电子1120901240108-王健-红外感应式语音门铃电路设计教材

1、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电子 12-1 班学生姓名王健学生学号120901240108指导教师2016 年 2 月 26 日东北石油大学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 电子科学与技术 姓名 王健 学号 120901240108 主要内容：应用语音专用集成电路，红外集成传感器，设计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

2、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 2016.2.222016.2.26指导教师专业负责人2016年2月 19日第 1 章 概述1.1 门铃的发展、作用及意义 激光具有良好的单色性和相关性，因此，在精密计量、光通信、光频标、高分辨光谱学 等领域中得到了广泛的应用。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

3、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

4、 提醒店员有人进店和迎宾的两重作用。1.2 红外感应式的研究现状感应门铃分光感应式和红外感应式，其中红外感应式的具有较为优良的性能和可靠性， 为大家所接受使用。常见红外感应式门铃使用红外热释电传感器，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，因此误报极少，加上前面的 菲涅尔透镜窗口，从而将误报率降至最低。红外感应式采用先进微电脑制造技术，无论白天 黑夜都可正常使用，即可做迎宾器使用，也可做独立报警器使用。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

5、快乐和安全感。红外感应式技术的核 心就是红外探测器。 红外探测器是一种将不可见的红外辐射转换成可测量的信号的光敏器件。 探测器作为红外整机系统的核心关键部件，探测、识别和分析红外信息。一个完整的红外探 测器包括红外敏感元件、红外辐射入射窗口、外壳、电极引出线以及按需要而加的场镜、浸 没透镜、滤光片等。按工作机理分为热探测器和光子探测器两大类。热释电红外传感器就是 热探测器的一种。 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。第 2 章 激光报警器工作原理感应式门铃用到的感应技术主要是红外感应，而红外

6、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 红外式语音门铃的整体框图本设计方案可分为 4 个模块：红外探测模块，控制模块，发声模块，供电模块。如图 1.1 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。图 2.1 系统模块图2.2 红外探测模块图 2.2 HN911 模块内部电路结构红外探测模块实现的功能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

7、变 化，并将其转换成电压信号输出。整个探测模块有光学系统，热释电红外传感器，信号滤波 和放大信号出构成。如果使用独立元件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。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 1.1为 HN911红外探测模块的性能指标HN911 模块内放大器具有温度补偿功能。探测器工作

8、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。表 2.1 HN911 红外探测模块的性能指标2.3 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

9、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。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 Q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14 。当 RESET=SET=0

10、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。2.4 发声模块发声模块的设计比较简单，如图 2.5 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，

11、 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 2.3 发声模块电路2.5 供电模块根据前面各个模块的元件，芯片要求，采用 +5V 直流电源供电第 3 章 激光监控报警器电路设计3.1 红外感应式语音门铃电路的设计3.1.1 红外探测模块设计由于 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

12、，并排排列在顾客行走的垂 直方向，其电路图如图 3.1 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。图 3.1 红外线模块电路图3.1.2 控制模板电路设计首先，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

13、 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

14、 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 3.2 所示。这里用到了 CD4013的单稳态 工作方式。图 3.2 控制模板电路图3.1.3 发声模块电路设计发声模块的设计选用 KD5603 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 3.3 发声模块电路图3.2 总体电路设计当无人进出

15、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

16、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 接 H1 输出端 , 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

17、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

18、 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。图 3.4 整体电路图第 4 章 电路制作4.1 仿真调试4.1.1 仿真工具简介Protel 是 PORTEL 公司在 80 年代末推出的 EDA 软件 ,在电子行业的 CAD 软件中，它当 之无愧地排在众多 EDA 软件的前面，是电子设计者的首选软件。 Protel 99SE 覆盖了以 PCB 为核心的整个物理设计 ,能实现从电学概念设计到输出物理生产数据，以及这之间的所有分 析、验证和设计数据管理。Protel 99SE共分为 5个模块

19、，分别是原理图设计， PCB设计（包含信号完整性分析 ），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。4.1.2 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

20、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。4.1 控制模块仿真原理图4.2 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，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。可得，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。4.2 顾客进入

21、时仿真效果2）顾客离开情况4.3 顾客离开时仿真效果设置信号源 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。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。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 结论本次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

22、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。从整个设计过程和设计方案可以看出，此

23、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。本次设计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