紅外感應式語音門鈴電路設計東油課程設計

1、<p>　　課 程 設 計</p><p><b>　　2013年3月1日</b></p><p><b>　　第1章 概述</b></p><p><b>　　1.1目的及意義</b></p><p>　　激光具有良好的單色性和相關性，因此，在精密計量、光通信

2、、光頻標、高分辨光譜學等領域中得到了廣泛的應用。</p><p>　　門鈴歷史悠久，現代社會最常見的是電子門鈴。門鈴的類型由有線門鈴發(fā)展為無線 門鈴，由單純的音樂門鈴發(fā)展到對講門鈴，遙控門鈴，可視門鈴等。隨著經濟的發(fā)展， 門鈴也已經不單純作為居家提醒來客的工具了。善于創(chuàng)新的人類會去思考，門鈴是否可 以用來提醒主賓雙方，是否可以既用于迎賓又用于防盜。感應門鈴就是在這種探索中產生。 </p><p

3、>　　感應門鈴又稱迎賓器，是近年才有的常用于小型商鋪，超市起迎賓防盜作用的電子 產品。感應門鈴的前身是電子防盜報警器；事先人們用它來防盜的，但后來因為電子防 盜報警器發(fā)出的聲音是刺耳的報警聲，對進店的顧客產生消極的影響，后來演變成比較 悅耳的聲音，特別是：叮咚聲，您好，歡迎光臨等音效備受用戶的青睞，顧客一進門就報出歡迎語音，起到了禮貌問候，從而做到提醒店員有人進店和迎賓的兩重作用。 </p><p>　　感

4、應門鈴分光感應式和紅外感應式。光感門鈴是利用人體反射光線，光敏電阻得到 足夠大變化的光線，電路產生變化電流觸發(fā)電路，靈敏度跟物體反射率有關。但光感迎 賓器與環(huán)境光照度有關，黑暗情況下不能正常使用。常見紅外感應式門鈴使用紅外熱釋 電傳感器，本身不發(fā)射任何信號，當接收到人體輻射的特定紅外線中心波長信號時，才會觸發(fā)電路。 </p><p>　　光感應式的價格便宜，但是誤報率高，因為的傳感核心是光敏電阻，光敏電阻對可見

5、光大部分波長都反應變化，故光線變化可能會觸發(fā)迎賓器反應。紅外感應式的相比價格 較高，但優(yōu)點誤報極少，加上前面的菲涅爾透鏡窗口，從而將誤報率降至最低。紅外式 采用先進微電腦制造技術，無論白天黑夜都可正常使用，即可做迎賓器使用，也可做獨 立報警器使用。性能卓越，節(jié)能易用，靈敏度強，更適合市場的需要，更貼近消費者的 生活內容，辦公寫字樓、家居、商店、工廠等各種場合均可使用，帶來方便之余，更帶來意想不到的快樂和安全感。 </p>

6、<p>　　紅外感應式技術的核心就是紅外探測器。紅外探測器是一種將不可見的紅外輻射轉 換成可測量的信號的光敏器件。探測器作為紅外整機系統的核心關鍵部件，探測、識別和分析紅外信息。一個完整的紅外探測器包括紅外敏感元件、紅外輻射入射窗口、外殼、 電極引出線以及按需要而加的場鏡、浸沒透鏡、濾光片等。按工作機理分為熱探測器和光子探測器兩大類。熱釋電紅外傳感器就是熱探測器的一種。 </p><p>　　本次設計就

7、是要根據現有紅外感應門鈴技術，在掌握其設計原理的基礎上，利用紅外探測器加上必要的芯片及元器件，制作一個簡易實用廉價的感應門鈴。 </p><p>　　1.2基本內容和設計方案</p><p>　　1.2.1基本內容 </p><p>　　1）了解紅外感應探測技術，重點掌握熱釋電紅外傳感器的原理，掌握常用邏輯芯片及獨立元器件的應用情況，熟悉常見紅外感應器件的性能參數。

8、了解語音芯片的型號及存儲內容。了解可能使用的常見芯片及獨立元器件的價格。 </p><p>　　2）根據理論知識及實際需要與成本限制，分析需要使用的模塊，構建完整模型，進行模塊分析，設計出合理完善的技術方案，另外注意功能的拓展功能實現的難易程度，及拓展模塊與原電路的兼容性。 </p><p>　　根據所設計的方案，完成電路仿真。 </p><p>　　1.2.2 技

9、術方案 </p><p>　　本方案設想用于商鋪門口，當有顧客進入時，門鈴自動響起悅耳的音樂，提醒店主 有人進入并起歡迎顧客的作用。而在顧客離去時，門鈴不發(fā)聲。并且電路應具有一定的</p><p>　　拓展空間，以便后續(xù)實現附加功能。 </p><p>　　在探測模塊，預選用熱釋電紅外探測模塊，只對人體發(fā)出的特定紅外波長有感應效果，屏蔽了其他外界影響引起的誤報。由于

10、要確定顧客的行走方向，故需要兩個探測感應模塊，根據信號產生的先后順序來判別是進還是出。在控制模塊，使用門電路，觸發(fā)器和獨立元器件，通過組合，使控制電路可以根據探測模塊產生的不同信號來判別顧客的進出，從而產生不同的控制信號，得到不同的響應功能。 </p><p>　　在發(fā)聲模塊，采用內置特定音樂的音樂芯片，搭配小功率喇叭，實現發(fā)聲功能。這里使用“請開門”的語音芯片也可以使用的音樂芯片等。 </p>&

11、lt;p>　　在供電模塊，采用5V直流電源供電。功能實現后可考慮增加拓展模塊，如當顧客出門時發(fā)出另一種提示音，或者在商鋪無人時，模式改為報警門鈴等。 </p><p>　　1.3課題研究的主要內容</p><p>　　本次課題研究內容就是要根據現有的已市場化的感應門鈴的制造原理，在掌握感應技術，特別是紅外感應技術的基礎上，采用紅外探測模塊加上必要的芯片及元器件，設計一個簡易實用廉價

12、的感應式門鈴。要求重點在于掌握設計原理，并將書本所學與實際結合起來，提高實踐能力，熟悉電路設計的基本流程與方法，熟悉常用電子元器件、芯片的參數并能熟練使用它們，熟練運用Protel軟件對電路進行仿真。通過研究設計感應式門鈴，熟悉感應探測技術的具體應用，為以后的科研和制作積累經驗。 </p><p><b>　　摘 要</b></p><p>　　本文在掌握熱釋

13、電紅外傳感器的基本原理和基本模擬電路、數字電路知識原理（包括</p><p>　　與非門，D觸發(fā)器，三極管，電容，電阻，揚聲器等）的基礎上，介紹了一種新型的實用</p><p>　　的紅外探測模塊HN911以及雙D觸發(fā)器CD4013的常見應用情況。在此基礎上，運用它</p><p>　　們設計一個置于店鋪門口的用于迎接顧客的紅外感應式門鈴。它可根據顧客

