应物-红外感应式语音门铃电路设计.doc

东 北 石 油 大 学课 程 设 计课 程 光电检测技术 题 目 红外感应式语音门铃电路设计 院 系 电子科学学院 专业班级 应物09-1班级 学生姓名 学生学号 指导教师 2013年3月1日大庆石油学院课程设计任务书课程 光电检测技术题目 红外感应式语音门铃电路设计专业 姓名 学号主要内容： 应用KD5223语音专用集成电路，TX05D红外集成传感器，设计一红外感应式语音门铃电路，使其当有人接近时发出“请开门”的声音。基本要求：1） 设计红外感应式语音门铃电路设计功能框图。2） 设计红外探测电路、模拟语音电路、音频功率放大电路、电源变换电路。3） 当客人离门1米左右时发出“请开门”的声音。4） 调试安装。5） 完成课程设计总结报告。主要参考资料：1）陈有卿编著. 新颖集成电路制作精选M.人民邮电出版社, 2005.4.2) 陈振官，陈宏威等编著.光电子电路制作实例M. 2006.4.3) 黄继昌等编著.检测专用集成电路及应用M. 2006.10.完成期限 2013.2.252013.3.1 指导教师 专业负责人 2013年2月25日第1章 概述1.1目的及意义门铃历史悠久，现代社会最常见的是电子门铃。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。随着经济的发展，门铃也已经不单纯作为居家提醒来客的工具了。善于创新的人类会去思考，门铃是否可以用来提醒主宾双方，是否可以既用于迎宾又用于防盗。感应门铃就是在这种探索中产生。 感应门铃又称迎宾器，是近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。感应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，从而做到提醒店员有人进店和迎宾的两重作用。 本次设计就是要根据现有红外感应门铃技术，在掌握其设计原理的基础上，利用红外探测器加上必要的芯片及元器件，制作一个简易实用廉价的感应门铃。 1.2基本内容和设计方案1.2.1基本内容 1）了解红外感应探测技术，重点掌握热释电红外传感器的原理，掌握常用逻辑芯片及独立元器件的应用情况，熟悉常见红外感应器件的性能参数。了解语音芯片的型号及存储内容。了解可能使用的常见芯片及独立元器件的价格； 2）根据理论知识及实际需要与成本限制，分析需要使用的模块，构建完整模型，进行模块分析，设计出合理完善的技术方案，另外注意功能的拓展功能实现的难易程度，及拓展模块与原电路的兼容性；3）根据所设计的方案，完成电路仿真。 1.2.2 技术方案 本方案设想用于商铺门口，当有顾客进入时，门铃自动响起“请开门”声音，提醒店主有人进入并起欢迎顾客的作用。而在顾客离去时，门铃不发声。并且电路应具有一定的拓展空间，以便后续实现附加功能。在供电模块，采用5V直流电源供电。功能实现后可考虑增加拓展模块，如当顾客出门时发出另一种提示音，或者在商铺无人时，模式改为报警门铃等。 第2章 感应门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热释电传感器 红外传感器可分为两类：主动式红外传感器和被动式红外传感器。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。传感器本身不发射任何能量而只被动接收、探测来自环境的红外辐射。传感器安装后数秒种已适应环境，在无人或动物进入探测区域时，现场的红外辐射稳定不变，一旦有人体红外线辐射进来，经光学系统聚焦就使热释电器件产生突变电信号，而发出警报。被动红外传感器形成的警戒线一般可以达到数十米。被动式红外传感器主要由光学系统、热传感器（或称为红外传感器）等部分组成。其核心是红外探测器件，通过光学系统的配合作用可以探测到某个立体防范空间内的热辐射的变化。红外传感器的探测波长范围是814m，人体辐射的红外峰值波长约为10m，正好在范围以内。被动式红外传感器由于探测性能好、易于布防、价格便宜而被广泛应用。其缺点是相对于主动式传感器误报率较高。感应式门铃的应用范围和设计要求决定了它应该是具有一个面的探测范围，而且应该只对人体产生有效信号，这就排除了主动式红外传感器。再根据单波束和多波束PIR的比较，综合考虑，决定使用被动式多波束型红外传感器。热释电红外传感器就是这种类型的传感器。2.1.2 红外辐射与热释电效应红外辐射：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。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。2.1.3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2-1和图2-2所示图2-1 热释电红外传感器结构图2-2 热释电红外传感器结构及内部电路2.1.4 热释电红外传感器的类别及特性 热释电红外传感器按内部安装敏感元件个数多少，又可分为单元件、双元件、四元件及特殊形式等几种，最常见的为双元件型。所谓双元件就是在一个传感器中有两个反相串联的敏感元件，其特点是：（1）当入射能量顺序地射到两个元件上时，其输出要比单元件高一倍；（2）由于两个元件逆向串联，对于同时输入的能量会相互抵消，可防止太阳或灯头等红外线引起误动作；（3）可防止因环境温度变化引起的检测误差；（4）常用的敏感元件还具有压电效应，所以双敏感元件还可以消除因振动引起的检测误差。特殊形式有温补单元型，主要用于辐射高温计、气体分析设备、火焰检测器等。目前常用的热释电红外传感器型号主要有P228、TX05D、RE200B、KDS209、PIS209、LHI878、PD632等。热释电红外传感器通常采用3引脚金属封装，各引脚分别为电源供电端（内部开关管D极，DRAIN）、信号输出端（内部开关管S极，SOURCE）、接地端（GROUND）。TX05D红外集成传感器如图2-3所示。图2-3 TX05D红外集成传感器应用连接图2.2 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2-4所示。图2-4 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2-4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。第3章 系统设计方面3.1 系统功能分析 本方案设想用于商铺门口，当有顾客进入时，门铃自动响起“请开门”（或者其他语音）的预置声音，既起到迎宾作用，也提示店主有顾客进入；而当顾客离开时则不提示。这样不仅实现了感应式门铃的基本要求，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（比如顾客出门时提示“谢谢光临”的预置音或者店铺关门后可调整至报警状态等）。