应物红外感应式语音门铃电路设计.docx

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应物红外感应式语音门铃电路设计

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

专业班级应用物理091

学生姓名

学生学号7

指导教师

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

专业姓名学号0900107

主要内容：

应用KD5223语音专用集成电路，TX05D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

2013年2月25日

专业负责人

第1章概述

1.1目的及意义

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。

感应门铃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。

但光感迎宾器与环境光照度有关，黑暗情况下不能正常使用。

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。

光感应式的价格便宜，但是误报率高，因为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迎宾器反应。

红外感应式的相比价格较高，但优点误报极少，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。

第2章激光报警器工作原理

2.1基本工作原理

当门外来客人时，门铃会自动发出“叮咚，您好！

请开门！

”的语音声，通知主人及时开门。

另外，因为使用模块化的红外线反射开关，体积小、易隐蔽，所以还可同时兼作全天候房门报警器。

感应式语音门铃的电路如图1所示，它由红外线反射式探测、语音发生、音频功率放大和电源变换四部分电路组成。

电路核心元件IC1为新型红外线反射开关，它实质上是一种“一体化”红外线发射、接收模块，其内部包含了红外线发射、接收及信号放大与处理电路，能够以非接触形式检测出前方一定范围内的人体或物体，并转换成高电平信号从OUT端输出。

图1感应式语音门铃的电路

接通电源，220V交流市电经变压器T降压、VD1和VD2全波整流、C3滤波和IC3稳压后，输出稳定的5V直流电压，使IC1通电向外发射出频率约为40kHz的调制红外线。

当有人进人其有效检测区域内时，红外线被反射回来一部分，经与发光管同向并排安装的光敏三极管接收并转换成同频率的电信号后，由IC1内部电路进行一系列放大、解调、整形、比较处理，最后从OUT端输出高电平信号。

该信号直接触发语音集成电路IC2工作，使其OUT端输出内储“叮咚，您好！

请开门！

”的语音声电信号，经C1滤波、VT功率放大后，推动扬声器B发出清晰响亮的语音声来。

电路中，R为IC2外接时钟振荡电阻器，其阻值大小影响语音声的速度和音调。

C1主要用于滤去一些不悦耳的谐波成分，使语音声音质得到很大改善，并且声音更加响亮。

元器件选择IC1宜选用天津新特电子厂开发生产的TX05D型低功耗红外线反射式开关组件，该器件系模块化产品，全部电路焊装在尺寸约46.5mmx32mmx17mm（不包括安装支架）的塑料小盒内。

盒侧面设有一个红色发光二极管，用来指示开关工作状态（平时熄灭，有反射物时发光）；另有一灵敏度调节孔，顺时针调反射监测距离增大，逆时针调反射监测距离缩小。

TX05D共有3根外引线，通过2m长的双芯屏蔽线引出。

其中红色芯线为电源正线，白色芯线为信号输出引线，屏蔽网线为电源负线。

IC2选用HFC5223型语音门铃专用集成电路。

IC3选用78M05型固定式三端集成稳压器，其标准输出电压5V、最大输出电流0.5A.VT用8050型硅NPN中功率三极管，要求电流放大系数β＞100.VD1、VD2用1N4001型硅整流二极管。

