红外感应式电子迎宾器的设计

福 建 师 范 大 学 应 用 科 技 学 院学 生 论 文论文题目： 红外感应式电子迎宾器的设计 指导教师： 施文灶 学 号： 120352010030 姓 名： 温 华 年 级： 2010级 专 业： 电子信息工程 二0一四 年 五 月 十五 日红外感应式电子迎宾器的设计学院：应用科技学院 专业：电子信息工程 学号：120352010030 姓名：温华 指导教师：施文灶【摘要】本设计主要由HN911新型热释电红外探测器、双D触发器CD4013控制电路、KD5603语音芯片等设计出简单的红外感应式电子迎宾器。常用于商铺，能自动感应到顾客的到来，立即发出迎宾语。譬如：顾客进店时，能够发出“您好，欢迎光临！”等语音内容，起到了礼貌问候，从而做到提醒店员有人进店和迎宾的双重作用，所以本设计的出现完全可以替代迎宾小姐24小时的工作。【关键词】红外线；热释电红外传感器；D触发器；迎宾器。 目 录1. 概述31.1课题研究背景、内容及意义31.2 研究国内外现状及发展31.3 课题的具体要求及任务32. 系统总体方案设计32.1 总体的设计方案32.2 总体的设计原理框图43. 系统基本工作原理43.1 红外传感器43.1.1 热释电红外传感器53.1.2 菲涅尔透镜53.1.3 HN911热释电红外线传感器53.2 D触发器63.3语音电路64. 系统整体设计模块74.1 感应模块74.2 控制模块74.3 语音模块94.4 供电模块94.5系统总体电路图95. 总结10参考文献111. 概述1.1课题研究背景、内容及意义迎宾器是近些年才有的常用于小型商铺，超市起迎宾防盗作用的电子产品。迎宾器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喜爱，顾客一进门就报出欢迎语音，起到了礼貌问候，从而做到提醒店员有人进店和迎宾的双重作用。1.2 研究国内外现状及发展随着近几年科学技术的进步，现代电子技术几乎在各个领域备受青睐。近年来，西方发达国家运用电子技术研制出各类迎宾器，广泛用于家庭，办公室和工厂，成为有效的迎宾器件。我国自改革开放以来，由于商品经济迅速发展和人民生活日益改善，人们对于先进的电子技术实现迎宾的兴趣和需求与日俱增，当前市场上迫切需要一种适合我国国情，价格低廉，性能可靠的迎宾装置，适合在家庭、宾馆、商店、仓库、办公室及其它机关部门等使用的新颖感应电子迎宾器。现代的迎宾器是在针孔效应中得到启发，利用人体移动致使环境红外线的微小变化控制语音电路发出“您好，欢迎光临！”的声音，给人带来亲切感。该迎宾器不只小巧精致成本低，并且集成度也是格外的高，制造热释电红外探测元的高热电材料是一种广谱材料，它的探测波长范围为0.22m。为了对某一波长范围的红外辐射有很高的敏感度，该传感器在窗口上加装了一块干涉滤波片，这种滤波片除了准许某些波长范围的红外辐射经过外，还能将灯光、阳光和其它红外辐射拒之门外，它已迅速成为现代迎宾的主流。总而言之，未来几年迎宾器的发展趋势是：产品技术将在数字化、无线化、集成化的前提下力求突破。而在应用市场上，它将朝更细化的方向前进，针对不同的市场，推出不同产品。以成长最快的公共场合超市为例，已经有专为超市设计的定向适合这种场合用的红外线迎宾系统。而除了商店，家庭，办公室等，室外应用更是具有无限的拓展空间。1.3 课题的具体要求及任务要根据现有的已市场化的感应迎宾器的制造原理，在掌握感应技术，特别是红外感应技术的基础上，采用感应模块加上必要的芯片及元器件，设计一个简单实用廉价的感应式电子迎宾器。要求重点在于掌握设计原理，并将书本所学与实际相结合，提高实践能力，熟悉电路设计的基本流程和方法，熟悉常用的电子元件、芯片参数并能熟练使用它们。通过研究设计感应式电子迎宾器，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. 系统总体方案设计2.1 总体的设计方案本设计设想用于商铺门口，当有顾客进入时，装置自动响起“您好，欢迎光临！”或者其他音乐的预置声音，既起到迎宾作用，也提示店主有顾客进入，出门则不提示。 这样不仅实现了感应式迎宾器的基本要求，而且由于可判别人体行走方向，为以后的拓展功能预留了空间，以便后续实现附加功能。比如：店铺关门后可调整至报警状态等。 红外感应式电子迎宾器的整体框图本设计方案可分为4个模块：红外传感模块，控制模块，语音模块，供电模块。如图2-1所示，其中最关键的就是红外传感模块和控制模块。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想的效果。2.2 总体的设计原理框图 感应模块 控制模块 语音模块 供电模块 音频信号 图2-1总体设计框图l 在感应模块，预选用热释电红外线传感，只对人体发出的特定红外波长有感应效果，屏蔽了其他外界影响引起的误报。由于要确定顾客的行走方向，故需要两个探测感应模块，根据信号产生的先后顺序来判别是进还是出。l 在控制模块，使用门电路，触发器和独立的元器件，通过组合，使控制电路可以根据感应模块产生的不同信号来判别顾客的进出，从而产生不同的控制信号，得到不同的响应功能。l 在语音模块，采用内置特定音乐的音乐芯片，搭配小功率喇叭，实现发声功能。这里使用的音乐芯片，可以选用动听的乐曲，也可以使用“您好，欢迎光临！”