感应式语音门铃语音

1、感应式语音门铃 于珍珠 焦作大学机电工程学院毕业设计（论 文）中图分类号：感应式语音门铃专业名称：应用电子技术学生姓名：于珍珠导师姓名：王春霞（导师）焦作大学机电工程学院2012 年 10 月密级：单位代码：中图分类号：UDC ：感应式语音门铃Induction voice the doorbell姓名：于珍珠学制：三年专业 : 应用电子技术研究方 向：感应开关导师： 王春霞职称：导师论文提交日期：论文答辩日期:焦作大学机电工程学院摘要焦作大学机电工程学院毕业设计（论文）摘要本文基于掌握热释电红外传感器的基本原理和电子技术基础模拟部分、数字部分电路原理的基础上，介绍了一种实用型的红外探测模块H

2、N911以及触发器 CD4013组成的原理电路，在此基础上，运用其设计一个用于店铺的红外感 应式语音门铃。它可以根据顾客出入情况的不同给予不同的反应，完成后对其 仿真结果误差在接受范围内，不影响其电路工作。本文电路结构简单，原理易 懂，制作容易，并且有一定的拓展性。关键词 ：红外感应式门铃；热释电红外传感器； D 触发器；感应技术。摘要焦作大学机电工程学院毕业设计（论文）AbstractBased on the mastery of the pyroelectric infrared sensor sbasic principle and the foundation of electroni

3、c technology, digital circuit simulation based on the principle, introduced a kind of practical infrared detection module HN911 and CD4013 trigger composed of circuit principle, on the basis of this, using it is for the design of an infrared induction type voice rang the doorbell shop. It can be bas

4、ed on customer payments situation gives different reactions, after the completion of the simulation results of error in the accepted range, without affecting its working circuit. In this paper, the circuit structure is simple, the principle to understand, easy to manufacture, and has certain develop

5、ment.Key words:Infrared sensing doorbell； Pyroelectric infraredsensors ; D flip-flop ; Sensing technology。焦作大学机电工程学院毕业设计（论文） 目录目录1 引言 1.1.1 课题研究的背景及意义 11.2 国内外研究现状 11.3 课题研究的主要内容 22 感应式门铃的基本原理 3.2.1 热释电红外传感器 32.1.1 红外传感器的类型比较及选用 32.1.2 热释红外传感器概述 42.1.3 红外辐射、热释电效应 52.1.4 热释电红外传感器的工作原理及参数 52.2 菲涅尔透镜 8

6、2.2.1 菲尼尔透镜的基本原理 92.2.2 菲涅尔透镜的分类 62.3 D触发器 103 系统分析实验 1.2.3.1 整体系统模块 123.2 红外探测模块 123.3 控制模块 133.3.1CD4013 的功能 133.3.2CD4013 的工作方式 143.4 发声模块 163.5 供电模块 164 电路功能分析及设计 1.74.1 功能分析 174.2 系统整体电路及分析 185 电路仿真 1.9.5.1 仿真工具介绍 195.2 使用流程 205.3 控制模块仿真 205.4 仿真结果分析 216 结论 4.参考文献 2.3.引言焦作大学机电工程学院毕业设计（论文）1 引言1.

7、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

8、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，

9、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

10、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。引言焦作大学机电工程学院毕业设计（论文）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

11、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。感应式门铃的基本原理焦作大学机电工程学院毕业设计（论文）2 感应式门铃的基本原理当今社会感应技术发展迅速，目前常用的感应技术有红外感应，压力感应，电感应，磁感应，光感应，热感应，微波感应，气体感应等等。各种不同 的感应技术都有各自的应用领域，而且呈现越来越广泛的趋势。总的来说，感 应技术的基本原理就是自动对特定的外界信号（包括物理、化学、生物等方面 的各种信号）产生预定响应。本文感应式门铃用到的感应技术主要是红外感应， 而红外感应技术就需要用到红外传感器。感应式门铃就是通

12、过红外传感器探测 人体红外信号，继而经过一系列电路的判断与控制，达到使扬声器发声的功能。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

13、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

14、、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，现场的红外焦作大学机电工程学院毕业设计（论文）感应式门铃