14、的進出情況作</p><p>　　出不同的反應。設計完成后使用Protel對其作了仿真，結果較為理想，外界干擾不大的情</p><p>　　況下基本不會誤報，但揚聲器發(fā)聲的持續(xù)時間較理論值稍短0.2秒，誤差9%，但不影響</p><p><b>　　電路工作。 </b></p><p>　　論文主要研究了紅外感

15、應技術在日常生活中的典型應用，即感應式門鈴。通過對它的</p><p>　　研究，掌握紅外傳感器的基本原理，電路設計制作流程以及常用元器件的應用情況。 </p><p>　　研究結果表明：本文敘述的電路設計方案能達到預想的效果，當人進入時，揚聲器立</p><p>　　即發(fā)出問候語，而離開則不提示，并且可以進行功能拓展。 </p><p>

16、;　　本文特色在于：電路結構簡單，原理易懂，容易制作，并有一定的功能拓展性?？傮w 而言，本文對于理解感應式門鈴的原理與設計，進一步深化理論知識，提高動手實踐能力</p><p>　　都具有一定的參考價值。 </p><p>　　關鍵詞：感應技術；熱釋電紅外傳感器；D觸發(fā)器；紅外感應式門鈴 </p><p><b>　　Abstract </b&g

17、t;</p><p>　　The paper is based on grasping the pyroelectric infrared sensor’s basic principles and basic analog circuits, digital circuit theory of knowledge (including non-gate, D flip-flop, transistors, ca

18、pacitors, resistors, speakers, etc.). Then it introduces a new infrared detection module HN911 and the common usage of the D flip-flop—CD4013. On this basis, using them to design a infrared sensing doorbell which places

19、shop’s door to meet customers. According to case that customers’ pass in and out, it </p><p>　　The paper mainly studies the typical application of infrared sensing technology in the daily life—sensing doorbe

20、ll. Through this research, we should master the basic principle of infrared sensing technology, circuit design process and components application. </p><p>　　The results show that this paper describe

21、s the circuit design to achieve the desired requirements. Ones the people entering the shop, the speaker immediately issued greeting. And the doorbell isn’t prompted when the people leave. </p><p>　　T

22、he characteristics of this paper is: a simple circuit structure, easy to understand the principles and produce, have functional development. Overall, this paper describes the circuit design can meet the design require

23、ments. For beginners to understand sensing doorbell, further deepening the theoretical knowledge and improve practical ability with a certain value. </p><p>　　Key Words: Sensing technology ; Pyroelectric inf

24、rared sensors ; D flip-flop ; Infrared sensing doorbell.</p><p>　　第2章 感應門的基本原理</p><p>　　當今社會感應技術發(fā)展迅速，目前常用的感應技術有紅外感應，壓力感應，電感應， 磁感應，光感應，熱感應，微波感應，氣體感應等等。各種不同的感應技術都有各自的應 用領域，而且呈現越來越廣泛的趨勢?？偟膩碚f，感應技術的基

25、本原理就是自動對特定的</p><p>　　外界信號（包括物理、化學、生物等方面的各種信號）產生預定響應。</p><p>　　本文感應式門鈴用到的感應技術主要是紅外感應，而紅外感應技術就需要用到紅外傳感器。感應式門鈴就是通過紅外傳感器探測人體紅外信號，繼而經過一系列電路的判斷與控制，達到使揚聲器發(fā)聲的功能。 </p><p><b>　　2.1熱釋電傳

26、感器</b></p><p>　　紅外傳感器可分為兩類：主動式紅外傳感器和被動式紅外傳感器。</p><p>　　2.1.1熱釋電紅外傳感器概述</p><p>　　熱釋電紅外傳感器也稱熱釋電傳感器，是一種被動式調制型溫度敏感器。在電路原理圖中，通常采用字母“PIR”表示。傳感器本身不發(fā)射任何能量而只被動接收、探測來自環(huán)境的紅外輻射。傳感器安裝后數秒種已

27、適應環(huán)境，在無人或動物進入探測區(qū)域時，現場的紅外輻射穩(wěn)定不變，一旦有人體紅外線輻射進來，經光學系統聚焦就使熱釋電器件產生突變電信號，而發(fā)出警報。被動紅外傳感器形成的警戒線一般可以達到數十米。</p><p>　　被動式紅外傳感器主要由光學系統、熱傳感器（或稱為紅外傳感器）等部分組成。其核心是紅外探測器件，通過關學系統的配合作用可以探測到某個立體防范空間內的熱輻射</p><p>　　的變化

28、。紅外傳感器的探測波長范圍是8～14μm，人體輻射的紅外峰值波長約為10μm，</p><p><b>　　正好在范圍以內。</b></p><p>　　被動式紅外傳感器（Passive Infared Detector，PIR）根據其結構不同、警戒范圍及探測距離也有所不同，大致可以分為單波束型和多波束型兩種。單波束PIR采用反射聚焦式光學系統，利用曲面反射鏡將來自

29、目標的紅外輻射匯聚在紅外傳感器上。這種方式的傳感器境界視場角較窄，一般在5以下，但作用距離較遠，可長達百米。因此又稱為直線遠距離控制型被動紅外傳感器，適合保護狹長的走廊、通道以及封鎖門窗和圍墻。多波波束 型采用透鏡聚焦式光學系統，目前大都采用紅外塑料透鏡——多層光束結構的菲涅爾透 鏡。這種透鏡是用特殊塑料一次成型，若干個小透鏡排列在一個弧面上。警戒范圍在不同 方向呈多個單波束狀態(tài)，組成立體扇形感熱區(qū)域，構成立體警戒。菲涅爾透鏡自上而下

30、分 為幾排，上面透鏡較多，下邊較少。因為人臉部、膝部、手臂紅外輻射較強，正好對著上 邊的透鏡。下邊透鏡較少，一是因為人體下部紅外輻射較弱，二是為防止地面小動物紅外輻射干擾。多波束型PIR的警戒視場角比單波束型大得多，水平可以大于90，垂直視場角最大也可以達達到90，但作用距離較近。所有透鏡都向內部設置的熱釋電器件聚焦，因此靈敏度較高，只要</p><p>　　為了解決物品遮擋問題，又發(fā)明了吸頂式被動紅外傳感

31、器。安裝在頂棚上向下360范圍內進行探測。只要在防護范圍內，無論從哪個方向進入都會觸發(fā)電路，在銀行營業(yè)大</p><p>　　廳，商場的公共活動區(qū)等空間較大的地方得到廣泛使用。</p><p>　　被動式紅外傳感器由于探測性能好、易于布防、價格便宜而被廣泛應用。其缺點是相</p><p>　　對于主動式傳感器誤報率較高。</p><p>

32、　　感應式門鈴的應用范圍和設計要求決定了它應該是具有一個面的探測范圍，而且應該只對人體產生有效信號，這就排除了主動式紅外傳感器。再根據單波束和多波束PIR的比較，綜合考慮，決定使用被動式多波束型紅外傳感器。熱釋電紅外傳感器就是這種類型的傳感器。</p><p>　　2.1.2 紅外輻射 熱釋電效應</p><p>　　紅外輻射：紅外輻射的物理本質是熱輻射，它是由于物體內部分子的轉動及振

