东北石油大学课程设计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应用物理09—1姓名梅学号09主要内容：应用KD5603语音专用集成电路，HN911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2013.2.25~2013.3.1指导教师专业负责人2013年2月25日第1章概述1.1门铃的发展、作用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。

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章红外感应式语音门铃的工作原理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。

2.2 红外探测模块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。

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选择器件与非门选用CD4011四2输入与非门，D触发器选用CD4013双D触发器，电阻使用1MΩ的碳膜电阻器，电容使用3.3uF的瓷介电容器，二极管使用1N4148[17] [18]。

2.5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8Ω，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。

第3章感应式语音门铃电路设计3.1红外传感器的电路设计由于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，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3.2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3.2所示。

这里用到了CD4013的单稳态工作方式当无人进出时，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，t≈0.693 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。

当顾客离开时，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（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[16]。

第4章安装与调式4.1安装根据前面各个模块的元件，芯片要求，采用+5V直流电源供无人进出时，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。