15、的基本原理辐射稳定不变，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 14m，人体辐射的红外峰值波长约 为 10 m，正好在范围以内。被动式红外传感器根据其结构不同、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

16、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

17、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

18、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

19、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，而且灵敏度和可靠焦作大学机电工程学院毕业设计（论文）感应式门铃的基本原理性都得到提高，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

20、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 1 。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

21、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 10m。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工作原理及其参数热释电红外传感器通过目标与背景的温差来探测目标，其工作原理是利 用热释电效应，即在钛酸钡一类晶体的上、下表面设置电极，在上表面覆以黑 色膜，若有红外线间歇地照射

22、，其表面温度上升 T，其晶体内部的原子排列将产生变化，引起自发极化电荷，在上下 电极之间产生电压 U。常用的热释电红 外线光敏元件的材料有陶瓷氧化物和压 电晶体，如钛酸钡、钽酸锂、硫酸三甘 肽及钛铅酸铅等。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 电容等器 件组成，其内部电路框图如图所示。热释电红外传感器结构及内部电路焦作大学机电工程学院毕业设计（论文）感应式门铃的基本原理光学滤镜的主要作用是只允许波长在 10m 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掉，以抑制外界的干扰。 红外感 应源通常由两个串联或者并联的热释电

23、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。一旦有人侵入探测区域内，人体红外辐射 通过部分镜面聚焦，并被热释电元件接收，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，不能完全抵消，经处理电路处理后输出 控制信号。热释电效应同压电效应类似，是指由于温度的变化而引起晶体表面电荷的 现象。 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。由于它

24、的输出阻抗 极高，在传感器中有一个场效应管进行阻抗变换。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， TO，传感器无 输出。在自然界，任何高于绝对温度 -273 时物体都将产生红外光谱，不同温度 的物体，其释放的红外能量的波长是不一样的，因此红外波长与温度的高低有 关。人体或者体积较大的动物都有恒定的体温，一般在 37 度，所以会发出特 定波长 10m左右的红外线，当人体进入检测区，因人体温度与环境温度有差 别，人体发射的 10m 左右的红外线通过菲涅耳透镜滤光片增强后聚集到红外 感应源热释电元件上， 红外感应源在接收到人体红外辐射时就会失去电荷平衡， 向

25、外释放电荷，进而产生 T 并将 T 向外围电路输出，后续电路经检测处理 后就能产生报警信号。若人体进入检测区后不动，则温度没有变化，传感器也没有信号输出，所以这种传感器适合检测人体或者动物的活动情况。热释电红外传感器外形及各引脚功能目前常用的热释电红外传感器型号主要有 P228、 LHl958、 LHI954、 RE200B、 KDS209、PIS209、LHI878、PD632 等。热释电红外传感器通常采用 3 引脚金属 封装，各引脚分别为电源供电端 （内部开关管 D 极， DRAIN）、信 号输出端（内部开关管 S 极， SOURC）E、接地端（ GROUN）D。常 见的热释电红外传感器外

26、形及各引 脚功能如图所示。焦作大学机电工程学院毕业设计(论文)感应式门铃的基本原理热释电红外传感器的主要工作参数有 : 工作电压 : 常用的热释电红外传感器工作电压范围为 3 15V； 工作波长:通常为 7.5 14 m； 源极电压 : 通常为 0.4 1.1V，R47k； 输出信号电压 :通常大于 2.0V ；检测距离 : 常用热释电红外传感器检测距离约为 6 10； 水平角度 :约为 120；工作温度范围 : 10 40。热释电红外传感器的特点是反应速度快、 灵敏度高、准确度高、测量范 围广、使用方便，尤其可以进行非接触式测量使其主要应用于铁路、车辆、石 油化工、食品、医药、塑料、橡胶、纺