33、動而產生。這類振動是由物體受熱引起的，在一般常溫下，所有物體都是紅外輻射的發(fā)射源，但發(fā)射的紅外波長不同。實踐證明，溫度愈低的物體輻射的紅外線波長愈長，人體表面輻射出波長約為10μm。紅外線和所有電磁波一樣，具有反射、折射、散射、干涉和吸收等性質，但它的特點是熱效應最大。</p><p>　　熱釋電效應：因紅外線具有很強的熱效應，當交互變化的紅外線照射到晶體表面時，晶體溫度迅速變化，這時會發(fā)生電荷的變化，從而形成一

34、個明顯的外電場，這種現象稱為熱釋電效應。熱釋電紅外傳感器就是根據這種原理制成的。</p><p>　　2.1.3熱釋電紅外傳感器的結構及工作原理</p><p>　　眾所周知，只要物體本身溫度高于熱力學溫度0 K（約-273℃），則都會發(fā)射出相當于某一個溫度的輻射線，人體都有恒定的體溫，一般為37℃，所以會從人體表面輻射出波長約為10μm的紅外線。可利用面鏡或透鏡將人體所輻射出來的紅外線有

35、效地集中于熱釋電紅外傳感器上，通過熱釋電紅外傳感器將收集到的紅外線能量轉換為電氣信號。</p><p>　　熱釋電紅外傳感器內部由光學濾鏡、場效應管、紅外感應源（熱釋電元件）、偏置電阻、EMI電容等元器件組成。其結構及內部電路分別如圖2-1和圖2-2所示</p><p>　　圖2-1 熱釋電紅外傳感器結構</p><p>　　圖2-2 熱釋電紅外傳感器結構及內部

36、電路</p><p>　　光學濾鏡的主要作用是只允許波長在10μm左右的紅外線（人體發(fā)出的紅外線波長）通過，而將燈光、太陽光及其他輻射濾除掉，以抑制外界干擾。紅外感應源通常由兩個串聯或者并聯的熱釋電元件組成。這兩個熱釋電元件的電極相反，環(huán)境背景輻射對兩個熱釋電元件幾乎具有相同的作用，使其產生的熱釋電效應相互抵消，輸出信號接近為零。一旦有人進入探測區(qū)域內，人體輻射的紅外線就會通過部分鏡面聚焦，并被熱釋電元件接收。不

37、過由于角度不同，兩片熱釋電元件接收到的熱量不同，熱釋電能量也不同，不能抵消，經處理電路處理后輸出控制信號。熱釋電元件輸出的是微弱電信號，不能直接使用，需要用電阻將其轉換為電壓形式，該電阻阻抗高達104MΩ，故引入N溝道結型場效應管接成共漏形式來完成阻抗變換。</p><p>　　熱釋電紅外傳感器由陶瓷氧化物或壓電晶體元件組成，在元件兩個表面做成電極，在傳感器監(jiān)測范圍內溫度有△T的變化時，熱釋電效應會在兩個電極上產

38、生電荷△Q，即在兩電極之間產生一微弱的電壓△V。熱釋電效應所產生的電荷△Q會被空氣中的離子所結合而消失，即當環(huán)境溫度穩(wěn)定不變時，△T=0，傳感器無輸出。</p><p>　　我們一般口中所述的紅外探頭中有兩個關鍵性的器件：</p><p>　　一個是熱釋電紅外傳感器。它能將波長為8～12μm之間的紅外信號的變化轉變?yōu)殡娦盘枺ψ匀唤缰械目梢姽庑盘柧哂幸种谱饔?。因此在紅外探測器的有效感應區(qū)

39、內，當無人體移動時，熱釋電紅外傳感器感應到的只是背景溫度，沒有信號變化，所以不能產生電信號；當人體進人感應區(qū)，通過菲涅爾透鏡，熱釋電紅外傳感器感應到的是人體溫度與背景溫度的差異信號，此時產生電信號。</p><p>　　另外一個器件就是菲涅爾透鏡。菲涅爾透鏡一般固定在紅外傳感器正前方1～5cm的地方。它具有聚焦，即將熱釋電的紅外信號反射在紅外傳感器上的作用，還能將感應區(qū)內分為若干個明區(qū)和暗區(qū)，使進入感應區(qū)的移動物

40、體能以溫度變化的形式在熱釋電紅外傳感器上產生變化熱釋紅外信號，這樣熱釋電紅外傳感器產生變化的電信號，后續(xù)電路經檢測處理后產生可用信號。</p><p>　　2.1.4 熱釋電紅外傳感器的材料、類別及特性 </p><p>　　熱釋電紅外傳感器的制作材料以陶瓷氧化物和壓電晶體為最多，如PbTiO3（鈦酸鉛）、LiTaO3（鉭酸鋰）、LATGS（硫酸三甘肽）、PZT（鋯鈦酸鉛）等。這類材料具有

41、強烈的自發(fā)極化特性，平時靠捕獲大氣中的浮游電荷保持平衡，當受到熱輻射而產生溫度變化時，介質的極化狀態(tài)將隨之變化。由于表面電荷的變化速度遠遠小于內部電荷的變化速度，內、外層電荷會出現“失步”現象，即在表面電荷重新達到平衡的短暫時間內，將出現獨立的電荷。這就是電介質的熱釋電效應。</p><p>　　熱釋電紅外傳感器按內部安裝敏感元件個數多少，又可分為單元件、雙元件、四元件及特殊形式等幾種，最常見的為雙元件型。所謂雙

42、元件就是在一個傳感器中有兩個反相串聯的敏感元件，其特點是：</p><p>　?。?）當入射能量順序地射到兩個元件上時，其輸出要比單元件高一倍；</p><p>　?。?）由于兩個元件逆向串聯，對于同時輸入的能量會相互抵消，可防止太陽或燈頭等紅外線引起誤動作；</p><p>　?。?）可防止因環(huán)境溫度變化引起的檢測誤差；</p><p>　

43、?。?）常用的敏感元件還具有壓電效應，所以雙敏感元件還可以消除因振動引起的檢測誤差。</p><p>　　上文圖2-2就是雙元型元件。</p><p>　　特殊形式有溫補單元型，主要用于輻射高溫計、氣體分析設備、火焰檢測器等。</p><p>　　目前常用的熱釋電紅外傳感器型號主要有P228、LHl958、LHI954、RE200B、KDS209、PIS209、LH

44、I878、PD632等。熱釋電紅外傳感器通常采用3引腳金屬封裝，各引腳分別為電源供電端（內部開關管D極，DRAIN）、信號輸出端（內部開關管S極，SOURCE）、接地端（GROUND）。常見的熱釋電紅外傳感器外形及各引腳功能如圖2-3所示。</p><p>　　熱釋電紅外傳感器的主要工作參數有：工作電壓（常用的熱釋電紅外傳感器工作電壓范圍為3～15V）、工作波長（通常為7.5～14 μm）、源極電壓（通常為0.4

