感应式门铃设计毕业论文

1、青岛理工大学毕业论文题目：感应式门铃设计学生姓名：学生学号：院系名称：机电工程系专业班级：计算机辅助设计与制造 121 班指导教师：梁倩2014 年 6 月 *毕业设计 （ 论文） 任务书专业 计算机辅助设计与制造 班级 112 班 姓名 * 下发日期 2013-11-28题目感应式门铃设计专题单片机主 要 内 容 及 要 求主要内容：本论文主要应用红外感应探测技术实现感应式门铃的设计功能，了解感应技术的原理及 应用，重点掌握红外感应技术的原理。在探测模块，预选用热释电红外探测模块，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 。其电路可 以自动判别人体的进出

2、方向并使门铃做出不同的响应。完成对整个电路的仿真。要求：（ 1）了解单片机，并构思单片机选型的思路。（ 2）绘制电路图，并根据 C语言编写源程序。（ 3）对程序流程进行分析，制作软件流程图。主 要 技 术 参 数（ 1）该设计中使用 STC89C52单片机作为主控制器；（ 2）仿真系统运用 Labcenter 公司出品的 Proteus 进行仿真；（ 3）单片机程序的开发环境使用Keil4 进行单片机的 C语言程序的编写。进 度 及 完 成 日 期2014 年 4 月 01 日2014 年 4 月 25日：搜索论文资料及寻找参考文献， 。2014 年 4 月 26 日2014 年 5 月 11

3、日：逐步解决遇到的问题，形成初步的论文框架。2014 年 5 月 12 日2014 年 5 月 23日：撰写毕业设计论文，形成初稿。2014 年 5 月 24 日2014 年 6 月 15日：根据老师的意见对论文初稿进行整改，并继续完善系 统设计。2014年 6月 16 日2014年 6月 18日：对论文进行细节修改，最终定稿并制作ppt 答辩。系主任签字日期教研室主任签字日期指导教师签字日期指导教师评语论文选题符合专业培养目标毕业论文， 能够达到综合训练目标， 题目有难度， 工作量较大。 选题具有学术研究（参考）价值（实践指导意义）。该生查阅文献资料能力较强，能较为全面收集关于感应式门铃设计

4、的资料，写作过程中能 综合运用感应式门铃设计知识，全面分析感应式门铃设计问题，综合运用知识能力较强。文章 篇幅完全符合学院规定，内容较为完整，层次结构安排科学，语言表达流畅，格式比较符合规 范要求；参考了较为丰富的文献资料，其时效性较强；综合看来，本人认为，该论文达到了专科毕业水平，同意论文答辩。指导教师 :青岛理工大学毕业论文评阅意见表设计（论文）题目 感应式门铃设计评价 项目评价标准（ A 级）满分评分ABCDE文献 资料 利用 能力能独立地利用多种方式查阅中外文 献；能正确翻译外文资料；能正确 有效地利用各种规范、 设计手册等。10109876综合 运用 能力研究方案设计合理； 设计方法

5、科学； 技术线路先进可行；理论分析和计 算正确；动手能力强；能独立完成 设计（论文）；能综合运用所学知 识发现和解决实际问题；研究结果 客观真实。2019201718151613 1412设计 （论 文）质 量设计（论文） 结构严谨； 逻辑性强； 语言文字表准确流畅；格式、图、 表规范；有一定的学术水平或实际 价值4037-4032-3628-3125-2724创新 能力有较强的创新意识；所做工作有较 大突破；设计（论文）有独到见解151513-1411-12109工作 量工作量饱满；圆满完成了任务书所 规定的各项任务。151513-1411-12109总分是否同意将该设计（论文）提交答辩：是

6、（ ） 否（ ）具体评阅及修改意见：评阅人：年月日注：1. 请按照 A级标准，评出设计（论文）各项目的具体得分，并填写在相应项目的评分栏中；2. 计算出总分。若总分 60 分，“设计（论文）质量” 24 分，建议不能提交论文评阅乃至答辩。该设计（论文）须限期修改合格后重新申请答辩。3. 评阅意见栏不够可另附页。答辩委员会评语评 定 成 绩周记说明书 （ 或论 文）图纸答辩总评答辩委 员会主 席签字日期（5%）（65%）（30%）百分制等级制青岛理工大学毕业设计（论文）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

