模块总输出端，接后续电路模块； （2）当 H1 和 H2 输出低电平（即无人进出）时，应使得 D2 触发器的脉冲端被封锁，防止因干扰触 发致使 Q2 跳变为高电平； （3）当 H1 先输出高电平时，说明顾客是进入，应及时解锁 D2 脉冲端 CP2，以便 H2 输出高电平时， Q2 跳变为高电平，使发声模块工作； （4）当 H2 先输出高电平时，说明顾客是离开，D2 脉冲端继续封锁，Q2 输出保持低电平。同时， 再当 H1 输出高电平时仍不能解锁 D2 脉冲端； 11 （5）当顾客进入时，Q2 输出高电平，应持续一定的时间，使发声模块正常完整工作后自动变为低 电平。 根据这些具体要求，电路设计如下图 24 所示。这里用到了 CD4013 的单稳态工作方式。 图 24 控制模块电路图 当无人进出时，红外探测模块的 H1 和 H2 的输出为低电平，两个 D 触发器的复位端 R1 和 R2 为低 电平不起作用，Q1 和 Q2 输出也为低电平，电路处于等待状态。此时，H2 的输出经与非门作用在 D1 上， 使得 D1 保持高电平。由于 Q1 输出低电平，H2 的输出无法通过与非门作用在 D2 脉冲端 CP2 上，即 H2 的探测信号被封锁，即使 H2 输出高电平，后续电路也无法接收到。 当顾客进门时，先经过 H1，H1 输出的高电平作用于 CP1 端，使得 Q1 输出高电平，H2 封锁解除。 顾客再经过 H2 时，H2 输出的高电平经两个与非门后使 CP2 出现一个正脉冲，Q2 翻转为高电平，后续 电路开始工作，同时 D1 变为低电平。Q2 输出的一个支路开始给 C1 充电，随着 C1 上的电压不断升高， D 触发器的复位端 R 工作，Q1 和 Q2 重新变为低电平。C1 通过二极管向 Q2 放电，C1 两端电压降低使 R 恢复低电平。顾客完全走出 H2 的感应范围后，D1 回复高电平。这里面，控制模块输出端 Q 持续输出 高电平的时间由 R2 和 C1 决定，t0.693 R2C1，大概约为 2.2 秒，足够支持扬声器播报完预置语音。 如果后续发生电路需要更长的高电平支持，只需适当调整 R2 和 C1 即可。 当顾客离开时，先经过 H2，H2 输出高电平促使 D1 跳变为低电平，且由于 Q1 的低电平封锁与非 门，H2 信号无法传输到 CP2，Q2 状态不变，后续电路无法工作。顾客再经过 H1 时，因为此时仍处于 H2 的探测范围（两传感器有重叠感应区域），D1 保持低电平。所以尽管 CP1 出现正脉冲信号，Q1 继 续保持低电平不变，H2 始终处于封锁状态，确保不出现误报。顾客走出 H2 感应区后，D1 恢复高电平， 系统重新进入等待状态。 这里如果不使用 H2 控制 D1，将 D1 如同 D2 一样始终接至高电平，则当连续有顾客出门时就会产 12 生误报。原理很简单，当第一位顾客离开时，虽然模块输出 Q 保持低电平不变，但他经过 H1 时会给一 个正脉冲信号使 Q1 输出高电平，导致 H2 端的封锁解除。如果此时再有一位顾客离开，H2 探测到的信 号毫无阻碍的传输到 CP2，Q2 输出高电平，电路工作，出现误报 16。 3.5 发声模块 发声模块的设计比较简单，如图 25 所示。这里选用 KD5603 语音芯片，内含“欢迎光临”的预存 语音。三极管选用 9013，扬声器采用 8，0.25W。 平时，因音乐芯片触发端无信号，电路处于等待状态，扬声器不发声。一旦控制模块输出高电平， KD5603 的触发端 TRIG 受高电平触发，芯片内部输出储存的语音信号，经三极管放大后推动扬声器发 声。 图 25 发声模块电路图 3.6 供电模块 根据前面各个模块的元件，芯片要求，采用+5V 直流电源供电。 3.7 系统整体电路图 这个设计方案的完整电路图如图 26 所示。下面再累述一遍完整的工作原理。 13 图 26 设计方案电路图 无人进出时，传感器无感应信号输出，触发器 D1 输出低电平使 H2 的输出信号被封锁，触发器 D2 输出低电平使扬声器不会发声，整个电路处于等待状态。 如果有人进入，H1 先输出正脉冲信号，Q1 输出高电平，H2 解封锁。随后 H2 输出的正脉冲信号 使触发器 D2 输出高电平，促使音乐芯片输出语音信号，在经三极管放大信号，扬声器工作，同时电容 C1 被充电。