红外感应门铃.docx

1、红外感应门铃题 目： 红外感应门铃设计 系 部： 专 业： 学 号： 学生姓名： 指导教师姓名： 指导教师职称： 二一二年12月摘要本设计的红外线感应电子门铃，可在来客距房门一定距离时发出音频信号，以告知主人“有客来访”。该门铃还可兼作报警器用。电路能探测人体发出的红外线，该红外线感应电子门铃电路由红外线发射电路、红外线接收电路、低频振荡器、音频振荡器和音频输出电路等组成。当人进入感应的区域内，即可发出铃声或者报警声，适用于家庭、办公室、仓库、实验室等比较重要场合的铃声和报警。概述了红外辐射的知识、反射式红外传感器的结构和工作原理。利用反射式红外传感器设计了一种被动式红外报警电路,分析了该电路

2、的功能和工作原理。反射式红外传感器具有很多的优点,在人们生活、安全、警戒等装置中应用较广。关键词：红外线 反射式 感应门铃第一章 绪论 11.1课题来源和意义 11.2 课题研究背景 21.3 课题研究内容 21.4 设计在国内外研究现状 2第二章 系统设计 42.1系统方案 42.2传感器概述 52.2.1 红外线传感器 52.2.2 红外线传感器的特点 52.2.3 主要特性 62.3 LM567芯片 62.3.1 LM567概述 62.3.2 芯片特点 72.3.3 电气特性 72.3.4 典型电路 82.4 CD4001芯片 92.4.1 CD4001概述 92.4.2 芯片特点 92

3、.4.3 电气特性 92.4.4 典型电路 102.5 红外线对射管 11第三章 实验 123.1 电路设计 123.1.1 电路的原理图 123.1.2 电路的组成部分 123.1.3 电路的工作原理 133.2 电路原理图、PCB板图的设计 143.2.1使用相关软件的介绍 143.2.2 如何绘制原理图 143.2.3 PCB板的生成 143.3 Protel使用常见问题 143.4 做板 163.5 焊接、组装 173.5.1 焊接 173.5.2 组装 173.6 调试、结果 18总结与展望 19致 谢 20参考文献 21附录一 22附录二 23第一章 绪论1.1课题来源和意义红外线

4、(Infrared rays)也是一种光线，由于它的波长比红色光还长，超出了人眼可以识别的范围，所以我们看不见它。红外线由德国科学家霍胥尔于1800年发现，又称为红外热辐射。通常把波长为0.751000m的光都称为红外线，并可以按照波长继续细分为三部分，即近红外线，波长为0.751.50m之间；中红外线，波长为1.506.0m之间；远红外线，波长为6.0l000m 之间。红外对射的特点是不影响周边环境、不干扰其它设备，红外线是一种光线，但又不同于普通可见光，它不会被察觉有了它不仅大大提高了劳动生产率，降低了成本，而且减轻了人们的劳动强度，改善了劳动条件。可以使用一对红外线发射与接收的装置，构成

5、红外线的对射系统，称为主动式红外线应用系统。当红外线收、发装置之间的隐形光路被阻挡时，接收装置可以立即察觉到，发出警示信号。利用这种对射系统，可以很方便地构建各种隐蔽的防盗警戒布控，还可以用于各种设备的安全防护或者自动控制方面，过探测特定空间中，一定波长范围内红外光线的位置移动，识别空间范围内是否有移动人体存在，达到安全警戒或者自动控制的目的。使用红外线做信号载波的优点很多：成本低、传播范围和方向可以控制（不会穿过墙壁，对隔壁家的电视造成影响）、不产生电磁辐射干扰，也不受干扰等等。因此被广泛地应用在各个技术领域中。所谓感应式门铃是针对传统的按键门铃而讲的。传统的门铃都为按键门铃，正常使用寿命为

6、一年（按20次/天）。而红外线感应式门铃，刚好可以取代人们按传统门铃的按钮的动作。直接由红外线感应触发门铃响起，节约了每年换按钮的成本，环保，美观。亦可作为警报作用。极大推到了人们的智能水平。随着微电子技术、无线技术和网络技术的飞速发展以及人们生活水平的大幅度提高，更廉价、功能更多、性能更好的无线遥控音乐门铃不断被研究并生产流入市场。本设计是在指导老师给定课题的基础上经过分析利用红外线传感器探测人体反射回来的红外线信号原理设计出来的红外线感应门铃。内容广泛，灵活应用。课题利用LM567、CD4001芯片，以及红外线传感器原理设计而成的典型电路。电路设计简单，能够应用到很多领域，有较高的实用价值