7、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。 矚慫润厲钐瘗睞枥庑赖。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：

8、 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。 聞創沟燴鐺險爱氇谴净。关键词： 感应技术，热释电红外传感器， D触发器，红外感应式门铃青岛理工大学毕业设计（论文）ABSTRACTThe paper is based on grasping the pyroelectric infrared sensor s basic principlesanalog circuits, digital circuit theory of knowledge (including non-gate, D flip-flop, trans

9、istors, capacitors, 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 shop s door to meet customers. According to case thacustomers pasisn a

10、nd out, it can make different reaction. Final, we use Protel to simulation experimental test. The simulation result shows that the design has good effect. There is no mistake if only a little outside interference. But the continuous sound time of speaker is shorter than the theoretical value of 0.2

11、seconds, error of 9%. It does not affect the circui残t.骛楼諍锩瀨濟溆 塹籟。The paper mainly studies the typical application of infrared sensing technology in the daily life sensing doorbell. Through this research, we should master the basic principle of infrared sensing technology, circuit design process and

12、components application.The results show that this paper describes the circuit design to achieve the desired requirements. Ones the people entering the shop, the speaker immediately issued greeting. And the doorbell isn ptr ompted when the people leave酽. 锕极額閉镇桧猪訣锥。KEY WORD: SSensing technology , Pyro

13、electric infrared sensors , D flip-flop ,Infrared sensing doorbell 彈贸摄尔霁毙攬砖卤庑。II青岛理工大学毕业设计（论文）目录摘 要. I 謀荞抟箧飆鐸怼类蒋薔。ABSTRAC.T II 厦礴恳蹒骈時盡继價骚。第 1章 绪 论. 1 茕桢广鳓鯡选块网羈泪。1.1 课题研究的背景及意义 . 1 鹅娅尽損鹌惨歷茏鴛賴。1.2 国内外研究现状 1 籟丛妈羥为贍偾蛏练淨。1.3 课题研究的主要内容 2 預頌圣鉉儐歲龈讶骅籴。第 2 章 感应式门铃的基本原理 . 3 渗釤呛俨匀谔鱉调硯錦。2.1 热释电红外传感器 3 铙誅卧泻噦圣骋贶頂廡

14、。2.1.1 红外传感器的类型比较及选用. 3 擁締凤袜备訊顎轮烂蔷。2.1.2 热释电红外传感器概述 . 4 贓熱俣阃歲匱阊邺镓騷。2.1.3 红外辐射，热释电效应 . 5 坛摶乡囂忏蒌鍥铃氈淚。2.1.4 热释电红外传感器的结构及工作原理 . 5 蜡變黲癟報伥铉锚鈰赘。2.1.5 热释电红外传感器的材料、类别及特性 . 7 買鲷鴯譖昙膚遙闫撷凄。2.1.6 热释电红外传感器的输出信号特性及优缺点 . 8 綾镝鯛駕櫬鹕踪韦辚糴。2.1.7 菲涅尔透镜 . 8 驅踬髏彦浃绥譎饴憂锦。2.1.8 热释电红外传感器的安装要求. 10 猫虿驢绘燈鮒诛髅貺庑。2.2 D 触发器 . 11 锹籁饗迳琐筆