直到 C1 上电压达到 R 的工作电压，Q1、Q2 被迫复位，音乐芯片不再输出语音信号，扬声 器停止工作。同时 C1 经二极管向 Q2 放电，R 回复低电平。 如果有人离开，H2 先输出的正脉冲信号在与非门处被 Q1 封锁，无法传递到后续电路，扬声器不 工作。 4.系统仿真 此次用到的仿真工具是 protel 软件。P rotel 99SE 共 分 为 5 个 模 块 ， 分 别 是 原 理 图 设 计 ， PCB 设 计 （ 包 含 信 号 完 整 性 分 析 ） ， 自 动 布 线 器 ， 原 理 图 混 合 信 号 仿 真 ， PLD 设 计 。 这 里 主 要 用 到 原 理 图 设 计 和 仿 真 。 4.1 绘 制 原 理 图 要想在 Protel 中 实 现 仿 真 ， 则 绘 制 原 理 图 时 应 该 选 择 定 义 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 个 都 链 接 到 标 准 得 SPICE 模 型 ， 5800 个 仿 真 用 元 件 分 别 在 Sim.Ddb 数 据 库 的 28 个 库 中 。 尽 管 仿 真 元 件 很 多 ， 但 仍 不 能 满 足 要 求 ， 例 如 这 里 用 到 的 HN911 和 音 乐 芯 片 就 无 法 仿 真 。 因 此 这 里 只 对 控 制 模 块 进 行 仿 真 。 因 为 我 们 已 经 知 道 HN911 的 输 出 参 数 ， 故 可 以 用 信 号 源 进 行 模 拟 替 代 ， 不 影 响 整 个 设 计 的 正 确 性 。 而 且 通 过 前 面 的 分 析 ， 只 要 控 制 模 块 运 行 正 常 ， 整 个 设 计 就 基 本 不 存 在 问 题 。 控 制 模 块 的 仿 真 原 理 图 如 图 28 所 示 。 图 28 控 制 模 块 仿 真 原 理 图 14 图 29 仿 真 元 件 清 单 在 Protel 的仿真原理图中，为了使用具有仿真特性的器件，将设计中使用到的集成芯片拆分成 基本逻辑电路。CD4011 四 2 输入与非门用 3 个 4011 单与非门表示，CD4013 双 D 触发器用 2 个 4013D 触发器表示，电阻 RES 设置阻值 1M，电容 CAP 设置 3.3uF。H1 和 H2 的信号使用矩形脉冲信号源替代 表示，设置周期 4s，脉冲宽度 400ms。图 29 显示的是仿真元件清单。 4.4 仿真结果分析 （ 1） 顾 客 进 入 情 况 设 置 信 号 源 V1 延 迟 400ms， V2 延 迟 600ms， 如 图 30 和 图 31 所 示 ， 表 示 H1 先 接 收 到 信 号 ， 即 顾 客 进 入 。 由 于 脉 冲 宽 度 400ms， 使 得 它 们 有 200ms 的 时 间 都 处 于 高 电 平 状 态 ， 表 示 人 处 于 两 个 红 外 传 感 器 的 重 叠 感 应 区 域 。 仿 真 结 果 如 图 32 所 示 。 可 以 看 出 ， 顾 客 进 入 时 ， 一 进 入 H2 的 探 测 区 域 后 ， 控 制 模 块 就 开 始 输 出 高 电 平 ， 使 得 后 续 的 发 声 电 路 开 始 工 作 ， 电 容 被 充 电 。 当 电 容 上 的 电 压 达 到 复 位 端 的 工 作 电 压 时 ， 输 出 端 回 复 低 电 平 ， 电 容 迅 速 放 电 ， 等 待 下 一 次 的 信 号 来 临 ， 符 合 设 计 预 想 。 15 图 30 模 拟 H1 输 出 的 信 号 源 V1 参 数 设 置 16 图 31 模 拟 H2 输 出 的 信 号 源 V2 参 数 设 置 这里，我们发现输出端高电平的持续时间大约为 2 秒，与理论的 2.2 秒存在着 9%的误差，基本 上对电路不起任何影响。 图 32 顾 客 进 入 时 仿 真 结 果 （ 2） 顾 客 离 开 情 况 设置信号源 V2 延迟 400ms，V1 延迟 600ms，其它参数与情况（1）中的信号源设置相同，表示 H2 先接收到信号，即顾客离开。仿真结果如图 33 所示。 