7、，可以起到提醒的作用。1.2 课题研究背景该感应门铃能探测到从红外线发射管发出的红外线，当人进入反射区域内，红外线被人体反射回来，被红外线接收管收到后，经过电路处理，从而发出音频信号，适用于家庭、办公室、仓库、实验室等比较重要场合的提醒门铃和报警功能。可以说这个设计是一个价格低廉，安全可靠的报警系统。红外遥控电路功耗低，可靠性高，相互干扰小，已在现代生活中得到广泛的应用，例如红外线加热、红外线医疗器械、红外线通讯、红外线摄像、红外线遥控等，红外线遥控只是红外线众多应用中的一部分，目前在家用电器中广泛应用的彩电遥控器、录像机遥控器，VCD机遥控器、高保真音响遥控器等，都采用了红外线遥控，它使这些

8、家用电器的控制变得十分简单、方便。1.3 课题研究内容课题通过对红外反射感应系统的设计和分析，用LM567通用音调译码器、红外线发射接收装置、CD4001或非门、三极管等器件设计电路。可以监测到一定范围内人体的运动，并发出音频信号。熟悉Protel 99se软件的应用，并且应用Protel 99se软件画出原理图以及制作电路板，制作实物并且调试、展示功能。掌握红外线发光二极管和红外线接收二极管的工作原理，理解芯片LM567和CD4001芯片的工作方式。熟悉做板的方法和焊接的技术。正确调试出电路的实物功能。1.4 设计在国内外研究现状报警系统以维护社会公共安全为目的，运用安全防范产品和其它相关产

9、品所构成的入侵报警系统、视频安防监控系统、出入口控制系统、停车场管理系统、防爆安全检查系统等，或由这些系统为子系统组合或集成的电子系统或网络。报警系统与人们的生活息息相关，随着经济的发展，人民生活水平的提高，报警系统更成为了构建社会治安防控体系、维护社会稳定的重要内容，并受到社会广泛的关注。在国内，报警安防产业正在快速发展，具体表现在：应用领域越来越广；需求点增多；普通家庭对安全产品需求的提高，应急体系、平安社会、平安城市、科技强警等政府项目促进了安防市场的升温。入侵报警系统是安全防范系统的重要组成部分，主要是利用传感器技术和电子信息技术探测并指示非法进入或试图非法进入设防区域的行为、处理报警

10、信息、发出报警信息的电子系统或网络。随着科技的提高，电子电器飞速发展，人民生活水平有了很大提高。各种高档家电和贵重物品为许多家庭所拥有。然而一些不法分子也越来越多。这点就是因为不法分子看到了大部分人防盗意识不够强所造成的结果。因此越来越多的居民家庭对财产安全问题十分担忧。报警系统这时为人们解决了大部分问题。但是市场上的报警系统大部分是适用于一些大公司的重要机构。其价格昂贵，使普通家庭难以承受。如果设计一种价格低廉，性能可靠的报警系统，必将在私人财产的防盗领域起到巨大作用。由于红外线是不可见光，隐蔽性能良好，因此在防盗、警戒等安保装置中被广泛应用。第二章 系统设计2.1系统方案图2-1 本方案的

11、基本原理框架图(1) 输出振荡信号：接通电源后，红外线发射管发射红外光，电路等待反射红外光；(2) 接收红外光：当红外光反射回来后，红外线接收管接收红外光；(3) 音频、低频振荡器工作：LM567和CD4001芯片开始工作，发出音频信号；(4) 音频电路工作：信号通过音频电路接收，经三极管放大信号然后输出信号，扬声器开始工作，发出声音。2.2传感器概述2.2.1 红外线传感器红外线传感器包括光学系统、检测元件和转换电路。光学系统按结构不同可分为透射式和反射式两类。检测元件按工作原理可分为热敏检测元件和光电检测元件。热敏元件应用最多的是热敏电阻。热敏电阻受到红外线辐射时温度升高，电阻发生变化，通

12、过转换电路变成电信号输出。光电检测元件常用的是光敏元件，通常由硫化铅、硒化铅、砷化铟、砷化锑、碲镉汞三元合金、锗及硅掺杂等材料制成。2.2.2 红外线传感器的特点红外线又称红外光，它具有反射、折射、散射、干涉、吸收等性质。红外辐射是由于物体（固体、液体、和气体）内部分子的转动及振动而产生的。这类振动过程是物体受热而引起的，只是在绝对零度（273.16）时，一切物体的分子才会停止运动。任何物质，只要它本身具有一定的温度，都能辐射红外线。红外传感器 利用红外辐射与物质相互作用所称呈现的物理效应探测红外辐射的传感器，多数情况下是利用这种相互作用所呈现的电学效应。红外线传感器测量时不与被测物体直接接触