45、～1.1V，R=47KΩ）、輸出信號電壓（通常大于2.0V）等。</p><p>　　圖2-3 常見的熱釋電紅外傳感器外形及各引腳功能</p><p>　　2.1.5 熱釋電紅外傳感器的輸出信號特性及優(yōu)缺點</p><p>　　熱釋電紅外傳感器輸出電信號的幅度和頻率主要決定于：目標人體的溫度、探測區(qū)域背景、人體離傳感器的距離、人體移動的速度、光學透鏡系統的焦距和設

46、計樣式。人體溫度和探測區(qū)域背景的溫差越大，離傳感器越近，輸出電信號的幅值將越大。雙敏感元熱釋電傳感器配合菲涅爾光學透鏡使用時，輸出信號波形電壓峰峰值約為1mV，頻率可由下列公式2-1計算：</p><p><b>　　（2-1）</b></p><p>　　其中：f是輸出信號頻率（Hz），Vb是人體移動速度（m/s），fb是光學系統焦距（mm），s是傳感器敏感元的面積

47、（mm2），L是人體離傳感器距離（m）。</p><p>　　對于雙敏感元傳感器，標準尺寸為2（mm）*1（mm），人體移動速度范圍為0.5（m/s）～5（m/s），常用探測器上使用的菲涅爾透鏡焦距為25（mm），我們可計算出傳感器輸出信號的頻率范圍為0.08～8Hz。</p><p>　　由于傳感器輸出的信號非常微弱，因此需要外接放大電路，也有些傳感器生產廠家直接將后續(xù)信號處理電路內置在

48、傳感器中，用戶直接就可以使用。</p><p>　　熱釋電紅外傳感器其優(yōu)點是本身不發(fā)出各種類型的輻射，該器件的功耗小、隱蔽性好、價格低。</p><p>　　其缺點是容易受各種熱源、光源及射頻輻射的干擾；被動紅外穿透力差，人體的紅外輻射容易被遮擋，不易被探頭接收；當環(huán)境溫度和人體溫度接近時，探測和靈敏度下降，有時還會短時失靈。</p><p>　　2.1.6 菲涅爾

49、透鏡 </p><p>　　熱釋電紅外傳感器不加光學透鏡（也稱菲涅爾透鏡），其檢測距離通常不大于2m，而加上菲涅爾透鏡后，其檢測距離可大于7m。因此在實際應用中，熱釋電紅外傳感器通常與菲涅爾透鏡配合使用。</p><p>　　菲涅爾透鏡是由法國物理學家奧古斯汀·菲涅爾（Augustin·Fresnel）發(fā)明的，他在1822年最初使用這種透鏡設計用于建立一個玻璃菲涅爾透鏡

50、系統——燈塔透鏡。菲涅爾透鏡（Fresnel Lense）是一種微細結構的光學元件，從正面看其象一個飛鏢盤，由一環(huán)一環(huán)的同心園組成，是依托菲涅爾理論由平凸透鏡演變而來的，是平凸透鏡的一種異化。它具有短焦距、大孔徑及厚度小的特點，用菲涅爾透鏡可以獲得更為柔和、均勻的光分布照明狀態(tài)。菲涅爾透鏡有兩種形式，即折射式和反射式。</p><p>　　其工作原理十分簡單，它有兩種理解方式：</p><p&

51、gt;　　（1）假設一個透鏡的折射能量僅僅發(fā)生在光學表面（如：透鏡表面），拿掉盡可能多的光學材料，而保留表面的彎曲度。如圖2-4所示。</p><p>　　圖2-4 菲涅爾透鏡1</p><p>　　另外一種理解就是，透鏡連續(xù)表面部分“坍陷”到一個平面上。從剖面看，其表面由一系列鋸齒型凹槽組成，中心部分是橢圓型弧線。每個凹槽都與相鄰凹槽之間角度不同，但都將光線集中一處，形成中心焦點，也就

52、是透鏡的焦點。每個凹槽都可以看做一個獨立的小透鏡，把光線調整成平行光或聚光。這種透鏡還能夠消除部分球形像差。如圖2-5所示。</p><p>　　圖2-5 菲涅爾透鏡2</p><p>　　菲涅爾透鏡，簡單的說就是在透鏡的一側有等距的齒紋，通過這些齒紋，可以達到對指定光譜范圍的光帶通（反射或者折射）的作用。傳統的打磨光學器材的帶通光學濾鏡造價昂貴，菲涅爾透鏡可以極大的降低成本，典型的例子

53、就是PIR。PIR廣泛的用在門鈴、警報器上。如果你拿一個看看，你會發(fā)現在每個PIR上都有個塑料的小帽子，這就是菲涅爾透鏡。小帽子的內部都刻上了齒紋。這種菲涅爾透鏡可以將入射光的頻率峰值限制到10μm左右（人體紅外線輻射的峰值），成本相當的低。</p><p>　　因此，菲涅爾透鏡作用有兩個：一是聚焦作用，即將熱釋紅外信號折射（反射）在PIR（熱釋電紅外傳感器）上，第二個作用是將探測區(qū)域內分為若干個明區(qū)和暗區(qū)，使進

54、入探測區(qū)域的移動物體能以溫度變化的形式在PIR上產生變化的信號，繼而傳感器就能產生控制信號。在熱釋電紅外傳感器應用中，菲涅爾透鏡的主要作用是聚焦作用。其工作示意圖如圖2-6所示。</p><p>　　圖2-6 菲涅爾透鏡聚焦作用示意圖</p><p>　　2.1.7 熱釋電紅外傳感器的安裝要求</p><p>　　熱釋電紅外傳感器的誤報率與安裝位置和方式有很大關系

55、，一般應注意以下幾點：</p><p>　?。?）傳感器應離地面2～2.5m，遠離空調器、冰箱、火爐、射燈等空氣溫度變化敏感的地方；</p><p>　?。?）不要正對著窗戶、門、灶臺，否則室外的熱氣和人員的頻繁流動會引起傳感器誤報；</p><p>　?。?）傳感器探測范圍不能有隔板、大型家具、屏風等遮擋物。</p><p>　　此外，熱釋

56、電紅外傳感器對人體敏感程度還和人的運動方向有關，它對于徑向移動反應最不敏感，而對于切向方向（即與半徑垂直的方向）移動最為敏感。如圖2-7所示。</p><p>　　圖2-7 熱釋電紅外傳感器靈敏度示意圖</p><p><b>　　2.2 D觸發(fā)器 </b></p><p>　　鎖存器是一種基本的記憶器件，它能夠儲存一位元的數據。由于它是一種

57、時序性的電路，所以并不需要時鐘輸入，它會根據輸入來改變輸出。</p><p>　　觸發(fā)器不同于鎖存器，它是一種時鐘控制的記憶器件，觸發(fā)器具有一個控制輸入信號（CP）。CP信號使觸發(fā)器只在特定時刻才按輸入信號改變輸出狀態(tài)。若觸發(fā)器只在時鐘CP由低電平到高電平（或高電平到低電平）的轉換時刻才接收輸入，則稱這種觸發(fā)器是上升沿（或下降沿）觸發(fā)的。</p><p>　　觸發(fā)器可用來儲存一位元的數據。

