红外感应门铃电路设计方案

页共23页三、单元电路设计与实现（一）前置放大电路设计前置放大电路的作用是对接收到的正弦波信号进行放大，因此，前置放大电路中的两个重要器件是热释电感应器和放大器。1、热释电感应器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的变化。红外传感器的探测波长范围是8～14μm，人体辐射的红外峰值波长约为10μm，正好在范围以内。被动式红外传感器（PIR）根据其结构不同、警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。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。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，频率可由下列公式2-1计算：（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），s是传感器敏感元的面积（mm2），L是人体离传感器距离（m）。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0.08～8Hz。由于传感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。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。2、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。菲涅尔透镜（FresnelLense）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。其工作原理十分简单，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。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。图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10μm左右（人体红外线辐射的峰值），成本相当的低。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。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2～2.5m，远离空调器、冰箱、火炉、射灯等空气温度变化敏感的地方；图2-5菲涅尔透镜聚焦作用示意图（2）不要正对着窗户、门、灶台，否则室外的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。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。图2-6热释电红外传感器灵敏度示意图3、四运放集成电路LM324是四运放集成电路，它采用14脚双列直插塑料封装,外形如图所示。它的内部包含四组形式完全相同的运算放大器,除电源共用外,四组运放相互独立。每一组运算放大器可用图1所示的符号来表示,它有5个引出脚,其中“+”、“-”为两个信号输入端,“V+”、“V-”为正、负电源端,“Vo”为输出端。两个信号输入端中,Vi-（-）为反相输入端,表示运放输出端Vo的信号与该输入端的位相反;Vi+（+）为同相输入端,表示运放输出端Vo的信号与该输入端的相位相同。LM324的引脚排列见图2-7。

图2-7LM324外形图和内部结构图由于LM324四运放电路具有电源电压范围宽,静态功耗小,可单电源使用,价格低廉等优点,因此被广泛应用在各种电路中。4、运放电路设计利用LM324运放，设计的前置放大电路图如图2-8所示。图2-8前置放大电路图此放大器可代替晶体管进行交流放大,可用于扩音机前置放大等。电路无需调试。放大器U1A由R3、R4组成1/2Vcc偏置,C2是消振电容。U1A放大器电压放大倍数Av仅由外接电阻R2、R5决定：Av1=-R5/R2=200K/10K=-20。放大器U2B由R7、R8组成1/2Vcc偏置，C5是消振电容。U2B电压放大倍数Av由外接电阻R6、R9决定：Av2=-R9/R6=1M/10K=-100。Avo=Av1*Av2=20*100=66db。按图中所给数值,Av1=-20和Av2=-100。负号表示输出信号与输入信号相位相反。此两级放大电路输入电阻分别为R1、R6，C1和C4为耦合电容。（二）比较电路和开关电路设计利用LM324设计的比较、开关电路图如图2-9所示。图2-9（a）比较电路图2-9（b）电压传输特性其中U1为上限电压，U2为下限电压，Ui为输入电压；当Ui>U1或Ui<U2时，运算放大器A1或A2输出高电平,输出Vo≈U+om，三极管Q1导通，Uo输出为低电平。当U1<Ui<U2时，运算放大器A1和A2均输出低电平，输出Vo=U-om，三极管Q截止，Uo输出为高电平。