15、襖鸥娅薔。2.2.1 主从触发器 . 11 構氽頑黉碩饨荠龈话骛。2.2.2 维持阻塞触发器 . 12 輒峄陽檉簖疖網儂號泶。2.2.3 触发器的动态特性 . 13 尧侧閆繭絳闕绚勵蜆贅。2.3 音乐芯片 14 识饒鎂錕缢灩筧嚌俨淒。第 3 章 系统设计 . 16 凍鈹鋨劳臘锴痫婦胫籴。3.1 系统功能分析 16 恥諤銪灭萦欢煬鞏鹜錦。3.2 系统整体设计模块 16 鯊腎鑰诎褳鉀沩懼統庫。3.3 红外探测模块 16 硕癘鄴颃诌攆檸攜驤蔹。3.3.1 HN911 红外探测模块原理 17 阌擻輳嬪諫迁择楨秘騖。3.3.2 电路设计 . 18 氬嚕躑竄贸恳彈瀘颔澩。青岛理工大学毕业设计（论文）3.4

16、 控制模块 19 釷鹆資贏車贖孙滅獅赘。3.4.1 CD4013 的工作原理 19 怂阐譜鯪迳導嘯畫長凉。3.4.2 CD4013 的四种工作方式 20 谚辞調担鈧谄动禪泻類。3.4.3 电路设计 . 24 嘰觐詿缧铴嗫偽純铪锩。3.4.4 器件选择 . 25 熒绐譏钲鏌觶鷹緇機库。3.5 发声模块 25 鶼渍螻偉阅劍鲰腎邏蘞。3.6 供电模块 26 纣忧蔣氳頑莶驅藥悯骛。3.7 系统整体电路图 26 颖刍莖蛺饽亿顿裊赔泷。第 4 章 系统仿真 . 28 濫驂膽閉驟羥闈詔寢賻。4.1 仿真工具简介 28 銚銻縵哜鳗鸿锓謎諏涼。4.2 仿真流程图 28 挤貼綬电麥结鈺贖哓类。第 5 章 结论 .

17、 29 赔荊紳谘侖驟辽輩袜錈。致 谢. 30 塤礙籟馐决穩賽釙冊庫。参考文献 . 31 裊樣祕廬廂颤谚鍘羋蔺。II青岛理工大学毕业设计（论文）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。

18、仓嫗盤紲嘱珑詁鍬齊驁。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。 绽 萬璉轆娛閬蛏鬮绾瀧。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

19、起到迎宾、 醒主和防盗 报警作用。 骁顾燁鶚巯瀆蕪領鲡赙。1.2 国内外研究现状目前感应式门铃主要分光感应式和红外感应式。 光感门铃是利用人体反射光线， 光敏 电阻得到足够大变化的光线， 电路产生变化电流触发电路， 灵敏度跟物体反射率有关。 但 光感门铃受环境光照度的影响， 黑暗情况下不能正常使用。 常见红外感应式门铃使用热释 电红外传感器，本身不发射任何信号，当接收到人体辐射的特定红外线中心波长信号时， 才会触发电路。 瑣钋濺暧惲锟缟馭篩凉。光感应式的价格便宜，但是误报率高，因为它的传感核心是光敏电阻，光敏电阻对可 见光大部分波长都反应变化， 故光线变化可能会触发门铃反应。 红外感应式的相比

20、价格较 高，但优点是误报极少， 加上前面的菲涅尔透镜窗口，从而将误报率降至最低。红外式采 用先进微电脑制造技术， 无论白天黑夜都可正常使用， 即可做门铃使用， 也可做独立报警 器使用。红外感应式门铃性能卓越，节能易用，灵敏度强，更适合市场的需要，更贴近消 费者的生活内容，办公写字楼、家居、商店、工厂等各种场合均可使用，带来方便之余， 更带来意想不到的快乐和安全感。 鎦诗涇艳损楼紲鯗餳類。总的来说，感应式门铃目前的技术比较成熟，功能也较为完善，成本不高，并且由于通常市面上青岛理工大学毕业设计（论文）的感应式门铃都兼迎宾及报警两用，因此应用场合也较为广泛。 栉缏歐锄棗鈕种鵑瑶锬。1.3 课题研究的

21、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。 辔烨棟剛殓攬瑤丽阄应。青岛理工大学毕业设计（论文）第 2 章 感应式门铃的基本原理2.1 热释电红外传感器2.