58、通過將若干個觸發(fā)器連接在一起可儲存多位元的數據，它們可用來表示時序器的狀態(tài)、計數器的值、電腦記憶體中的ASCII碼或其他資料。</p><p>　　D觸發(fā)器是最常用的觸發(fā)器之一。對于上升沿觸發(fā)的D觸發(fā)器來說，其輸出Q只在CP由低電平到高電平的轉換時刻才會跟隨輸入D的狀態(tài)而變化，其他時候Q則維持不變。目前常用的觸發(fā)器主要有三種電路結構：主從觸發(fā)器，維持阻塞觸發(fā)器和利用傳輸延遲的觸發(fā)器。而D觸發(fā)器主要是前兩種結構。&

59、lt;/p><p>　　2.2.1 主從觸發(fā)器</p><p>　　將兩個D鎖存器級聯，則構成CMOS主從觸發(fā)器，如圖2-8所示。圖中左邊的鎖存器成為主鎖存器，右邊的稱為從鎖存器。主鎖存器的鎖存使能信號正好與從鎖存器反相，利用兩個鎖存器的交互鎖存，則可實現存儲數據和輸入信號之間的隔離。</p><p>　　圖2-8 主從觸發(fā)器</p><p>

60、　　圖2-8中的觸發(fā)器工作過程分為以下兩個節(jié)拍：</p><p>　?。?）當時鐘信號CP=0時，=1，C=0，使TG1導通，TG2斷開，D端輸入信號進入主鎖存器，這時Q′跟隨D端的狀態(tài)變化，使Q′=D。例如，D為1時，經TG1傳到G1的輸入端，使=0，Q′=1。同時由于TG3斷開，切斷了從鎖存器與主鎖存器之間的聯系，而TG4導通，G3的輸入端和G4的輸出端經TG4連通，構成雙穩(wěn)態(tài)存儲單元電路，使從鎖存器維持在原

61、來的狀態(tài)不變，即觸發(fā)器的輸出狀態(tài)不變。</p><p>　?。?）當CP由0跳變到1后，=0，C=1，，使TG1斷開，從而切斷了D端與主鎖存器的聯系，同時TG2導通，將G1的輸入端和G2的輸出端連通，使主鎖存器維持原態(tài)不變。這時，TG3導通，TG4斷開，將端信號傳輸到Q端。若=0，經TG3傳送給G3的輸入端，于是=0，Q=1。</p><p>　　可見，從鎖存器在工作中總是跟隨主鎖存器的狀

62、態(tài)變化，觸發(fā)器因之冠名“主從”。它的輸出狀態(tài)轉換發(fā)生在CP信號上升沿到來后的瞬間，而觸發(fā)器的狀態(tài)僅僅取決于CP信號上升沿到達前瞬間的D信號，從功能上考慮成為D觸發(fā)器。如果以Qn+1表示CP信號上升沿到達后觸發(fā)器的狀態(tài)，則D觸發(fā)器的特性可以用下公式2-2來表示：</p><p>　　Qn+1=D

63、 公式（2-2）</p><p>　　稱為D觸發(fā)器的特性方程。它反映了觸發(fā)器在時鐘信號作用后的狀態(tài)與此前輸入信號D的關系。</p><p>　　2.2.2 維持阻塞觸發(fā)器 </p><p>　　維持阻塞結構的D觸發(fā)器的邏輯電路如圖2-9所示。該觸發(fā)器由3個用與非門構成的基本SR鎖存器組成，其中G1、G2和G3、G4構成的兩個基本SR鎖存器響應外部輸入數據D和時鐘信號

64、CP，他們的輸出Q2和Q3作為、信號控制著由G5、G6構成的第三個基本SR鎖存器的狀態(tài)，即整個觸發(fā)器的狀態(tài)。下面介紹其工作原理：</p><p>　　圖2-9 維持阻塞觸發(fā)器</p><p>　?。?）當CP=0時，與非門G2和G3被封鎖，其輸出Q2=Q3=1，即==1，使輸出鎖存器處于保持狀態(tài)，觸發(fā)器的輸出Q和不改變狀態(tài)。同時，Q2和Q3的反饋信號分別將G1和G4兩個門打開，使Q4=，

65、Q1==D，D信號進入觸發(fā)器，為觸發(fā)器狀態(tài)刷新做好準備。</p><p>　　（2）當CP由0變1后瞬間，G2和G3打開，它們的輸出Q2和Q3的狀態(tài)由G1和G4的輸出狀態(tài)決定，即=Q2==，=Q3==D，二者狀態(tài)永遠是互補的，也就是說，和中必有一個是0。由基本SR鎖存器的邏輯功能可知，這時Qn+1 = D，觸發(fā)器狀態(tài)按此前D的邏輯值刷新。</p><p>　?。?）在CP=1期間，有G1、

66、G2和G3、G4分別構成的兩個基本SR鎖存器可以保證Q2、Q3的狀態(tài)不變，使觸發(fā)器狀態(tài)不受輸入信號D的變化影響。在Q=1時，Q2=0，則將G1和G3封鎖。Q2至G1的反饋線使Q1=1，起維持Q2=0的作用，從而維持了觸發(fā)器的1狀態(tài)，稱為置1維持線；而Q2至G3的反饋線使Q3=1，雖然D信號在此期間的變化可能使Q4相應改變，但不會改變Q3的狀態(tài)，從而阻塞了D端輸入的置0信號，稱為置0阻塞線。在Q=0時，Q3=0，則將G4封鎖，使Q4=1，

67、既阻塞了D=1信號進入觸發(fā)器的路徑，又與CP=1，Q2=1共同作用，將Q3維持為0，而將觸發(fā)器維持在0狀態(tài)，故將Q3至G4的反饋線稱為置1阻塞、置0維持線。正因為這種觸發(fā)器工作中的維持、阻塞特性，所以稱之為維持阻塞觸發(fā)器。</p><p>　　雖然維持阻塞D觸發(fā)器的電路結構與主從觸發(fā)器的完全不同，但這兩個電路所實現的邏輯功能是完全相同的，都是在CP脈沖上升沿到來后瞬間轉換輸出狀態(tài)，將輸入信號D傳遞到Q端并保持下去

68、。因此，它們使用同一個邏輯符合，特性方程也是一致的。</p><p>　　2.2.3 觸發(fā)器的動態(tài)特性 </p><p>　　觸發(fā)器的動態(tài)特性反映其對輸入邏輯信號和時鐘信號之間的時間要求，以及輸出對時鐘信號響應的延遲時間。圖2-10所示的定時圖顯示了D觸發(fā)器各信號之間的時間要求或延遲。</p><p>　　（1）建立時間tSU</p><p>