等语音芯片。l 在供电模块，采用5V直流电源供电。3. 系统基本工作原理3.1 红外传感器红外传感器特别是利用远红外线范围的感度做为人体检出用，红外线的波长比可见光长而比电波短。红外线让人觉得只由热的物体放射出来，可是事实上不是如此，凡是存在于自然界的物体，如人类、火、冰等等全部都会射出红外线，只是其波长因其物体的温度而有差异而已。人体的体温约为3637C，所放射出峰值为910M的远红外线，另外加热至400700C的物体，可放射出峰值为35M 的中间红外线12。红外线又称红外光，它具有反射、折射、散射、干涉、吸收等性质。红外辐射是由于物体（固体、液体、和气体）内部分子的转动及振动而产生的。这类振动过程是物体受热而引起的，只是在绝对零度（273.16）时，一切物体的分子才会停止运动。任何物质，只要它本身具有一定的温度，都能辐射红外线。红外传感器利用红外辐射与物质相互作用所呈现的物理效应探测红外辐射的传感器，多数情况下是利用这种相互作用所呈现的电学效应3。3.1.1 热释电红外传感器 因为红外线是不可见光，有很强的隐蔽性和保密性，因此在防盗、戒备等安保装置中得到了广泛的使用。此外，在电子防盗、人体探测等领域中，被动式热释电红外传感器也以其价格低廉、技术性能稳定等特点而受到广大用户和专业人士的青睐4。目前国内运用的各类防盗、保安报警器基本都是以超声波、主动式红外发射/接收以及微波等技术为基础。而这里所设计的感应式电子迎宾器则采用了传感元件热释电红外线传感器5。热释电红外线传感器能以非接触形式检测出人体辐射的红外线，并将其转变为电压信号，同时，它还能辨别出运动的生物与其它非生物。热释电红外线传感器既可用于防盗报警装置，也可以用于自动控制，接近开关、遥测等范畴。用它制造的防盗报警器与当前市场上销售的许多防盗报警器材对比，具有如下特点：不需要用红外线或电磁波等发射源。灵敏度高、控制范围大。隐蔽性好，可流动安装6。图3-1 热释电红外传感器结构 图3-2 热释电红外传感器结构及内部电路 3.1.2 菲涅尔透镜菲涅尔透镜多是由聚烯烃材料注压而成的薄片，镜片表面一面是光面，另一面刻录了由小到大的同心圆。菲涅尔透镜可依照光学设计或结构进行分类。菲涅尔透镜作用有两个：一是聚焦作用;二是将勘探区域内分为若干个明区和暗区，使进入勘探区域的移动物体能以温度改变的方式在PIR上发生变化热释红外信号。菲涅尔透镜在很多时候相当于红外线及可见光的凸透镜，效果较好，但成本比一般的凸透镜低许多。多用于对精度要求不是很高的场合，如幻灯机、薄膜放大镜、红外探测器等7。3.1.3 HN911热释电红外线传感器HN911是一款常用的热释电红外线传感器，采用双列6脚直插式封装。内部结构图如图3.3所示。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可在极寒或极热等恶劣环境地区运用8。HN911模块内放大器具有温度补偿功能。传感器作业时，人体辐射和周围环境红外辐射一同进入传感器。当气温升高时，背景红外辐射增强，传感器本身极化强度即传感器输出的热释电信号减小，将显著影响对人体的探测。因而，内部的温度补偿电路，使放大器的增益随着环境温度的升高而升高，最后确保了该传感器的温度稳定性。 图3-3 HN911模块的内部电路结构3.2 D触发器锁存器是一种基本的记忆器件，它能够存储一位元的数据。因为它是一种时序性的电路，因此并不需要时钟输入，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从输入D的状态而改变，其他时分Q则维持不变。当前常用的触发器主要有三种电路结构：主从触发器，维持阻塞触发器和利用传输延迟的触发器。而D触发器主要是前两种结构。3.3语音电路音乐芯片是一种比较简单的语音电路，它经过内部的振荡电路，再外接少数分立元件，就能发出各种音乐信号。音乐芯片是语音集成电路的一个重要分支，当前普遍用于电子钟、电子门铃、家用电器、音乐卡、电子玩具等场合。 依据音乐输出的特点我们将音乐电路分为以下几类：唱歌、复音、单曲、音乐带闪灯。按封装方式有COB黑膏软封装和三极管封装形式。4. 系统整体设计模块4.1 感应模块 红外传感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。整个感应模块主要由光学系统，热释电红外线传感器，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，即HN911。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传感模块可以直接由HN911构成，而不需要外接任何电路。这里因为要判断方向，故采用两个HN911。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4.1所示。因为要使顾客一进门就响，故可以把装置固定于门的侧面，H1靠门外侧，H2靠门内侧。有人进入时，必然先经过H1，再经过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。 