22、1.1 红外传感器的类型比较及选用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。 下面对这两种传感 器的基本情况分别加以介绍， 再结合本课题的设计要求， 选择一种最合适的红外传感器类 型进行课题研究。 峴扬斕滾澗辐滠兴渙藺。（1）主动式红外传感器主动红外传感器由红外发射机、 红外接收机组成。 分别置于收、 发端的光学系统一般 采用的是光学透镜， 起到将红外光束聚焦成较细的平行光束的作用， 以使红外光的能量能 够集中传送。 红外光在人眼看不见的光谱范围， 有人经过这条无形的封锁线， 必然全部或 部分遮挡红外光束， 接收端输出的电信号的强度会因此产生变化， 从而启动后续电路进行 工作

23、。主动式红外传感器遇到小动物、 树叶、沙尘、雨、雪、雾遮挡则不应输出有效信号， 人或相当体积的物品遮挡将输出有效信号。 由于光束较窄， 收发端安装要牢固可靠， 不应 受地面震动影响，而发生位移引起误报， 光学系统要保持清洁，注意维护保养。因此主动 式传感器所探测的是点到点， 而不是一个面的范围。 其特点是探测可靠性非常高。 但若对 一个空间进行布防， 则需有多个主动式传感器， 价格昂贵。 主动式传感器常用于博物馆中 单体贵重文物展品的布防以及工厂仓库的门窗封锁、 购物中心的通道封锁、 停车场的出口 封锁、家居的阳台封锁等等。 詩叁撻訥烬忧毀厉鋨骜。主动式红外传感器有单光束、 双光束、四光束之分

24、。 以发射机与接收机设置的位置不 同分为对向型安装方式和反射式按装方式， 反射型安装方式的接收机不是直接接收发射机 发出的红外光束， 而是接收由反射镜或适当的反射物 （如石灰墙、门板表面光滑的油漆层） 反射回的红外光束。当反射面的位置与方向发生变化或红外发射光束和反射光束之一被阻 挡而使接收机无法接收到红外反射光束时输出有效信号。 则鯤愜韋瘓賈晖园栋泷。当使用较多的传感器进行防范布局时应该注意消除射束的交叉误射。（2）被动式红外传感器我们之所以称为被动式红外传感器， 即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

25、， 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。 胀鏝 彈奥秘孫戶孪钇賻。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， 通过关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青岛理工大学毕业设计(论文)的变化。红外传感器的探测波长范围是 8 14m，人体辐射的红外峰值波长约为 10m， 正好在范围以内 鳃躋峽祷紉诵帮废掃減。被动式红外传感器( Passive Infared Detector， PIR)根据其结构不同、警

26、戒范围及探 测距离也有所不同，大致可以分为单波束型和多波束型两种。单波束 PIR 采用反射聚焦 式光学系统， 利用曲面反射镜将来自目标的红外辐射汇聚在红外传感器上。 这种方式的传 感器境界视场角较窄，一般在 5以下，但作用距离较远，可长达百米。因此又称为直线 远距离控制型被动红外传感器， 适合保护狭长的走廊、 通道以及封锁门窗和围墙。 多波束 型采用透镜聚焦式光学系统，目前大都采用红外塑料透镜多层光束结构的菲涅尔透 镜。这种透镜是用特殊塑料一次成型， 若干个小透镜排列在一个弧面上。 警戒范围在不同 方向呈多个单波束状态， 组成立体扇形感热区域， 构成立体警戒。 菲涅尔透镜自上而下分 为几排，上

27、面透镜较多，下边较少。因为人脸部、膝部、手臂红外辐射较强，正好对着上 边的透镜。下边透镜较少， 一是因为人体下部红外辐射较弱， 二是为防止地面小动物红外 辐射干扰。多波束型 PIR 的警戒视场角比单波束型大得多，水平可以大于 90，垂直视 场角最大也可以达到 90，但作用距离较近。所有透镜都向内部设置的热释电器件聚焦， 因此灵敏度较高，只要有人在透镜视场内走动就会输出有效信号。 稟虛嬪赈维哜妝扩踴粜。为了解决物品遮挡问题， 又发明了吸顶式被动红外传感器。 安装在顶棚上向下 360 范围内进行探测。 只要在防护范围内， 无论从哪个方向进入都会触发电路， 在银行营业大 厅，商场的公共活动区等空间较