17 可以看出，无论是输出电平还是电容电压始终保持低电平不变（这里实际上输出处有电压，约为 几百毫伏，可以认为是低电平） ，说明顾客离开时扬声器不会发声，电路不工作，符合设计预想。 图 33 顾 客 离 开 时 仿 真 结 果 综合两者的情况，仿真的总体结果还是比较理想的，虽然存在误差，但不影响电路的正常工作。 这说明设计方案在理论上不存在原则性的错误，而在器件选择，参数设置，电路的稳定性，外界干扰 等综合因素的考虑上还有待改进。 5 结论 本文根据现有的芯片及技术，运用数字电路和模拟电路知识，设计了一个简单可用的红外感应式 门铃。在实现了最基本的感应并发声的门铃功能后，通过改进，使得门铃可以判别顾客行走方向，为 继续增加拓展功能预留空间。并且通过仿真，证实设计的可用性。 以此设计为基础，还可以增加一些功能。比如，将音乐芯片改用 HFC5218 五合一语音芯片。该芯 片内存储有“您好，欢迎光临”、“您好，谢谢光临”、“欢迎光临”、“谢谢光临”和“您好”五 段礼貌用语，可分别通过其外设的五个触发端进行触发。通过稍微修改控制电路，或者最直接的就是 将电路功能全部反向后与原电路组合，可以实现顾客进入响起“欢迎光临”的问候语，而顾客离开响 起“谢谢光临”的问候语。再比如，将音乐芯片 LP1200-02，它具有叮咚 2 声、“欢迎光临”、报警 三种状态，白天将门铃当做迎宾器使用；晚上无人时，通过开关调节至报警状态，使电容充电导致复 位端生效这一功能被屏蔽，加上其它的必要改动后，那么只要有人进入感应区，门铃会持续不间断报 警，实现了门铃的多用途。 从整个设计过程和设计方案可以看出，此方案无论是基本原理、使用到的芯片的复杂度和各种元 器件的数量，还是最后的连线布局，都是非常浅显易懂的。除了红外探测模块使用到的 HN911 芯片， 是比较新型的一种型号，价格也稍高外，其他器件都是非常常用、廉价的。作为厂家或个人而言，尽 量使用普通工具、低廉成本实现我们的设计目标也是实际操作中应考虑的一个方面。 本文最终目的是设计出一个感应式门铃，但更多的是展示红外感应技术在日常生活中的应用。同 样在这里最应该深入研究和掌握的也是红外感应技术。真正的红外感应技术可以说体现了一个国家的 科技水平，在军事、工农业上均有非常重要的地位，是目前乃至今后一段时期内一个重点发展方向， 因此非常具有研究价值。 可以说就熟悉元件、芯片属性，深入领会理论知识，学会运用常用器件制作实用小电路，提高个 人动手实践能力，学会实际电子产品的设计流程而言，此门铃设计已经达到了目标。当然就实际应用 18 而言，本设计还存在着一些缺陷。这里的设计方案是考虑在一个比较良好的外界环境下使用的，对于 各种外界干扰因素都没有过多的考虑，而且在电路的安全稳定性方面也没有做太多的深究，省略了一 些保护性的元器件，这些都可能导致在实际生活应用上存在着误报或者无法工作甚至电路损坏的问题。 总的来说，此红外感应式门铃的设计对研究红外感应技术具有一定的参考价值。相信在此基础上， 根据具体探测环境，充分考虑影响传感器的因素，合理修改、优化信号处理电路，增加电路功能，减 少误检测，提高电路稳定性，就可以达到比较完美的非常实用的感应式门铃。 参考文献 1 Antoni RogalskiInfrared detectors:status and trendsJProgress in Quantum Electronics2003 2 闫军，庄乾章热释电红外传感器的类别特性及应用J长春大学学报2004第 14 卷第 6 期：22-24 3 赵广林常用电子元器件识别/检测/ 选用一读通M 北京：电子工业出版社2007 4 Toreyin B UFlame 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based on grasping the pyroelectric infrared sensors basic principles and basic analog circuits, XX digital circuit theory of knowledge (including non-gate, D flip-flop, transistors, capacitors, resistors, speakers, etc.). Then it i