图4-1 红外传感模块电路4.2 控制模块控制模块的功能是根据感应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，使语音模块工作；若判断结果为顾客离开，则输出为低电平，语音模块不工作。 因为语音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，与非门选用CD4011四2输入与非门，D触发器选用CD4013双D触发器，电阻使用1M的碳膜电阻器，电容使用3.3uF的瓷介电容器，二极管使用1N41489 。本模块电路设计如下：使用两个D触发器，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；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；当H1先输出高电平时，表示顾客进入，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，使语音模块工作；当H2先输出高电平时，表示顾客离开，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；当顾客进入时，Q2输出高电平，应持续一定的时间，使语音模块正常完整工作后自动变为低电平。根据这些具体要求，电路设计如图4-2所示。这里用到了CD4013的单稳态工作方式10。图4-2 控制模块当没人进出时，感应模块的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。 当有人进门时，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。 当有人离开时，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，即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11。4.3 语音模块语音模块的设计比较简单，如图4-3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 12 。 图4-3 语音模块平时，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。 4.4 供电模块根据前面每个模块的元件，芯片要求，采用+5V直流电源供电。4.5系统总体电路图本设计的总体电路图如图4-4所示：图4-4 总体电路图本设计的工作原理：当无人进出时，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。 若是有人进入，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。 若是有人离开，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。5. 总结本设计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电子迎宾器。在实现了最基本的感应并发声的迎宾器功能后，通过改进，使得本装置可以判断顾客行走方向，为继续增加拓展功能预留空间。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以及各元器件的数量，到最后的连线布局，都是非常简单明了的。除了感应模块使用到的HN911芯片，价格也稍高外，其他的器件都是非常的常见、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。 本文旨在设计出一个红外感应式电子迎宾器，但更多的是展示红外线感应技术在日常生活中的应用。同样在这里最值得深入研究和掌握的也是红外线感应技术。真正的红外线感应技术可以说体现了一个国家的科技水平，在军事、工农业上面均有尤为重要的地位，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，此迎宾器设计已经达到了目标。当然就实际应用而言，本设计还存有一些缺陷。本设计方案是考虑在一个较为良好的外界环境下使用的，忽略了各种外界干扰因素，并且在电路的安全稳定性方面也没有做过多的研究，省略了一些保护性的元器件，这些都有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。 总体说来，红外感应式电子迎宾器的设计对研究红外线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红外感应式电子迎宾器。 参考文献1 杰哈.红外技术应用M.化学工业出版社，20042 瞿贵荣.热释电红外传感器的结构原理及特性J.家庭电子，2005，第8期：54.3 何希才.传感器及其应用实例D.北京：机械工业出版社，20044 吕璠.热释电红外报警器的设计A.廊坊师范学院学报，2008，第9卷，第3期：62-64.5 艾礼貌.浅谈热释电红外传感器报警系统J.中国科技财富，2009，第4期：10.6 陈永甫.红外探测与控制电路P.北京：人民邮电出版社，20047 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