69、;　　輸入信號D的變化會引起觸發(fā)器輸入電路的一系列變化，它必須在時鐘信號CP的上升沿（對上升沿觸發(fā)的觸發(fā)器而言）到來之前的某一時刻跳變到某一邏輯電平并保持不變，以保證與信號D相關的電路建立起穩(wěn)定的狀態(tài)，使觸發(fā)器狀態(tài)得到正確的轉換。該時間的最小值即建立時間tSU。</p><p>　　圖2-10 D觸發(fā)器定時器</p><p><b>　?。?）保持時間tH</b>&

70、lt;/p><p>　　信號D在CP上升沿到來之后還應保持一定時間，才能保證D狀態(tài)可靠地傳送到Q和端，該時間的最小值稱為保持時間tH。由于技術的進步，已有許多種觸發(fā)器可把保持時間降到0。這項特性在高速移位寄存器或計數器中是十分重要的。</p><p>　?。?）傳輸延遲時間tpLH和tpHL</p><p>　　時鐘脈沖CP上升沿至輸出端新狀態(tài)穩(wěn)定建立起來的時間定義為傳

71、輸延遲時間。tpLH是輸出從低電平到高電平的延遲時間，tpHL則是輸出從高電平到低電平的延遲時間，應用中有時取其平均傳輸延遲時間tpd = 0.5（tpLH ＋ tpHL）。</p><p>　　（4）觸發(fā)脈沖寬度tW</p><p>　　為保證可靠觸發(fā)，要求時鐘脈沖CP的寬度不小于tW，以保證內部各門正確翻轉。</p><p>　　（5）最高觸發(fā)頻率fcmax&l

72、t;/p><p>　　觸發(fā)器所能響應的時鐘脈沖CP最高頻率，fcmax = 1/Tcmin 。因為在CP高電平和低電平期間，觸發(fā)器內部都要完成一系列動作，需要一定的時間延遲，所以對于CP最高工作頻率有一個限制。</p><p><b>　　2.2 音樂芯片</b></p><p>　　音樂芯片是一種比較簡單的語音電路，它通過內部的振蕩電路，再外接少

73、量分立元件，就能產生各種音樂信號。音樂芯片是語音集成電路的一個重要分支，目前廣泛用于音樂卡、電子玩具、電子鐘、電子門鈴、家用電器等場合。</p><p>　　根據音樂輸出的特點我們將音樂電路分為以下幾類：單曲、復音、音樂帶閃燈、唱歌。按封裝形式有COB黑膏軟封裝和三極管封裝形式?；就庑稳鐖D2-11所示。</p><p>　　圖2-11 音樂芯片</p><p>

74、　　音樂芯片的外部引腳根據廠家、型號、功能的不同各有不同，但主要引腳沒有區(qū)別，圖2-11給出的是一種基本形式。</p><p>　　芯片各引腳的功能分別為：</p><p>　?。?）VDD和VSS分別是電源正端和負端，一般工作電壓范圍是2.4～5.5V；</p><p>　?。?）e、b、c三焊孔用來焊接外接功放三極管；</p><p>　

75、?。?）OSC是外接振蕩電阻端，振蕩電阻應接于OSC和VDD端間。值得注意的是，有些芯片的OSC是振蕩阻容端，是外接振蕩電阻和振蕩電容的公共端，而有些芯片則不需要外接電容電阻；</p><p>　　（4）TRIG為觸發(fā)端，高電平觸發(fā)有效。</p><p>　　第3章 系統設計方面</p><p>　　3.1 系統功能分析 </p><p>　

76、　本方案設想用于商鋪門口，當有顧客進入時，門鈴自動響起“請開門”（或者其他音樂）的預置聲音，既起到迎賓作用，也提示店主有顧客進入；而當顧客離開時則不提示。這樣不僅實現了感應式門鈴的基本要求，而且由于可判別人體行走方向，為以后的拓展功能預留了空間（比如顧客出門時提示“謝謝光臨”的預置音或者店鋪關門后可調整至報警狀態(tài)等）。</p><p>　　3.2 系統整體設計模塊</p><p>　　本設

77、計方案可分為4個模塊：紅外探測模塊，控制模塊，發(fā)聲模塊，供電模塊。如圖3-1所示。其中最關鍵的就是紅外探測模塊和控制模塊。前者決定了整個設計方案的成敗，而后者決定了能否實現預期效果。</p><p>　　圖3-1 系統模塊圖</p><p>　　3.3 紅外探測模塊 </p><p>　　紅外探測模塊實現的功能是將感應到的人體紅外線轉換為可用的驅動電信號。本模塊的

78、紅外感應部分采用熱釋電紅外線傳感器。它能以非接觸形式檢測出人體輻射的紅外線能量的變化，并將其轉換成電壓信號輸出。整個探測模塊主要由光學系統，熱釋電紅外傳感器，信號濾波和放大信號處理構成。如果使用獨立元器件完成信號處理的各項功能會比較復雜。這里采用一種新型模塊HN911。</p><p>　　3.3.1 HN911紅外探測模塊原理 </p><p>　　HN911是一款新型熱釋電紅外探測器，

79、采用雙列6腳直插式封裝。該傳感器由于內部放大器集成了溫度補償功能，可以將人體輻射信號從惡劣的環(huán)境輻射信號中分離出來進行處理，保證了傳感器的工作穩(wěn)定性。它具有靈敏度高，抗干擾能力強，耐低溫以及使用方便的特點。因而，HN911可在嚴寒或炎熱等惡劣環(huán)境地區(qū)使用。表3-1為HN911紅外探測模塊的性能指標。</p><p>　　表3-1 HN911紅外探測模塊的性能指標</p><p>　　HN

80、911紅外探測模塊內部電路如圖3-2所示，主要由熱釋電紅外傳感器、放大器、比較器、信號處理電路和延時輸出電路組成。電路靜態(tài)工作（即未檢測到紅外線）時，1腳輸出低電平，2腳輸出高電平。動態(tài)時，即有移動發(fā)熱物體進入探測范圍時，傳感器接收到紅外輻射能量，輸出幅度約1mV、頻率0.3～7Hz的微弱信號。該信號經放大器放大，由比較器進行比較判斷，再由信號處理電路處理，最后由延時輸出電路輸出用做驅動信號。此時，輸出端1腳變?yōu)楦唠娖剑?腳變?yōu)榈碗娖健?/p>

81、4腳和5腳間可外接電位器，以便調節(jié)其探測靈敏度。</p><p>　　圖3-2 HN911模塊內部電路結構</p><p>　　HN911模塊內放大器具有溫度補償功能。探測器工作時，人體輻射和周圍環(huán)境紅外輻射一起進入傳感器。當氣溫升高時，背景紅外輻射增強，傳感器自身極化強度即傳感器輸出的熱釋電信號減小，將明顯影響對人體的探測。因此，內部的溫度補償電路，使放大器的增益隨環(huán)境溫度的升高而升高