28、大的地方得到广泛使用。 陽簍埡鲑罷規呜旧岿錟。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。 沩氣嘮戇苌鑿鑿槠谔應。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。 钡嵐縣緱虜荣产涛團蔺。2.1.2 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。 懨

29、俠劑鈍触乐鹇烬觶騮。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

30、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，欧美曾是热青岛理工大学毕业设计（论文）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。 謾饱兗争詣繚鮐癞别瀘。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

31、，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的 2。 呙铉們欤谦鸪饺竞荡赚。2.1.3 红外辐射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。 莹谐龌蕲賞组靄绉嚴减。热释电效应：因红外线具有很强的热效应，当

32、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。 麸肃鹏镟轿騍镣缚縟糶。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。 納畴 鳗吶鄖禎銣腻鰲锬。热释电红外传感

33、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3 4 。風撵鲔貓铁 频钙蓟纠庙。青岛理工大学毕业设计（论文）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

34、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。 灭嗳骇諗鋅猎輛觏馊藹。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

35、产生的电荷 Q 会被空气中的离子所青岛理工大学毕业设计（论文）结合而消失，即当环境温度稳定不变时， T= 0 ，传感器无输出。 铹鸝饷飾镡閌赀诨癱骝。 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 8 12m 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。 攙閿频嵘陣澇諗谴隴泸。另外

36、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 。趕輾雏纨颗锊讨跃满賺。2.1.5 热释电红外传感器的材料、类别及特性热释电红外传感器的制作材料以陶瓷氧化物和压电晶体为最多， 如 PbTiO（3 钛酸铅）、 LiTaO3（钽酸锂）、LATGS（硫酸三甘肽）、PZT（锆钛酸铅）等。这类材料具有强烈

37、的自 发极化特性，平时靠捕获大气中的浮游电荷保持平衡，当受到热辐射而产生温度变化时， 介质的极化状态将随之变化。 由于表面电荷的变化速度远远小于内部电荷的变化速度， 内、 外层电荷会出现“失步” 现象，即在表面电荷重新达到平衡的短暂时间内， 将出现独立的 电荷。这就是电介质的热释电效应。 夹覡闾辁駁档驀迁锬減。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： 视絀镘鸸鲚鐘脑钧欖粝。（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

38、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。上文图 2.2 就是双元型元件。 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6。目前常用的热释电红外传感器型号主要有 P228、LHl958 、LHI954 、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

39、管 S极，SOURCE）、 接地端（ GROUND ）。热释电红外传感器的主要工作参数有：工作电压（常用的热释电红 外传感器工作电压范围为 315V）、工作波长（通常为 7.514 m）、源极电压（通常为青岛理工大学毕业设计（论文）0.41.1V，R=47K）、输出信号电压（通常大于 2.0V）等。 偽澀锟攢鴛擋緬铹鈞錠。2.1.6 热释电红外传感器的输出信号特性及优缺点热释电红外传感器输出电信号的幅度和频率主要决定于：目标人体的温度、探测区 域背景、人体离传感器的距离、 人体移动的速度、光学透镜系统的焦距和设计样式。人体 温度和探测区域背景的温差越大， 离传感器越近， 输出电信号的幅值将越大

40、。 双敏感元热 释电传感器配合菲涅尔光学透镜使用时，输出信号波形电压峰峰值约为1mV ，频率可由2 s L下列公式计算： 緦徑铫膾龋轿级镗挢廟。2.1)其中：f 是输出信号频率 （Hz），Vb是人体移动速度 （m/s），fb是光学系统焦距（mm）， 2s 是传感器敏感元的面积（ mm 2），L 是人体离传感器距离（ m）。騅憑钶銘侥张礫阵轸蔼。对于双敏感元传感器， 标准尺寸为 2（ mm）*1（mm），人体移动速度范围为 0.5（m/s） 5（m/s），常用探测器上使用的菲涅尔透镜焦距为 25（mm），我们可计算出传感器输出信 号的频率范围为 0.088Hz7 。疠骐錾农剎貯狱颢幗騮。由于传感

