感应式门铃设计毕业论文Word格式文档下载.docx
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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。
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
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
指导教师签字
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:
年月日
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
A
B
C
D
E
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。
10
9
8
7
≤6
综合运用能力
研究方案设计合理;
设计方法科学;
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。
20
19-20
17-18
15-16
13-14
≤12
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
40
37-40
32-36
28-31
25-27
≤24
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
15
13-14
11-12
≤9
工作量
工作量饱满;
圆满完成了任务书所规定的各项任务。
总分
是否同意将该设计(论文)提交答辩:
是()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
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
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。
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:
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。
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
ABSTRACT
Thepaperisbasedongraspingthepyroelectricinfraredsensor’sbasicprinciplesandbasicanalogcircuits,digitalcircuittheoryofknowledge(includingnon-gate,Dflip-flop,transistors,capacitors,resistors,speakers,etc.).ThenitintroducesanewinfrareddetectionmoduleHN911andthecommonusageoftheDflip-flop—CD4013.Onthisbasis,usingthemtodesignainfraredsensingdoorbellwhichplacesshop’sdoortomeetcustomers.Accordingtocasethatcustomers’passinandout,itcanmakedifferentreaction.Final,weuseProteltosimulationexperimentaltest.Thesimulationresultshowsthatthedesignhasgoodeffect.Thereisnomistakeifonlyalittleoutsideinterference.Butthecontinuoussoundtimeofspeakerisshorterthanthetheoreticalvalueof0.2seconds,errorof9%.Itdoesnotaffectthecircuit.
Thepapermainlystudiesthetypicalapplicationofinfraredsensingtechnologyinthedailylife—sensingdoorbell.Throughthisresearch,weshouldmasterthebasicprincipleofinfraredsensingtechnology,circuitdesignprocessandcomponentsapplication.Theresultsshowthatthispaperdescribesthecircuitdesigntoachievethedesiredrequirements.Onesthepeopleenteringtheshop,thespeakerimmediatelyissuedgreeting.Andthedoorbellisn’tpromptedwhenthepeopleleave.
KEYWORDS:
Sensingtechnology,Pyroelectricinfraredsensors,Dflip-flop,Infraredsensingdoorbell
第1章绪论
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。
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。
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起到迎宾、醒主和防盗报警作用。
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。
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。
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。
1.3课题研究的主要内容
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。
第2章感应式门铃的基本原理
2.1热释电红外传感器
2.1.1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。
(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。
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。
主动式红外传感器有单光束、双光束、四光束之分。
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。
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,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(PassiveInfaredDetector,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。
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大的地方得到广泛使用。
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。
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。
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,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]。
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10μm。
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。
2.1.4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0K(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10μm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[3][4]。
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10μm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104MΩ,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。
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。
热释电效应所产生的电荷△Q会被空气中的离子所结合而消失,即当环境温度稳定不变时,△T=0,传感器无输出。
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8~12μm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。
另外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1~5cm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]。
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PbTiO3(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。
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。
上文图2.2就是双元型元件。
特殊形
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