3.2 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3-1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。红外探测模块控 制 模 块发 声 模 块供 电 模 块图3-1 系统模块图3.3 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TX05D。3.3.1 TX05D红外集成传感器的简介TX05D外形和引线见图1所示 它是一体化结构，使用非常方便全部电路焊装在1 只46 mm32 mm17 mm 不包括安装支架D 的塑料盒内 盒的侧面设有工作状态指示灯和灵敏度调节孔，红色发光二极管用来指示近红外传感器的工作状态，平时熄灭，有反射物时发光 灵敏度调节孔用来调节反射检测距离，顺时针调距离增大，逆时针调距离减小TX05D 通过1 条1.5 m 的双芯屏蔽线作为输出引线，其中红色线为电源正极，白色线为输出端，屏蔽线 铜网D 接电源负极 在近红外传感器的有效检测区范围内，若有人和物体存在，输出端白色线上的电压为高电平，若没有反射物，则输出为低电平 实际应用时，如果引出线长度不够，可根据需要加长。图3-2 TX05D红外集成传感器模块内部电路结构TX05D 工作电压为512 V 极限电压15 V 工作电流520 mA 最大30 mA 检测距离为1. 2 m0TX05D 工作原理，当TX05D 接通电源后模块内部的红外发射管向前方发射38 kH 的调制红外光信号 一旦有人进入( 或有物体存在)有效检测范围内时红外光信号就会有一部分被反射回来 红外接收管接收后由内部电路转换成同频率的电信号 再经放大，解调，整形，比较处理后在输出端输出高电平信号。由于TX05D 使用了调制技术和采用进口带补偿的抗干扰器件 在一定程度上解决了抗干扰问题。TX05D红外集成传感器具有温度补偿功能。探测器工作时，人体辐射和周围环境红外辐射一起进入传感器。当气温升高时，背景红外辐射增强，传感器自身极化强度即传感器输出的热释电信号减小，将明显影响对人体的探测。因此，内部的温度补偿电路，使放大器的增益随环境温度的升高而升高，从而保证了该传感器的温度稳定性。3.3.2 电路设计由于TX05D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TX05D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TX05DT。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3-3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TX05D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3-3 TX05D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，CD4013的管脚排列如图3-4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分别为电源正负端。图3-4 CD4013管脚图CD4013的功能表如表3-1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。如表3-1 CD4013的功能表CLOCKDRESETSETQ000010011000113.4.3 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；（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3-5所示。这里用到了CD4013的单稳态工作方式。图3-5 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。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。3.5 发声模块发声模块的设计比较简单，如图3-6所示。这里选用KD5223语音芯片，内含“请开门”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3-6 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3-7所示。下面再累述一遍完整的工作原理。图3-7 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。第4章 系统仿真4.1 仿真流程图使用Protel进行电路仿真有一定的次序性，中间每一项都不可少，特别是建立Spice网络表，每次修改原理图后，都要重新建立Spice网络表。流程图如下图4-1所示。 开始创建项目新建SEh文件绘制原理图修改元器件参数开始 仿真 建立Spice网络表 电器规则检查图4-1 仿真流程4.3 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TX05D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TX05D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。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4-2所示。 图4-2 控制模块仿真原理图 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4-3显示的是仿真元件清单。图4-3 仿真元件清单 4.4 仿真结果分析 顾客进入情况 设置信号源V1延迟400ms，V2延迟600ms，如图4-4和图4-5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。 图4-4 模拟H1输出的信号源V1参数设置 图4-5 模拟H2输出的信号源V2参数设置 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。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4.6 顾客进入时仿真效果综合两者的情况，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。第5章 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。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