41、器输出的信号非常微弱， 因此需要外接放大电路， 也有些传感器生产厂家直 接将后续信号处理电路内置在传感器中，用户直接就可以使用。 镞锊过润启婭澗骆讕瀘。热释电红外传感器其优点是本身不发出各种类型的辐射， 该器件的功耗小、隐蔽性好、 价格低。其缺点是容易受各种热源、 光源及射频辐射的干扰； 被动红外穿透力差， 人体的红外 辐射容易被遮挡，不易被探头接收；当环境温度和人体温度接近时，探测和灵敏度下降， 有时还会短时失灵 8 。榿贰轲誊壟该槛鲻垲赛。2.1.7 菲涅尔透镜热释电红外传感器不加光学透镜（也称菲涅尔透镜） ，其检测距离通常不大于 2m， 而加上菲涅尔透镜后，其检测距离可大于 7m。因此在

42、实际应用中，热释电红外传感器通 常与菲涅尔透镜配合使用。 邁茑赚陉宾呗擷鹪讼凑。菲涅尔透镜是由法国物理学家奥古斯汀菲涅尔（ Augustin Fresnel）发明的，他在 1822 年最初使用这种透镜设计用于建立一个玻璃菲涅尔透镜系统灯塔透镜。菲涅尔 透镜（ Fresnel Lense）是一种微细结构的光学元件，从正面看其象一个飞镖盘，由一环一 环的同心园组成， 是依托菲涅尔理论由平凸透镜演变而来的， 是平凸透镜的一种异化。 它 具有短焦距、 大孔径及厚度小的特点， 用菲涅尔透镜可以获得更为柔和、 均匀的光分布照 明状态。菲涅尔透镜有两种形式，即折射式和反射式。 嵝硖贪塒廩袞悯倉華糲。其工作原

43、理十分简单，它有两种理解方式：（1）假设一个透镜的折射能量仅仅发生在光学表面（如：透镜表面） ，拿掉尽可能多 的光学材料，而保留表面的弯曲度。如图 2.3 所示。 该栎谖碼戆沖巋鳧薩锭。青岛理工大学毕业设计（论文）图 2.3 菲涅尔透镜 1另外一种理解就是，透镜连续表面部分“坍陷”到一个平面上。从剖面看，其表面 由一系列锯齿型凹槽组成， 中心部分是椭圆型弧线。 每个凹槽都与相邻凹槽之间角度不同， 但都将光线集中一处， 形成中心焦点， 也就是透镜的焦点。 每个凹槽都可以看做一个独立 的小透镜，把光线调整成平行光或聚光。这种透镜还能够消除部分球形像差。如图2.4 所示。 劇妆诨貰攖苹埘呂仑庙。图

44、2.4 菲涅尔透镜 2菲涅尔透镜，简单的说就是在透镜的一侧有等距的齿纹，通过这些齿纹，可以达到 对指定光谱范围的光带通 （反射或者折射） 的作用。传统的打磨光学器材的带通光学滤镜 造价昂贵，菲涅尔透镜可以极大的降低成本， 典型的例子就是 PIR。PIR 广泛的用在门铃、 警报器上。如果你拿一个看看，你会发现在每个 PIR 上都有个塑料的小帽子，这就是菲 涅尔透镜。小帽子的内部都刻上了齿纹。 这种菲涅尔透镜可以将入射光的频率峰值限制到 10m左右（人体红外线辐射的峰值） ，成本相当的低。 臠龍讹驄桠业變墊罗蘄。因此，菲涅尔透镜作用有两个：一是聚焦作用，即将热释红外信号折射（反射）在 PIR（热释