27、织、造纸、电力等行业的温度测量、温 度检测、设备故障的诊断。 22.2 菲涅尔透镜菲涅尔透镜 (Fresnel lens) ，又称螺纹透镜，是由 法国 物理学家奥古斯 汀菲涅尔( Augustin Fresnel) 发明的，他在 1822 年最初使用这种透镜设计 用于建立一个玻璃菲涅尔透镜系统灯塔透镜。菲涅尔透镜多是由聚烯烃材料注压而成的薄片，也有玻璃制作的，镜片表面一面为光面，另一面刻录了由 小到大的同心圆，它的纹理是利用光的干涉及扰射和根据相对灵敏度和接收角 度要求来设计的，透镜的要求很高，一片优质的透镜必须是表面光洁，纹理清菲涅尔透镜作用有两个：一是聚焦作用；二是将探测区域内分为若干个明

28、 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 热释红外信号。菲涅尔透镜的在很多时候相当于红外线及可见光的凸透镜，效 果较好，但成本比普通的凸透镜低很多。多用于对精度要求不是很高的场合， 如幻灯机、薄膜放大镜、红外探测器等。 3焦作大学机电工程学院毕业设计（论文）感应式门铃的基本原理2.2.1 菲尼尔透镜的基本原理涅尔透镜的工作原理十分简单：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。 传 统透镜到菲涅尔透镜结构的变化，另外一种理解就是，透镜连续表面部分“坍 陷”到一个平面上。如图：从剖面看，其表面由一系

29、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。简单地说，菲涅尔透镜一面是平坦的，另一面是凸起的。人们首次使用菲 涅尔透镜是在 18 世纪初，当时它被用在灯塔的探照灯上，聚焦射出来的光束。 当人们需要一面又薄又轻的透镜时，塑料菲涅尔透镜便派上了用场。尽管成像 质量不如玻璃透镜，但是在很多应用中我们并不需要完美的图像质量。菲涅尔透镜的原理基于菲涅尔波带片，菲涅尔波带片具有类似透镜的作用，它可以使入射光汇聚起来，产生极大的

30、光强。它也有类似于透镜的成像公式1 1 1r0R2 m，式中 为光源到波带的距离， r 0为透镜中心到像点的距离 R 透镜半径、 m 为波带数、 为入射光波长）。但波带片与透镜有个重要的区别，即一个波带片有很多焦点，上式给出的是它的主焦点，除此 之外，还有一系列的次焦点，它们的距离分别是 f 3、f 5、f 7. 。在其对称 位置（即 f 、 f 3、 f 5、 f 7. ）还存在着一系列虚焦点。焦作大学机电工程学院毕业设计（论文）感应式门铃的基本原理菲涅尔透镜背后的基本思想很简单。想象一下，取一面塑料放大镜并将其 切成一百个同心圆环（就像树的年轮）薄片。每个圆环都比旁边的圆环稍微小 一点，并

31、将光会聚到中心。现在，取出并修改每一个圆环，使其一边平坦并且 与其余圆环等厚。为了保持圆环向中心会聚光线的能力，各个圆环的斜面的角 度将有所不同。现在，若将所有圆环堆叠在一起，就可以得到一面菲涅尔透镜 了。当然也可以将透镜做得特别大。大型菲涅尔透镜经常用作太阳能聚光器。 42.2.2 菲涅尔透镜的分类从光学设计上来划分：a） 正菲涅尔透镜： 光线从一侧进入，经过菲涅尔透镜在另一侧出来聚焦成一点或以平行 光射出。焦点在光线的另一侧，并且是有限共轭。这类透镜通常设计为准直镜（如投影用菲涅尔透镜，放大镜）以及聚 光镜（如太阳能用聚光聚热用菲涅尔透镜。校准为平行光线把光线聚焦到一个点b）负菲涅尔透镜

32、： 和正焦菲涅尔透镜刚好相反，焦点和光线在同一侧，通常在其表面进 行涂层，作为第一反射面使用。焦作大学机电工程学院毕业设计（论文）感应式门铃的基本原理从结构上划分：圆形菲涅尔透镜菲涅尔透镜阵列柱状菲涅尔透镜线性菲涅尔透镜衍射菲涅尔透镜菲涅尔反射透镜菲涅尔光束分离器和菲涅尔棱镜。 52.3 D 触发器D触发器工作原理触发器工作原理触发器工作原理触发器工作原理 主从 JK 触发器是在 CP脉冲高电平期间接收信号，如果在 CP高电平期间输入端 出现干扰信号，那么就有可能使触发器产生与逻辑功能表不符合的错误状态。 边沿触发器的电路结构可使触发器在 CP脉冲有效触发沿到来前一瞬间接收信号， 在有效触发沿