由图中传输特性可知，当输入电压Ui处于U1和U2之间时，输出为-Uom，而当输入电压的值处于U1和U2之外时输出为+Uom。在图2-9（b）电压传输特性电路中，运算放大器的输出端不能直接相连，因为图2-9（a）（D1、D2用IN4148，R=1K）当两个运入输出电压的极性相反时，将互为对方提供低阻抗通路而导致运算放大器烧毁。在比较器后加上开关管,整个电路不但工作可靠,且输出电流大,能驱动后级的执行电器工作。（三）延时电路延时电路的功能是使客人离开过后音乐还继续在响，在本设计中可以得用单稳态ME555后积分电路实现。1、NE555内部结构及工作原理555定时器成本低，性能可靠，只需要外接几个电阻、电容，就可以实现多谐振荡器、单稳态触发器及施密特触发器等脉冲产生与变换电路。它也常作为定时器广泛应用于仪器仪表、家用电器、电子测量及自动控制等方面。下面就本设计需要主要介绍一下它的内部结构、基本原理和单稳态触发器。555内部结构如图2-10所示。图2-10555定时器的内部电路框图在图2-10中555定时器由3个阻值为5kΩ的电阻组成的分压器、两个电压比较器C1和C2、基本RS触发器、放电三极管TD和缓冲反相器G4组成。虚线边沿标注的数字为管脚号。其中，1脚为接地端；2脚为低电平触发端，由此输入低电平触发脉冲；6脚为高电平触发端，由此输入高电平触发脉冲；4脚为复位端，输入负脉冲（或使其电压低于0.7V）可使555定时器直接复位；5脚为电压控制端，在此端外加电压可以改变比较器的参考电压，不用时，经0.01uF的电容接地，以防止引入干扰；7脚为放电端，555定时器输出低电平时，放电晶体管TD导通，外接电容元件通过TD放电；3脚为输出端，输出高电压约低于电源电压1V—3V，输出电流可达200mA，因此可直接驱动继电器、发光二极管、指示灯等；8脚为电源端，可在5V—18V范围内使用。

555定时器工作时过程分析如下：

5脚经0.01uF电容接地，比较器C1和C2的比较电压为：UR1=2/3VCC、UR2=1/3VCC。当VI1＞2/3VCC，VI2＞1/3VCC时，比较器C1输出低电平，比较器C2输出高电平，基本RS触发器置0，G3输出高电平，放电三极管TD导通，定时器输出低电平。当VI1＜2/3VCC，VI2＞1/3VCC时，比较器C1输出高电平，比较器C2输出高电平，基本RS触发器保持原状态不变，555定时器输出状态保持不来。当VI1＞2/3VCC，VI2＜1/3VCC时，比较器C1输出低电平，比较器C2输出低电平，基本RS触发器两端都被置1，G3输出低电平，放电三极管TD截止，定时器输出高电平。当VI1＜2/3VCC，VI2＜1/3VCC时，比较器C1输出高电平，比较器C2输出低电平，基本RS触发器置1，G3输出低电平，放电三极管TD截止，定时器输出高电平。2、延时电路利用555设计的延时电路如图2-11所示。图2-11单稳态触发器组成的延时电路由555定时器和外接定时元件R2、C2构成的单稳态触发器。稳态时555电路输入端处于电源电平，输出到Q1输入端为低电平，三极管截止，负载RL电流为0，当有一个外部负脉冲触发信号加到Vi端。并使2端电位瞬时低于1/3VCC，低电平比较器动作，单稳态电路即开始一个稳态过程，电容C2开始充电，Vc按指数规律增长。当Vc充电到2/3VCC时，高电平比较器动作，输出Vo从高电平返回低电平。波形图如图2-12所示。图2-12单稳态触发器波形图暂稳态的持续时间Tw（即为延时时间）决定于外接元件R2、C2的大小。Tw=1.1R2C通过改变R2、C2的大小，可使处时时间在几个微秒和几十分钟之间变化。当这种单稳态电路作为计时器时，可直接驱动小型继电器，并可采用复位端接地的方法来终止暂态，重新计时。通过改变R2、C2的大小，可使延时时间在几个微秒和几十分钟之间变化。当这种单稳态电路作为计时器时，可直接驱动小型继电器，并可采用复位端接地的方法来终止暂态，重新计时。四、发声（音乐芯片）和发光电路设计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4-1所示。图4-1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4-1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2.4～5.5V；（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。五、整机电路工作原理根据以上各单元电路可以得到热释电感应门铃整机电路原理图，如附录1所示。X1A、X2B、X3C、X4D组成廉价的通用四运放LM324,用其中X1A、X2B两个运放组成高、低通放大器。第一级放大器增益为:AV1=R6/R4=20,第二级放大器增益为:AV2=R10/R9=100，总增益为AV=20×100=2000=66dB。电压比较器部分LM324另外X3C、X4D两个运放组成电压比较检测窗口,由R3、R5和R7、R8将高、低通放大器的（3）脚和（5）脚均设置为1/2Vcc,即3V。