45、电红外传感器）上，第二个作用是将探测区域内分为若干个明区和暗区，使进 入探测区域的移动物体能以温度变化的形式在 PIR 上产生变化的信号，继而传感器就能 产生控制信号。 在热释电红外传感器应用中， 菲涅尔透镜的主要作用是聚焦作用。 其工作 示意图如图 2.5 所示 9。鰻順褛悦漚縫冁屜鸭骞。青岛理工大学毕业设计（论文）图 2.5 菲涅尔透镜聚焦作用示意图2.1.8 热释电红外传感器的安装要求热释电红外传感器的误报率与安装位置和方式有很大关系，一般应注意以下几点：（1）传感器应离地面 22.5m，远离空调器、冰箱、火炉、射灯等空气温度变化敏感 的地方；（2）不要正对着窗户、门、 灶台，否则室外的

46、热气和人员的频繁流动会引起传感器误 报；（3）传感器探测范围不能有隔板、大型家具、屏风等遮挡物 10。 此外，热释电红外传感器对人体敏感程度还和人的运动方向有关， 它对于径向移动反 应最不敏感，而对于切向方向（即与半径垂直的方向）移动最为敏感。如图2.6 所示。 穑釓虚绺滟鳗絲懷紓泺。图 2.6 热释电红外传感器灵敏度示意图10青岛理工大学毕业设计（论文）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。 隶誆荧鉴獫纲鴣攣駘賽。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

47、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。 浹繢腻叢着駕骠構砀湊。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 鈀燭罚櫝箋礱颼畢韫粝。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。 目前常用的触发

48、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。 惬執缉蘿绅颀阳灣熗鍵。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 2.7 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。 贞廈给鏌綞牵鎮獵鎦龐。图 2.7 主从触发器图 2.7 中的触发器工作过程分为以下两个节拍：11青岛理工大学毕业设计（论文）（1）当时钟信号 CP=0时， C =1，C=0，使 TG1 导通， TG2断开，

49、 D端输入信号进入 主锁存器，这时 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Q =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。 嚌鲭级厨胀鑲铟礦毁蕲。（2）当 CP由 0跳变到 1后， C =0，C=1，使 TG1断开，从而切断了 D端与主锁存 器的联系，同时 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， T

50、G4 断开，将 Q 端信号传输到 Q端。若 Q =0，经 TG3 传送给 G3 的输入端，于是 Q=0， Q=1。薊镔竖牍熒浹醬籬铃騫。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： 齡践砚语蜗铸转絹攤濼。Qn+1 = D（2）绅薮疮颧訝标販繯轅赛。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

51、此前输入信号 D 的关系。2.2.2 维持阻塞触发器维持阻塞结构的 D 触发器的逻辑电路如图 2.8所示。该触发器由 3 个用与非门构成的 基本 SR锁存器组成，其中 G1、G2和 G3、G4构成的两个基本 SR锁存器响应外部输入 数据 D 和时钟信号 CP，他们的输出 Q2和 Q3作为S 、R 信号控制着由 G5、G6构成的第 三个基本 SR 锁存器的状态，即整个触发器的状态。下面介绍其工作原理： 饪箩狞屬诺釙诬苧径 凛。12青岛理工大学毕业设计（论文）图 2.8 维持阻塞触发器（1）当 CP=0时，与非门 G2和 G3被封锁，其输出 Q2=Q3=1，即S= R =1，使输出 锁存器处于保持

52、状态，触发器的输出 Q和Q不改变状态。同时， Q2和 Q3的反馈信号分 别将 G1 和 G4两个门打开，使 Q4=D，Q1=Q4=D，D 信号进入触发器，为触发器状态 刷新做好准备。 烴毙潜籬賢擔視蠶贲粵。（2）当 CP由0变 1后瞬间， G2和 G3打开，它们的输出 Q2和 Q3的状态由 G1和 G4 的输出状态决定，即 S =Q2= Q1= D ，R =Q3= Q4 =D，二者状态永远是互补的，也就 是说， S和R中必有一个是 0。由基本 SR锁存器的逻辑功能可知，这时 Qn+1 = D，触发 器状态按此前 D 的逻辑值刷新。 鋝岂涛軌跃轮莳講嫗键。（3）在 CP=1期间，有 G1、G2和