R用RTX一1/8W型碳膜电阻器。

C1、C2用CT1型瓷介电容器，C3用CD11一16V型电解电容器。

B用8Ω、0.5W小口径动圈式扬声器，T用220V/7.5Vx2,3W优质电源变压器，要求长时间运行不过热。

FU用BGXP一0.15A型普通熔丝管，并配套机装管座。

XP用交流电二－极插头。

制作与调试IC2芯片通过4根长约7mm的元器件剪脚线插焊在电路板上，除IC1和XP外，焊接好的电路板可装人一个体积合适的塑料小盒内。

盒面板为扬声器B开出释音孔；盒侧面开孔固定FU管座，并通过适当长度的双股电线引出电源插头XP、通过IC1自带的2m（不够可加长）屏蔽线引出红外线探测模块。

实际应用时，在门扇上距离地面1.2m处开一小孔，将红外线探测模块的探测面由里向外对准小孔，并固定好模块，以便通过小孔检测到接近门口的人体。

IC1也可直接通过其引线引至门外合适位置处隐蔽安装。

将ICI上的灵敏度调节旋钮顺时针方向调至最大位置，即获）≥0.3m的理想探测距离。

如嫌语音声不够逼真，可通过适当改变R阻值（620kΩ－1．2MΩ），调整到满意为止。

2.2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。

，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。

（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。

2.3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。

2.4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。

第3章激光监控报警器电路设计

3.1系统设计

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。

如下图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1系统设计图

3.2红外探测模块

红外探测模块实现的功能是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。

整个探测模块主要由光学系统，热释电红外传感器，信号滤波和放大信号处理构成。

如果使用独立元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。

3.3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。

3.4发声模块

发声模块的设计比较简单，如下图2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。

图2发生模块原理图

3.5供电模块

根据前面各个模块的元件，芯片要求，采用+9V直流电源供电。

3.6整体电路图

这个设计方案的完整电路图如下图3所示。

下面再累述一遍完整的工作原理。

图3整体电路图

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。

如果有人进入，H1先输出正脉冲信号，Q1输出高电平，H2解封锁。

随后H2输出的正脉冲信号使触发器D2输出高电平，促使音乐芯片输出语音信号，在经三极管放大信号，扬声器工作，同时电容C1被充电。

直到C1上电压达到R的工作电压，Q1、Q2被迫复位，音乐芯片不再输出语音信号，扬声器停止工作。

同时C1经二极管向Q2放电，R回复低电平。

如果有人离开，H2先输出的正脉冲信号在与非门处被Q1封锁，无法传递到后续电路，扬声器不工作。

第4章安装与调试

购买的原件符合要求，安装与调试过程中也没遇到太大问题。

第5章结论

光电检测技术是以激光、红外、光纤等现代光电器件为基础,通过对载荷被检测物体信息的光辐射进行检测,即通过光电检测器件接收光辐射并转换为电信号,由输入电路、放大滤波等检测电路提取有用信息,再经模/数变换接口输入微型计算机运算、处理,最后显示或打印输出所需检测物体的几何量或物理量等参数。

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。

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。

本文特色在于：

电路结构简单，原理易懂，容易制作，并有一定的功能拓展性。

总体而言，本文对于理解感应式门铃的原理与设计，进一步深化理论知识，提高动手实践能力都具有一定的参考价值。

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。

参考文献

[1]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．第8期：

54

[2]AntoniRogalski．Infrareddetectors:

statusandtrends[J]．ProgressinQuantumElectronics．2003

[3]ToreyinBU．FlamedetectionusingPIRsensors[J]．SignalProcessing,CommunicationandApplicationsConference．2008.

[4]王卿．浅谈器件CD4013[A]．新余高专学报．2005．第10卷．第2期：

34-36

[5]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

东北石油大学课程设计成绩评价表

课程名称

光电检测技术

题目名称

红外感应式语音门铃电路设计

学生姓名

学号

0

指导教师姓名

职称

序号

评价项目

指标

满分

评分

1

工作量、工作态度和出勤率

按期圆满的完成了规定的任务，难易程度和工作量符合教学要求，工作努力，遵守纪律，出勤率高，工作作风严谨，善于与他人合作。

20

2

课程设计质量

课程设计选题合理，计算过程简练准确，分析问题思路清晰，结构严谨，文理通顺，撰写规范，图表完备正确。

45

3

创新

工作中有创新意识，对前人工作有一些改进或有一定应用价值。

5

4

答辩

能正确回答指导教师所提出的问题。

30

总分

评语：

指导教师：

年月日