当红外传感器检测到人体的活动,其产生的微弱电压信号经过放大,传送到LM324的（10）、（13）脚时,可以检测到峰值约为5V的正弦波,那么无论是信号的正半周还是负半周,两个比较器中必有一个输出为低电平,使NE555的(2)脚由高电平跳成低电平,以便控制延时电路工作。而当红外传感器没有检测到人活动时,由静态电路可知,该3V直流信号同时加到LM324的(10)、(13)脚,又知道R11、R12、R13将窗口电压上、下限设置为3.4V和2.6V,即(9)脚偏置为3.4V,(12)脚偏置为2.6V。静态时,电压比较器输出端(8)、(14)均为低电平，开关管截止,NE555的(2)脚仍为高电平,延时电路不工作。当红外传感器检测到人的活动,在输入信号的正半周时,（13）脚的电平高于（12）脚所加的2.6V比较电压,下比较器由（14）脚输出低电平，VD2截止;此时由于（10）脚电平高于（9）脚,上比较器输出高电平,VD1导通,其高电平使得开关管饱和导通,将NE555的(2)脚拉成低电平,致使延时电路工作。在信号负半周时,上、下比较器输出电平刚好相反,即(8)脚输出低电平,(14)脚输出高电平,VD2导通。可见,只要传感器检测到人体活动,无论是信号的正半周还是负半周,两个比较器中必有一个输出为高电平,通过开关三极管从而控制延时电路工作。延时电路U1使用单时基电路NE555,延时时间t=1.1R16×C9≈60s。其作用有二:一是为自己离开检测区时提供一段非报警延迟时间;二是在自己进入检测区后提供关断检测器所需的时间。延时电路工作时,输出的高电平使得三极管导通使得扬声器发声和灯发光。六、电路仿真与调试（一）软件介绍本设计使用了仿真软件multisim和印制电路板制作软件protel99，下面分别对这两种软件进行介绍。1、仿真软件MultisimMultisim是InteractiveImageTechnologies(ElectronicsWorkbench）公司推出的以Windows为基础的仿真工具，适用于板级的模拟/数字电路板的设计工作。它包含了电路原理图的图形输入、电路硬件描述语言输入方式，具有丰富的仿真分析能力。工程师们可以使用Multisim交互式地搭建电路原理图，并对电路进行仿真。Multisim提炼了SPICE仿真的复杂内容，这样工程师无需懂得深入的SPICE技术就可以很快地进行捕获、仿真和分析新的设计，这也使其更适合电子学教育。通过Multisim和虚拟仪器技术，PCB设计工程师和电子学教育工作者可以完成从理论到原理图捕获与仿真再到原型设计和测试这样一个完整的综合设计流程。2、印制电路板制作软件protel99Protel99SE是ProklTechnology公司开发的基于Windows环境下的电路板设计软件。该软件功能强大，人机界面友好，易学易用，业界人士首选的电路板设计工具。Protel99SE由两大部分组成：电路原理图设计（AdvancedSchematic）和多层印刷电路板设计（AdvancedPCB）。其中AdvancedSchematic由两部分组成：电路图编辑器（Schematic）和元件库编辑器（SchematicLibrary）。(二)电路仿真与调试1、PIR输出信号及运算放大电路仿真运算放大电路仿真如图5-1所示。图5-1PIR输出信号及运算放大电路仿真图5-1当中红色为PIR输出正弦波信号，蓝色为第一级放大电路输出信号，橙色为第二级放大电路信号。由仿真图可知：当电路输入信号为1.174mV时，第一级放大电路输出为2.986V，第二级放大电路输出为4.395V。满足了设计的要求。2、比较器和开关电路仿真比较器和开关电路仿真如图5-2所示。图5-2比较器和开关电路仿真图5-2当中红色为比较器输入信号，橙色为开关管输出信号。由仿真图可知：当电路输入信号为4.298V时，开关管输出为5.988V。由图可知，电路输入为正弦波信号，输出为方波信号。满足了设计的要求。3、延时电路延时电路波形如图5-3所示。图5-3延时电路波形图图5-3当中红色为NE555的（2）脚输入信号，橙色为NE555(3)脚输出信号。由仿真图可知：当没人来的时候，电路输入为高电平，输出为低电平。当有人来的时候，NE555的（2）脚输入端输入了几个脉冲信号，NE555的（3）脚输出端输出高电平，当人离开过了一段时间后输出端变为低电平。满足了设计的要求。结论总之,热释电红外传感器的应用十分广泛,本设计采用了LM324集成运放和NE555延时电路。这两个集成电路比较常用，成本又比较低。对各元件的要求比较低，没有像主动式红外感应电路那么难调。我认这应该就是以后所有热释电感应电路的基础。但是用其它的电路更为方便，集成化更高，如与各种型号的专用处理集成电路(如CS9803GP)配套使用,则外围电路更为简单,安装调试更方便,工作更加稳定可靠。因为CS9803是由振荡器、计数器、PIR检测、信号放大、系统时钟、输出控制等电路组成,代替了图3-1中的LM324集成运放和NE555部分。不过这样的话应用电路成本会稍微高一点。