53、 G3、G4分别构成的两个基本 SR锁存器可以保证 Q2、Q3的状态不变，使触发器状态不受输入信号 D 的变化影响。在 Q=1时， Q2=0，则 将 G1 和 G3 封锁。Q2 至 G1 的反馈线使 Q1=1，起维持 Q2=0 的作用， 从而维持了触发器 的 1 状态，称为置 1 维持线；而 Q2 至 G3 的反馈线使 Q3=1，虽然 D 信号在此期间的变 化可能使 Q4相应改变，但不会改变 Q3的状态，从而阻塞了 D 端输入的置 0信号，称为 置 0 阻塞线。在 Q=0 时， Q3=0，则将 G4 封锁，使 Q4=1，既阻塞了 D=1 信号进入触发 器的路径，又与 CP=1，Q2=1共同作用

54、，将 Q3 维持为 0，而将触发器维持在 0状态，故 将 Q3 至 G4 的反馈线称为置 1 阻塞、置 0 维持线。正因为这种触发器工作中的维持、阻 塞特性，所以称之为维持阻塞触发器。 撷伪氢鱧轍幂聹諛詼庞。虽然维持阻塞 D 触发器的电路结构与主从触发器的完全不同，但这两个电路所实现 的逻辑功能是完全相同的，都是在 CP 脉冲上升沿到来后瞬间转换输出状态，将输入信号 D 传递到 Q 端并保持下去。因此，它们使用同一个逻辑符合，特性方程也是一致的。 踪飯 梦掺钓貞绫賁发蘄。2.2.3 触发器的动态特性触发器的动态特性反映其对输入逻辑信号和时钟信号之间的时间要求， 以及输出对时 钟信号响应的延迟时

55、间。图 2.9所示的定时图显示了 D触发器各信号之间的时间要求或延 迟。 婭鑠机职銦夾簣軒蚀骞。（1）建立时间 tSU输入信号 D 的变化会引起触发器输入电路的一系列变化， 它必须在时钟信号 CP 的上 升沿（对上升沿触发的触发器而言） 到来之前的某一时刻跳变到某一逻辑电平并保持不变， 以保证与信号 D 相关的电路建立起稳定的状态，使触发器状态得到正确的转换。该时间 的最小值即建立时间 tSU。 譽諶掺铒锭试监鄺儕泻。13青岛理工大学毕业设计（论文）图 2.9 D 触发器定时器（2）保持时间 tH信号 D 在 CP上升沿到来之后还应保持一定时间，才能保证 D 状态可靠地传送到 Q 和 Q 端，

56、该时间的最小值称为保持时间 tH。由于技术的进步，已有许多种触发器可把保 持时间降到 0。这项特性在高速移位寄存器或计数器中是十分重要的。 俦聹执償閏号燴鈿膽賾。（3）传输延迟时间 tpLH 和 tpHL时钟脉冲 CP 上升沿至输出端新状态稳定建立起来的时间定义为传输延迟时间。tpLH是输出从低电平到高电平的延迟时间， tpHL 则是输出从高电平到低电平的延迟时间，应用 中有时取其平均传输延迟时间 tpd = 0.5（tpLH tpHL）。缜電怅淺靓蠐浅錒鵬凜。（ 4）触发脉冲宽度 tW为保证可靠触发，要求时钟脉冲 CP 的宽度不小于 tW，以保证内部各门正确翻转。（ 5）最高触发频率 fcmax触发器所能响应的时钟脉冲 CP最高频率， fcmax = 1/T cmin 。因为在 CP高电平和低电 平期间，触发器内部都要完成一系列动作，需要一定的时间延迟，所以对于 CP 最高工作 频率有一个限制 11 。骥擯帜褸饜兗椏長绛粤。2.3 音乐芯片音乐芯片是一