13、，因而不存在摩擦，并且有灵敏度高，响应快等优点。红外线传感器常用于无接触温度测量，气体成分分析和无损探伤，在医学、军事、空间技术和环境工程等领域得到广泛应用。例如采用红外线传感器远距离测量人体表面温度的热像图，可以发现温度异常的部位，及时对疾病进行诊断治疗；利用人造卫星上的红外线传感器对地球云层进行监视，可实现大范围的天气预报；采用红外线传感器可检测飞机上正在运行的发动机 的过热情况等。2.2.3 主要特性 高灵敏度：400C/750F或 250C / 480 F 红外光谱： 1至 3 m 由自监测功能实现数字式控制 无需光学调整 使用维护方便 专为钢铁工业恶劣的工作环境设计，光电子电路放置于

14、重型外壳中 设有空气吹扫装置和水冷却系统 提供连接器和带有不锈钢辫型编织保护层的电缆2.3 LM567芯片2.3.1 LM567概述LM567 是一种高稳定性的锁相环音频泽码器集成芯片，其内部由鉴相器、电流控制震荡器、直流放大器、低通滤波器等电路组成，主要用于振荡、调制、解调、和遥控编、译码电路，芯片采用8脚双列直插塑封。图2-2 LM567内部原理LM567的基本工作状况有如一个低压电源开关，当其接收到一个位于所选定的窄频带内的输入音调时，开关就接通。换句话说LM567可做精密的音调控制开关。LM567作为通用音调译码器，当输入信号于通带内时提供饱和晶体管对地开关，电路由I与Q检波器构成，由

15、电压控制振荡器驱动振荡器确定译码器中心频率。用外接元件独立设定中心频率带宽和输出延迟。2.3.2 芯片特点 可调宽从0%到14% 对假信号抗干扰 高稳定的中心频率 电源电压5V-15V 宽信号输出与噪声的高抑制 用外接电阻20比1频率范围 中心频率调节从0.01Hz到500KHz 逻辑兼容输出具有吸收100mA电流吸收能力2.3.3 电气特性 1脚输出滤波 2脚回路滤波 3脚数据输入端 4脚正电源 5脚接定时电阻 6脚接定时电容 7脚接地 8脚数据输出端图2-3 LM567管脚图2.3.4 典型电路图2-4 LM567典型应用电路此典型电路利用了LM567接收到相同频率的载波信号后8脚电压由高

16、变低这一特性，来形成对控制对象的控制。IC1是红外接收头，它接收发射器发出的红外信号，其中心频率与发射器载波频率f0相同，经IC1解调后，在输出端OUT输出频率为f1的方波信号。我们将LM567的中心频率调到与发射器中“与非”门1、2振荡频率相同，即使f2= f1。则当发射器发射信号时，LM567便开始工作，脚由高电平变为低电平，利用这个变化的电平便可去控制各种对象。利用此电路，我们可以做成遥控开关，遥控家里的各种家用电器。2.4 CD4001芯片2.4.1 CD4001概述CD4001是四2输入或非门。或非门的逻辑关系特点是只有当输入端全部为低电平时，输出端为高电平状态；在其余输入情况下，输

17、出端为低电平状态。CD4001或非门为系统设计者提供了直接的或非功能， 补充了已有的COS/MOS门系列，所有输入和输出经过缓冲，改善了输入/输出特性，使得由于负载容量的增加而引起的传输时间的变化降低到最小。2.4.2 芯片特点 高电压型（20伏额定值）； 在CL=50pF，VDD=10V时，传播延迟时间为60ns（标准值）； 缓冲的输入和输出； 标准堆成输出特性； 在20V时，100%测试最大静态电流； 5V、10V和15V参数额定值； 噪声边界（全温度范围）： 在VDD=5V时为1V； 在VDD=10V时为2V； 在VDD=15V时为2.5V。2.4.3 电气特性 A脚至H脚为数据输入端

18、VDD 正电源 J、K、L、M脚为数据输出端 VSS 地图2-5 CD4001管脚图图2-6 CD4001内部逻辑图2.4.4 典型电路图2-7 CD4001典型电路此电路是CD4001组成的单通道调制器，适用于遥控发射或载波调制发送。2.5 红外线对射管红外对射管：红外对射管由红外发射管和红外接收管两部分组成。红外发射管在外加电压的情况下可以产生出红外线。红外线是一种光线，具有普通光的性质，但又不同于普通可见光，它不会被察觉。红外线具有可以光速直线传播、强度可调、可以通过光学透镜聚焦、可以被不透明物体遮挡等等诸多优点。红外接收管是与发射管配对的特制二极管，它可以接收到红外发射管发射出的红外线