82、，從而保證了該傳感器的溫度穩(wěn)定性。</p><p>　　3.3.2 電路設計</p><p>　　由于HN911將熱釋電紅外傳感器的后續(xù)信號處理電路全部集成，輸出信號即為可用信號，因此對于本設計的紅外探測模塊可以直接由HN911構成，而不需要接任何外部電路。這里因為要判斷方向，故使用兩個HN911T。將其分別命名為H1和H2，并排排列在顧客行走的垂直方向，其電路圖如圖3-3所示。因為要使顧

83、客一進門就響，故可以把門鈴固定于門的側面，H1靠門外側，H2靠門內側。有人進入時，必然先經過H1，在經過H2；而出門也必然先經過H2，再經過H1。根據兩個HN911的1腳高電平來臨的先后次序，即可判斷顧客是進還是出。</p><p>　　由于感應范圍較寬，而兩個紅外傳感器靠的較近，可以知道，它們有一部分重疊的感應區(qū)域，即有一定的時間范圍內兩個傳感器同時輸出高電平。</p><p>　　圖3

84、-3 紅外探測模塊電路</p><p><b>　　3.4 控制模塊</b></p><p>　　控制模塊的功能是根據探測模塊傳來的信號進行判斷，若判斷結果為顧客進入，則輸出高電平，使發(fā)聲模塊工作；若判斷結果為顧客離開，則輸出低電平，發(fā)聲模塊不工作。因為發(fā)聲模塊正常工作需要一定的時間，而非一個瞬時脈沖，故要求控制模塊輸出的高電平能持續(xù)一段時間。無疑，這里應該用到觸發(fā)

85、器，對輸出可以起到一定時間的保持作用。</p><p>　　本次設計選用雙D觸發(fā)器CD4013。</p><p>　　3.4.1 CD4013的工作原理 </p><p>　　CD4013是CMOS雙D觸發(fā)器，內部集成了兩個性能相同，引腳獨立(電源共用) 的D觸發(fā)器，采用14引腳雙列直插塑料封裝，是目前設計開發(fā)電子電路的一種常用器件，它的使用相當靈活方便且易掌握，受

86、到許多電子愛好者的喜愛。</p><p>　　CD4013的管腳排列如圖3-4所示，內部有兩個完全相同的D觸發(fā)器FF1和FF2。圖中， D為數據輸入端，CLOCK為時鐘脈沖輸入端，Q和一對互補的輸出端，SET為置位端，RESET為復位端，VDD和VSS分別為電源正負端。</p><p>　　圖3-4 CD4013管腳圖</p><p>　　CD4013的功能表如表

87、3-2所示。由表中可知，當RESET=SET=0時，在CLOCK上升沿的作用下，Q端狀態(tài)與D端相同，即Q=D，也就是將D端數據置于觸發(fā)器；當RESET=1，SET=0時，電路復位，Q=0；當RESET=0，SET=1時，電路置位，Q=1。后兩種情況無需時鐘脈沖和數據端配合。一般情況下不允許同時在RESET，SET兩端加上高電平，因為此時觸發(fā)器的兩個輸出端均為高電平，是不正常的工作狀態(tài)。</p><p>　　Tab

88、le 3-2 CD4013 feature table</p><p>　　3.4.2 CD4013的四種工作方式 </p><p><b>　?。?）數據鎖存方式</b></p><p>　　圖3-5為D觸發(fā)器數據鎖存工作方式電路圖，也是它的基本功能。圖3-6是其輸出波形圖。由圖可見，在時鐘脈沖作用后（即上升沿），D端數被鎖存到Q端。若將多個

89、D觸發(fā)器組合可構成多位數據鎖存器或寄存器。</p><p>　　圖3-5 數據鎖存方式</p><p>　　圖3-6 數據鎖存方式輸出波形圖</p><p>　?。?）單穩(wěn)態(tài)工作方式</p><p>　　圖3-7和圖3-8分別是為D觸發(fā)器單穩(wěn)態(tài)工作方式電路圖和輸出波形圖。在時鐘脈沖作用下，Q端由0跳到1，并通過R1向電容C1充電，當電容C

90、上電壓Vc上升門限電壓VT（≈1/2Vcc） 時，觸發(fā)器被強迫復位，Q端由1自動跳到0，同時，Vc通過二極管D1迅速放電，為下一周期的工作做好準備。在單穩(wěn)態(tài)工作方式中，Q端的0態(tài)為穩(wěn)態(tài)，而1態(tài)稱為暫穩(wěn)態(tài)，tw為暫穩(wěn)態(tài)寬度，由R1和C1決定：tw=0.693R1C1。D觸發(fā)器構成定時器，消抖動電路都工作于單穩(wěn)態(tài)方式。</p><p>　　圖3-7 單穩(wěn)態(tài)工作方式</p><p>　　圖3-

91、8 單穩(wěn)態(tài)工作方式輸出波形圖</p><p>　　（3）無穩(wěn)態(tài)工作方式</p><p>　　圖3-9和圖3-10分別是D觸發(fā)器無穩(wěn)態(tài)工作方式電路圖及輸出波形圖，無穩(wěn)態(tài)工作方式也稱為多諧振蕩工作方式。其工作過程如下：假設D觸發(fā)器的初態(tài)Q=1，此時Q端通過R1向C1充電，當Vc1充至1/2Vcc時，D觸發(fā)器復位，Q端由1變?yōu)?，而由0變1，此時Q端通過R2向C2充電，當Vc2充至1/2Vcc

92、時，D觸發(fā)器被置位，Q=1，=0，完成一個工作周期。之后將不斷重復上述工作過程，形成多諧振蕩。振蕩周期T=0.693 （R1C1+R2C2）= tw1+tw2，振蕩頻率f=1.433/（R1C1+R2C2），改變R1C1與R2C2即可調節(jié)振蕩周期或頻率，并可得到所需要的脈沖占空比。當R1=R2，C1=C2時，得到的是方波輸出脈沖。</p><p>　　圖3-9 無穩(wěn)態(tài)工作方式</p><p&

93、gt;　　圖3-10 無穩(wěn)態(tài)工作方式輸出波形圖</p><p>　?。?）雙穩(wěn)態(tài)工作方式</p><p>　　圖3-11和圖3-12分別為D觸發(fā)器的雙穩(wěn)態(tài)工作方式電路圖及輸出波形圖。圖中，D與相聯，使得Qn+1=。即每有一個CP作用，Q端狀態(tài)與原來相反，也稱為計數狀態(tài)。</p><p>　　圖3-11 雙穩(wěn)態(tài)工作方式</p><p>　　

94、圖3-12 雙穩(wěn)態(tài)工作方式輸出波形圖</p><p>　　3.4.3 電路設計 </p><p>　　首先，需要進一步詳細明確設計目標：</p><p>　?。?）運用兩個D觸發(fā)器，紅外感應模塊中的H1和H2作為D觸發(fā)器的脈沖控制端使用，假設D1觸發(fā)器接H1，D2觸發(fā)器接H2，以D2觸發(fā)器的輸出端Q2作為控制模塊總輸出端，接后續(xù)電路模塊；</p>&

