【導讀】撰寫的成果作品。本人完全意識到本聲明的法律后果由本人承擔。關學位論文管理部門或機構送交論文的復印件和電子版，允許論文被查閱和借閱。以采用影印、縮印或掃描等復制手段保存和匯編本學位論文。以用來提醒主賓雙方，是否可以既用于迎賓又用于防盜。賓器與環(huán)境光照度有關，黑暗情況下不能正常使用。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。熱釋電紅外傳感器就是熱探測器的一種。了解可能使用的常見芯片及獨立元器件的價格。果，屏蔽了其他外界影響引起的誤報。無人時，模式改為報警門鈴等。調查研究電路所需各種

　　

【正文】 收到紅外輻射能量，輸出幅度約 1mV、頻率 ～ 7Hz的微弱信號。該信號經(jīng)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?2腳變?yōu)榈碗娖健?4腳和 5腳間可外接電位器，以便調節(jié)其探測靈敏度 [13]。 圖 13 HN911模塊內部電路結構 武漢理工大學畢業(yè)設計（論文） 18 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，從而保證了該傳感器的溫度穩(wěn)定性。 電路設計 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 14 所示。因為要使顧客一進門就響，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(jīng)過 H1， 在經(jīng)過 H2；而出門也必然先經(jīng)過 H2，再經(jīng)過 H1。根據(jù)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。 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。 圖 14 紅外探測模塊電路 武漢理工大學畢業(yè)設計（論文） 19 控制模塊 控制模塊的功 能是根據(jù)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)器，對輸出可以起到一定時間的保持作用。 本次設計選用雙 D 觸發(fā)器 CD4013。 CD4013 的 工作 原理 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 ， 受到許多電子愛好者的喜愛。 CD4013的管腳排列如圖 15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(shù)據(jù)輸入端 ， CLOCK為時鐘脈沖輸入端 ， Q和 Q 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 [14]。 圖 15 CD4013 管腳圖 CD4013 的功能表如表 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(shù)據(jù)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(shù)據(jù)端配合。一般情況下不允許同時在 RESET， SET 兩端加上高電平，因武漢理工大學畢業(yè)設計（論文） 20 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)。 表 2 CD4013 功能表 CLOCK D RESET SET Q ↑ 0 0 0 0 ↑ 1 0 0 1 1 0 0 0 1 1 CD4013 的四種工作方式 （ 1）數(shù)據(jù)鎖存方式 圖 16 為 D 觸發(fā)器數(shù)據(jù)鎖存工作方式電路圖，也是它的基本功能。圖 17 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(shù)被鎖存到 Q 端。若將多個 D觸發(fā)器組合可構成多位數(shù)據(jù)鎖存器或寄存器。 圖 16 數(shù)據(jù)鎖存方式 武漢理工大學畢業(yè)設計（論文） 21 圖 17 數(shù)據(jù)鎖存方式輸出波形圖 （ 2）單穩(wěn)態(tài)工作方式 圖 18 和圖 19 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 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=。 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。 圖 18 單穩(wěn)態(tài)工作方式 武漢理工大學畢業(yè)設計（論文） 22 圖 19 單穩(wěn)態(tài)工作方式輸出波形圖 （ 3） 無穩(wěn)態(tài)工作方式 圖 20 和圖 21 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)?0，而 Q 由 0 變1，此時 Q 端通過 R2 向 C2 充電 ， 當 Vc2 充至 1/2Vcc 時， D 觸發(fā)器被置位， Q=1， Q =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= （ R1C1+R2C2） = tw1+tw2，振蕩頻率 f=（ 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。 圖 20 無穩(wěn)態(tài)工作方式 武漢理工大學畢業(yè)設計（論文） 23 圖 21 無穩(wěn)態(tài)工作方式輸出波形圖 （ 4）雙穩(wěn)態(tài)工作方式 圖 22 和圖 23 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Q 相聯(lián)，使得 Qn+1= nQ 。即每有一個 CP 作用， Q 端狀態(tài)與原來相反，也稱為計數(shù)狀態(tài) [15]。 