19、，并产生微小的光电流，可以使用一对红外线发射与接收的装置，构成红外线的对射系统，称为主动式红外线应用系统。使用中，经常配对出现，当红外线收、发装置之间的隐形光路被阻挡时，接收装置可以立即察觉到，发出警示信号。利用这种对射系统，可以很方便地构建各种隐蔽的防盗警戒布控，还可以用于各种设备的安全防护或者自动控制方面。红外线发射与接收的方式有两种，其一是直射式，其二是反射式。直射式指的是发光管和接收管彼此相对安放在发射与受控物的两端，中间相距一定距离；反射式指发光管与接受管并列一起，平时接收管始终无光照，只有在发光管发出的红外光线遇到反射物时，接收管收到反射回来的红外光线才工作。本次设计的是运用反射方

20、式的红外对射管。第三章 实验3.1 电路设计 3.1.1 电路的原理图图3-1 红外感应门铃原理图3.1.2 电路的组成部分该红外线反射式电子门铃电路由红外线发射电路、红外线接收电路、低频振荡器、音频振荡器和音频输出电路等组成，如图3-1所示。电路中，红外线发射电路由红外发射管（红外线发光二极管）VLl、驱动晶体管V1、集成电路LM567的6脚的内电路及有关外围元器件组成；红外线接收电路由红外接收管（红外线光敏晶体管）V2和LM567的3脚内电路组成；低频振荡器由四或非门数字集成电路CD4001电部或非门D1与D2和电阻器R5,电容器C4等组成；音频振荡器由CD4001内部的或非门D3与D4和

21、电阻器R6、电容器C5等组成；音频输出电路由放大晶体管V3、电阻器R7和扬声器BL等组成。3.1.3 电路的工作原理LM567的输入端3脚为固定的高电平，它的输出端8脚输出高电平。LM567通过外接电阻R3及电容C3将其内部压控振荡器的振荡频率能够为100Hz，作为译码器的选频频率。接通电源后，LM567的6脚输出振荡信号，该信号经三极管V1放大后，驱动红外发射管VLI向空间发射一定距离的红外光。在房门前无人（VLI的前方无障碍物）时，光敏晶体管V2接收不到反射信号，LM567的8脚输出低电平，音频振荡器和低频振荡器均不工作，扬声器BL不发声。当有人靠进房门时，VLI发射的红外光信号将被人体反

22、射回来，使V2接收到红外线信号。当红外线接收管V2接收到红外反射信号后该信号直接由3脚输入LM567，经过译码后由8脚输出低电平。这一低电平经CD4001的1脚进入CD4001的或非门电路，低频振荡器和音频振荡器均不工作，信号经过三极管V3放大后，通过扬声器BL发出“嘟、嘟”声，告知主人门外有人。当主人外出时，可将开关S接通，此时若有客来访，则发光二极管VL2闪亮，提示主人不在家。电路也可以通过调节电位器RP的阻值，可增加VLI的辐射距离，这样可将门铃作为报警器使用。3.2 电路原理图、PCB板图的设计3.2.1使用相关软件的介绍当前电子技术发展日新月异，电子绘图和制板技术专业化程度越来越高，

23、电子CAD技术已经成为专业基础技术。Protel 99 SE共分5个模块，分别是原理图设计、PCB设计、自动布线器、原理图混合信号仿真、PLD设计。美国ACCEL technologies公司于1988年推出了当时非常受欢迎的电子线路CAD软件包TANGO，可以说是Protel的前身，Protel Technology公司收购ACCEL Technologies公司，推出了protel for DOS软件作为TANGO升级版本。3.2.2 如何绘制原理图（1）原理图的绘制a.打开PROTEL99SE,执行FILENEW感应式门铃.ddbBrowse保存到桌面。b.执行FILENEWSchema

24、tic Document,建立文件并命名为“感应式门铃.Sch”.c.执行FILENEWSchematic Library Document, 建立文件并命名为“感应式门铃.Lib”.c.在库中画出所需要的集成电路、发光二极管、三极管、开关、电阻、电容等。d.将所有的元器件排好进行连线。3.2.3 PCB板的生成a.执行Designcreat netlist生成网络发生器表b.执行FILENEWPCB Document,建立文件并命名为“感应式门铃.Pcb”.c.执行FILENEWPCB Library Document, 建立文件并命名为“PCB.lib”.d.一样的 自己在库中画出所需的元