33、到来后产生状态转换，这种电路结构的触发器大大提高了抗干扰 能力和电路工作的可靠性。下面以维持阻塞 D触发器为例介绍边沿触发器的工 作原理。维持阻塞式边沿 D触发器的逻辑图和逻辑符号如图所示。该触发器由六个与非门组成，其中 G1、G2 构成基本 RS触发器， G3、G4组成时钟控制电路， G5、G6组成数据 输入电路。和分别是直接置 0 和直接置 1 端， 有效电平为低电平。分析工作原理时，设为 高电平，不影响电路的工作。电路作过程如 下： CP=0时，与非门 G3 和 G4 封锁，其输出为 1，触发器的状态不变。同时，由 于 Q3至 G5和 Q4至 G6的反馈信号将这两个门 G5、 G6打开，

34、因此可接收输 入信号，使 Q6=D，Q3=Q4非=D。 当 CP由 0 变 1 时，门 G3 和 G4打开，它们的输出 Q3 和 Q4 的状态由 G5和 G6的输出状态决定。 Q3=Q3非=，Q4=Q6非=D。由基本 RS触发器的逻辑功能 可知， Q=D. 发器翻转后，在 CP=1时输入信号被封锁。 G3 和 G4打开后，它们的输出和 的状态是互补的，即必定有一个是 0，若 Q4为 0，则经 G4输出至 G6输入的 反馈线将 G6封锁，即封锁了 D通往基本 RS触发器的路径；该反馈线起到了- 10 -焦作大学机电工程学院毕业设计（论文） 感应式门铃的基本原理使触发器维持在 0 状态和阻止触发器

35、变为 1 状态的作用，故该反馈线称为置 0 维持线，置 1 阻塞线。 G3为 0 时，将 G4和 G5封锁， D 端通往基本 RS触 发器的路径也被封锁； G3输出端至 G5反馈线起到使触发器维持在 1 状态的 作用，称作置 1维持线； G3输出端至 G4输入的反馈线起到阻止触发器置 0 的作用，称为置 0 阻塞线。因此，该触发器称为维持阻塞触发器。 由上述分析可知，维持阻塞 D 触发器在 CP脉冲的上升沿产生状态变化，触 发器的次态取决于 CP脉冲上升沿前 D端的信号，而在上升沿后，输入 D端 的信号变化对触发器的输出状态没有影响。如在 CP脉冲的上升沿到来前 D=0，则在 CP脉冲的上升沿

36、到来后，触发器置 0；如在 CP脉冲的上升沿到 来前 D=1，则在 CP脉冲的上升沿到来后触发器置 1。维持阻塞触发器的逻辑 功能表如表所示。 6- 11 -系统分析实验焦作大学机电工程学院毕业设计（论文）3 系统分析实验3.1 整体系统模块本设计方案可分为 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。系统简易原理图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

37、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。红外探测模块原理： 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。其管脚排列及内部简易电路如下图所示。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，12焦作大学机电工程学院毕业设计（论文）系统分析实验耐低温以及使用方便的特点。因而， HN911可

38、在严寒或炎热等恶劣环境地区使用。HN911红外探测模块内部电路主要由热释电红外传感器、放大器、比较器、 信号处理电路和延时输出电路组成。电路静态工作（即未检测到红外线）时， 1 脚输出低电平， 2脚输出高电平。动态时，即有移动发热物体进入探测范围时， 传感器接收到红外辐射能量，输出幅度约 1mV、频率 0.3 7Hz的微弱信号。该信 号经放大器放大，由比较器进行比较判断，再由信号处理电路处理，最后由延 时输出电路输出用做驱动信号。此时，输出端 1脚变为高电平， 2脚变为低电平。 4脚和5脚间可外接电位器，以便调节其探测灵敏度。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

39、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。 73.3 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。本设计选用双 D 触发器 C