圖 22 雙穩(wěn)態(tài)工作方式 圖 23 雙穩(wěn)態(tài)工作方式輸出波形圖 武漢理工大學畢業(yè)設計（論文） 24 電路設計 首先，需要進一步詳細明確設計目標： （ 1）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； （ 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? （ 3）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； （ 4）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。同時，再當 H1 輸出高電 平時仍不能解鎖 D2 脈沖端； （ 5）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? 根據(jù)這些具體要求，電路設計如下圖 24 所示。這里用到了 CD4013 的單穩(wěn)態(tài)工作方式。 圖 24 控制模塊電路圖 當無人進出時，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(jīng)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 的輸出無武漢理工大學畢業(yè)設計（論文） 25 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。 當顧客進門時，先經(jīng)過 H1， H1 輸出的高電平作用于 CP1 端，使得 Q1 輸出高電平，H2 封鎖解除。顧客再經(jīng)過 H2 時， H2 輸出的高電平經(jīng)兩個與非門后使 CP2 出現(xiàn)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)榈碗娖健?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)榈碗娖健?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， t≈ R2C1，大概約為 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。 當顧客離開時，先經(jīng)過 H2， H2 輸出高電平促使 D1 跳變?yōu)榈碗娖?，且由?Q1 的低電平封鎖與非門， H2 信號無法傳輸?shù)?CP2， Q2 狀態(tài)不變，后續(xù)電路無法工作。顧客再經(jīng)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 出現(xiàn)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(xiàn)誤報。顧客走出 H2 感應區(qū)后， D1 恢復高電平，系統(tǒng)重新進入等待狀態(tài)。 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(chǎn)生誤報。原理很簡單，當?shù)谝晃活櫩碗x開時，雖然模塊輸出 Q 保持低電平不變，但他經(jīng)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， H2 探測到的信號毫無阻礙的傳輸?shù)?CP2， Q2 輸出高電平，電路工作，出現(xiàn)誤報 [16]。 器件選擇 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 的瓷介電容器，二極管使用 1N4148[17] [18]。 發(fā)聲模塊 發(fā)聲模塊的設計比較簡單，如圖 25 所示。這里選用 KD5603 語音芯片， 內含 “ 歡迎光臨 ” 的預存語音。三極管選用 9013，揚聲器采用 8Ω， 。 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(jīng)三極管放大后推動揚聲器發(fā)聲。 武漢理工大學畢業(yè)設計（論文） 26 圖 25 發(fā)聲模塊電路圖 供電模塊 根據(jù)前面各個模塊的元件，芯片要求，采用 +5V 直流電源供電。 系統(tǒng)整體電路圖 這個設計方案的完整電路圖如圖 26 所示。下面再累述一遍完整的工作原理。 圖 26 設計方案電路圖 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)。 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 輸出的武漢理工大學畢業(yè)設計（論文） 27 正脈沖信號使觸發(fā)器 D2 輸出高電平，促使音樂芯片輸出語音信號，在經(jīng)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， Q 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(jīng)二極管向 Q2 放電， R 回復低電平。 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。 武漢理工大學畢業(yè)設計（論文） 28 4 系統(tǒng) 仿真 仿真工具簡介 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(xiàn)從電學概念設計到輸 出物理生產(chǎn)數(shù)據(jù)，以及這之間的所有分析、驗證和設計數(shù)據(jù)管理。 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），自動布線器，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 [19]。 仿真流程圖 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網(wǎng)絡表，一定不能忘記，而且每次修改原理圖后，都要重新建立 Spice 網(wǎng)絡表。流程圖如圖 27 所示。 圖 27 仿真流程圖 結束 創(chuàng)建項目 新建 Sch 文件 繪制原理圖 修改元器件參數(shù) 電器規(guī)則檢查 建立 Spice 網(wǎng)絡表 仿真 開始 武漢理工大學畢業(yè)設計（論文） 29 繪制原理圖 要想在 Protel 中實現(xiàn)仿真，則繪制原理圖時應該選擇定義了仿真特性的元器件及芯片。 Protel 99SE