95、lt;p>　　（2）當H1和H2輸出低電平（即無人進出）時，應使得D2觸發(fā)器的脈沖端被封鎖，防止因干擾觸發(fā)致使Q2跳變?yōu)楦唠娖剑?lt;/p><p>　?。?）當H1先輸出高電平時，說明顧客是進入，應及時解鎖D2脈沖端CP2，以便H2輸出高電平時，Q2跳變?yōu)楦唠娖?，使發(fā)聲模塊工作；</p><p>　?。?）當H2先輸出高電平時，說明顧客是離開，D2脈沖端繼續(xù)封鎖，Q2輸出保持低電平。同

96、時，再當H1輸出高電平時仍不能解鎖D2脈沖端；</p><p>　?。?）當顧客進入時，Q2輸出高電平，應持續(xù)一定的時間，使發(fā)聲模塊正常完整工作后自動變?yōu)榈碗娖健?lt;/p><p>　　根據這些具體要求，電路設計如下圖3-13所示。這里用到了CD4013的單穩(wěn)態(tài)工作方式。</p><p>　　圖3-13 控制模塊電路圖</p><p>　　當

97、無人進出時，紅外探測模塊的H1和H2的輸出為低電平，兩個D觸發(fā)器的復位端R1和R2為低電平不起作用，Q1和Q2輸出也為低電平，電路處于等待狀態(tài)。此時，H2的輸出經與非門作用在D1上，使得D1保持高電平。由于Q1輸出低電平，H2的輸出無法通過與非門作用在D2脈沖端CP2上，即H2的探測信號被封鎖，即使H2輸出高電平，后續(xù)電路也無法接收到。</p><p>　　當顧客進門時，先經過H1，H1輸出的高電平作用于CP1端

98、，使得Q1輸出高電平，H2封鎖解除。顧客再經過H2時，H2輸出的高電平經兩個與非門后使CP2出現一個正脈沖，Q2翻轉為高電平，后續(xù)電路開始工作，同時D1變?yōu)榈碗娖?。Q2輸出的一個支路開始給C1充電，隨著C1上的電壓不斷升高，D觸發(fā)器的復位端R工作，Q1和Q2重新變?yōu)榈碗娖?。C1通過二極管向Q2放電，C1兩端電壓降低使R恢復低電平。顧客完全走出H2的感應范圍后，D1回復高電平。這里面，控制模塊輸出端Q持續(xù)輸出高電平的時間由R2和C1決定，

99、t≈0.693 R2C1，大概約為2.2秒，足夠支持揚聲器播報完預置語音。如果后續(xù)發(fā)生電路需要更長的高電平支持，只需適當調整R2和C1即可。</p><p>　　當顧客離開時，先經過H2，H2輸出高電平促使D1跳變?yōu)榈碗娖?，且由于Q1的低電平封鎖與非門，H2信號無法傳輸到CP2，Q2狀態(tài)不變，后續(xù)電路無法工作。顧客再經過H1時，因為此時仍處于H2的探測范圍（兩傳感器有重疊感應區(qū)域），D1保持低電平。所以盡管CP1

100、出現正脈沖信號，Q1繼續(xù)保持低電平不變，H2始終處于封鎖狀態(tài)，確保不出現誤報。顧客走出H2感應區(qū)后，D1恢復高電平，系統重新進入等待狀態(tài)。</p><p>　　這里如果不使用H2控制D1，將D1如同D2一樣始終接至高電平，則當連續(xù)有顧客出門時就會產生誤報。原理很簡單，當第一位顧客離開時，雖然模塊輸出Q保持低電平不變，但他經過H1時會給一個正脈沖信號使Q1輸出高電平，導致H2端的封鎖解除。如果此時再有一位顧客離開，

101、H2探測到的信號毫無阻礙的傳輸到CP2，Q2輸出高電平，電路工作，出現誤報。</p><p>　　3.4.4 器件選擇</p><p>　　與非門選用CD4011四2輸入與非門，D觸發(fā)器選用CD4013雙D觸發(fā)器，電阻使用1MΩ的碳膜電阻器，電容使用3.3uF的瓷介電容器，二極管使用1N4148。</p><p><b>　　3.5 發(fā)聲模塊</b&

102、gt;</p><p>　　發(fā)聲模塊的設計比較簡單，如圖3-14所示。這里選用KD5603語音芯片，內含“請開門”的預存語音。三極管選用9013，揚聲器采用8Ω，0.25W。</p><p>　　平時，因音樂芯片觸發(fā)端無信號，電路處于等待狀態(tài)，揚聲器不發(fā)聲。一旦控制模塊輸出高電平，KD5603的觸發(fā)端TRIG受高電平觸發(fā)，芯片內部輸出儲存的語音信號，經三極管放大后推動揚聲器發(fā)聲。</

103、p><p>　　圖3-14 發(fā)聲模塊電路圖</p><p><b>　　3.6 供電模塊</b></p><p>　　根據前面各個模塊的元件，芯片要求，采用+5V直流電源供電。</p><p>　　3.7 系統整體電路圖 </p><p>　　這個設計方案的完整電路圖如圖3-15所示。下面再累述一遍

104、完整的工作原理。</p><p>　　圖3-15 設計方案電路圖</p><p>　　無人進出時，傳感器無感應信號輸出，觸發(fā)器D1輸出低電平使H2的輸出信號被封鎖，觸發(fā)器D2輸出低電平使揚聲器不會發(fā)聲，整個電路處于等待狀態(tài)。</p><p>　　如果有人進入，H1先輸出正脈沖信號，Q1輸出高電平，H2解封鎖。隨后H2輸出的正脈沖信號使觸發(fā)器D2輸出高電平，促使音樂

105、芯片輸出語音信號，在經三極管放大信號，揚聲器工作，同時電容C1被充電。直到C1上電壓達到R的工作電壓，Q1、Q2被迫復位，音樂芯片不再輸出語音信號，揚聲器停止工作。同時C1經二極管向Q2放電，R回復低電平。</p><p>　　如果有人離開，H2先輸出的正脈沖信號在與非門處被Q1封鎖，無法傳遞到后續(xù)電路，揚聲器不工作。</p><p><b>　　第4章 系統仿真</b&g

106、t;</p><p>　　4.1 仿真工具簡介 </p><p>　　Protel是PORTEL公司在80 年代末推出的EDA軟件,在電子行業(yè)的CAD軟件中，它當之無愧地排在眾多EDA軟件的前面，是電子設計者的首選軟件。Protel 99SE覆蓋了以PCB為核心的整個物理設計,能實現從電學概念設計到輸出物理生產數據，以及這之間的所有分析、驗證和設計數據管理。</p><

107、;p>　　Protel 99SE共分為5個模塊，分別是原理圖設計，PCB設計（包含信號完整性分析)，動布線器，原理圖混合信號仿真，PLD設計。這里主要用到原理圖設計和仿真。 </p><p><b>　　4.2 仿真流程圖</b></p><p>　　使用Protel進行電路仿真有一定的次序性，中間每一項都不可少，特別是建立Spice</p>