40、D4013。3.3.1 CD4013 功能CD4013是 CMOS双 D触发器 , 由两个相同的、相互独立的数据型触发器构 成。每个触发器有独立的数据、置位、复位、时钟输入和Q及 Q输出，此器件可用作移位寄存器，且通过将 Q 输出连 接到数据输入，可用作计算器和触发器。 在时钟上升沿触发时，加在 D输入端的逻辑电平传送到 Q输出端。置位和复位 与时钟无关，而分别由置位或复位线上的高电平完成。 8CD4013 Truth Table 真值表功能 :CL (Note 1)DRSQQ0000110010x00QQxx1001xx0110xx111113焦作大学机电工程学院毕业设计（论文）系统分析实验

41、3.3.2 CD4013 的工作方式 （1）数据锁存方式右图为 D 触发器数 据锁存工作方式电路图， 也是它的基本功能。下图 是其输出波形图。由图可 见，在时钟脉冲作用后 （即上升沿）， D 端数被 锁存到 Q 端。若将多个 D 触发器组合可构成多位数 据锁存器或寄存器。数据锁存方式2）单稳态工作方式两图分别是为 D 触发器单稳态工作方式电路图和输出波形图。在时钟脉冲作用下， Q 端由 0 跳到 1，并通过 R1 向电容 C1 充电，当电容 C 上电 压 Vc 上升门限电压 VT（ 1/2Vcc ） 时，触发器被强迫复位， Q 端由 1 自动 跳到 0 ，同时， Vc 通过二极管 D1 迅速放

42、电，为下一周期的工作做好准备。在 单稳态工作方式中， 度，由 R1 和 C1 决定： tw=0.693R1C1。D 触发器构成定时 器，消抖动电路 都工作于单稳态 方式。Q 端的 0 态为稳态，而 1 态称为暂稳态， tw 为暂稳态宽单稳态方式14焦作大学机电工程学院毕业设计（论文）系统分析实验单稳态方式输出波形（3）无稳态工作方式下图是 D 触发器无稳态工作方式电路图，无稳态工作方式也称为多谐振 荡工作方式。其工作过程如下：假设 D 触发器的初态 Q=1，此时 Q 端通过 R1 向 C1 充电，当 Vc1 充至 1/2Vcc 时，D 触发器复位， Q 端由 1 变为 0 ，而 Q 由 0 变

43、1，此时 Q 端通过 R2 向 C2 充电，当 Vc2 充至 1/2Vcc 时，D 触 发器被置位， Q=1，Q =0，完成一个工作周期。之后将不断重复上述工作过程， 形成多谐振荡。振荡周期 T=0.693 （R1C1+R2C）2 = tw1+tw2 ，振荡频率 f=1.433/ （R1C1+R2C）2 ，改变 R1C1 与 R2C2 即可调节振荡周期或频率，并可 得到所需要的脉冲占空比。当 R1=R2， C1=C2 时，得到的是方波输出脉冲。无稳态工作方式4）双稳态工作方式下两图分别为 D 触发器的双稳态工作方式电路图及输出波形图。图中， D 与Q 相联，使得 Qn+1= Q n 。即每有一

44、个 CP 作用，Q 端状态与原来相反， 也称为计 数状态 915焦作大学机电工程学院毕业设计（论文）系统分析实验双稳态工作方式输出波形3.4发声模块发声模块的设计比较简单，如下图所示。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 8， 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。3.5供电模块根据之前各个部分供电要求，本电路采用 +5V供电16焦作大学机电工程学院毕业设计（论文

45、）电路功能分析设计4电路功能分析设计4.1 功能分析（ 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

46、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。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

47、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，17电路仿真焦作大学机电工程学院毕业设计（论文）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

48、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

49、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。4.2系统整体电路及分析本设计方案的完整电路图如图所示。分析如下：系统整体电路无人进出时，传感器无感应信号输出，触发器 D1 输出低电平使 H2 的

50、 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。有人进入时， 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，18电路仿真焦作大学机电工程学院毕业设计（论文）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。有人离开时， 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。19电路仿真焦作大学机电工程学院毕业设计（论文）5 电路仿真5