在应用中应注意的问题:1、首先要正确判别传感器的几个端子。管脚朝自己,顺时针为D、S、E;D端接正电源,E端接地,S端输出正弦信号送往高、低通放大器。2、高、低通放大器,一般要求总放大增益为60-70dB左右比较合适,否则红外线传感器探测距离及反映灵敏度就要大打折扣了。致谢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，熟练了multisim11和protel99仿真软件应用。深入领会理论知识，学会运用常用器件制作实用小电路，提高个人设计能力，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AntoniRogalski．Infrareddetectors:statusandtrends[J]．ProgressinQuantumElectronics．2003.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．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.ToreyinBU．FlamedetectionusingPIRsensors[J]．SignalProcessing,CommunicationandApplicationsConference．2008.吕璠．热释电红外报警器的设计[A]．廊坊师范学院学报．2008．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．UrfaligluO．PIR-sensorbasedhumanmotioneventclassification[J]．Processing,CommunicationandApplicationsConference．2008.瞿贵荣．菲涅尔透镜及其应用[J]．家庭电子．2005．康光华．电子技术基础数字部分[M]．北京:高等教育出版社．2006.董雪峰．HN911的红外探测模块及其应用[B]．电子世界．2004．李诗海．CD4013原理与应用[J]．电子制作．2000．第1期：38.康光华．电子技术基础模拟部分[M]．北京：高等教育出版社．2006.汤姆·彼得鲁德利斯著，张宝玲，董启雄，李晓波译[M]．电子技术完全实践．北京：科学出版社．2006.张晓东，吴有仓．电工实用电子制作[M]．北京：国防工业出版社．2005.赵广林．看图快速学Protel99SE电路设计与制版[M]．北京：电子工业出版社．2009.附录1热释电感应门铃电路原理图附录1热释电感应门铃电路原理图附录2元器件明细表序号名称型号规格数量备注1电阻器RT―0.125―b―1kΩ―±10%1R12RT―0.125―b―10kΩ―±10%3R4、R9、R143RT―0.125―b―47kΩ―±10%1R24RT―0.125―b―68kΩ―±10%1R125RT―0.125―b―100kΩ―±10%4R3、R5、R7、R86RT―0.125―b―220kΩ―±10%2R11、R137RT―0.125―b―470kΩ―±10%1R158RT―0.125―b―560kΩ―±10%1R169电容器CD11-25-10u±20%2C2、C510CD11-25-47u±20%2C3、C611CD11-25-100u±20%2C1、C912CD11-25-220u±20%1C1113CC41-0805-CG-100-10n±5%3C4、C7、C814CC41-0805-CG-100-100n±5%1C1215集成电路LM3241X1A、X2B、X3C、X4D16时基电路NE5551U117红外感应探头PIR1旧底图总号更改标记数量更改单号签名日期底图总号拟制红外感应门铃电路四川信息职业技术学院审核日期签名等级标记第1张共1张标准化批准目录TOC\o"1-2"\h\z1.总论 11.1项目基本情况 11.2可行性研究依据 11.3项目的意义和必要性 21.4技术经济指标 52.项目承担单位的基本情况 82.1项目承担单位 82.2项目负责人 93.市场预测 103.1保健品国内外市场分析 103.2虫草制品市场分析 143.3市场竞争力分析 164.建设地点、建设规模、产品简介 184.1建设地点 184.2产品方案及建设规模 184.3产品简介 185.项目的技术水平和主要特点 195.1产品的技术特点 195.2产品的生产工艺 196.原辅料消耗及外部配套条件落实情况 276.1主要原辅料、包装材料用量 276.2外部配套条件 287.项目建设方案 307.1总图布置 307.2建设内容 317.3土建、公用系统配套 318.环境保护、资源综合利用、节能 328.1环境保护 328.2资源综合利用 368.3节能 379.项目组织机构与人力资源配制 389.1组织机构 389.2劳动定员及人员培训 3910.建设进度计划、建设期管理 3910.1建设进度计划 3910.2建设期管理 39HYPERLINK\l"