25、器件f.排出PCB板 PCB板图3.3 Protel使用常见问题 1.原理图常见错误：(1) ERC报告管脚没有接入信号：a 创建封装时给管脚定义了I/O属性；b 创建元件或放置元件时修改了不一致的grid属性，管脚与线没有连上；c 创建元件时pin方向反向，必须非pin name端连线。(2) 元件跑到图纸界外：没有在元件库图表纸中心创建元件。(3) 创建的工程文件网络表只能部分调入pcb:生成netlist时没有选择为global。(4) 当使用自己创建的多部分组成的元件时，千万不要使用annotate.2.PCB中常见错误：(1) 网络载入时报告NODE没有找到：a 原理图中的元件使用了

26、pcb库中没有的封装；b 原理图中的元件使用了pcb库中名称不一致的封装；c 原理图中的元件使用了pcb库中pin number不一致的封装。如三极管：sch中pin number为e,b,c,而pcb中为1,2,3。(2) 打印时总是不能打印到一页纸上：a 创建pcb库时没有在原点； b 多次移动和旋转了元件，pcb板界外有隐藏的字符。选择显示所有隐藏的字符， 缩小pcb, 然后移动字符到边界内。多几次导出文件，做成新的DDB文件，减少文件尺寸和PROTEL僵死的机会。如果作较复杂得设计，尽量不要使用自动布线。3.4 做板对于电子产品来说，电路板设计是从电路原理图变成一个具体产品的必经之路，

27、电路板设计的合理性与产品的生产及产品的质量密切相关。设计选用的电路板是环氧树脂板, 环氧树脂与铜箔有极好的粘合力,同箔的附着强度与工作温度高,可以在260度的焊锡熔中不起泡。也可使用覆铜聚四氟乙烯玻璃布层压板。不同的材料有不同的特点，由于调试中可能多次更换元件，所以要考虑到铜箔的粘合力。线路板的好坏直接影响着电路元器件的性能，不好的线路板，会使信号产生歧变，产生本底噪音生尖峰脉冲干扰等，为了尽避免上述影响，线路板在线出尽量做到：接照信号的传输路径由小到大的顺序在电路板上各路的布置各元器的位置，尽量缩短各元器件之间的距离，以减少外部干扰的引入和不必要的干扰。在供电线路中，大电流通过的路径应尽量设

28、计得实一些，以降低电源内阻，使电流能顺利通过。在供电线路中，应尽量避免大电流的印刷电路式导线交布置在小电流通路的中间式附近，以免造成对小电流的干扰。走线时，应尽量走大于90度直角的线以防止产生尖峰脉冲造成干扰。在焊接的时候都是通过手工完成，在打孔时也是通过手工操作电钻完成，而我们并不是这方面的技工，这将在打孔的时候无法避免一些技术失误。如果焊盘的直径过小，在打孔时，孔稍微大了一点，焊盘便没有了。所以在设计旱盘大小是都设置为大于2毫米。线的宽度问题很重要，由于在学校的条件是手工腐蚀铜板，考虑到热转印中，炭粉的吸附与脱落问题，防止出现断线的情况，布线宽为1.5-2.5毫米。地线则尽可能的加宽，设置

29、为环绕在板的边缘。大功率元件与小功率元件尽量分开布线。在焊接的过程中要先将体形小的元器件比如电阻、瓷片电容先焊接好，然后再焊接芯片的插脚和其他体积较大的元器件。焊接好后用数字万用表检测电路是否有短路和断路以及虚焊现象。3.5 焊接、组装3.5.1 焊接焊接使用的方法是手工焊接中的一种：接触焊接。接触焊接是在加热的烙铁嘴或环直接接触焊接点时完成的。烙铁嘴或环安装在焊接工具上。焊接嘴用来加热单个的焊接点，而焊接环用来同时加热多个焊接点。焊接时，首先，工具上要对电烙铁的电烙头要保护好，不能够出现黑色的氧化物，如果有就用锉刀磨掉后马上粘松香补焊锡。焊锡与电路板、电烙铁与电路板的夹角最好成45度，这样焊

30、锡与电烙铁夹角成90度。然后将元器件的管脚对应好焊接电路板的焊接位置上，接着先将焊丝接触然后电烙头从下至上的较快速的上锡。焊接出来的焊点应该饱满，略有尖头。焊接IC等芯片原件时，可以先在板子上焊上插槽，安装在插槽上有几个好处：坏了之后更换方便；实验完后可以拿下来，而且引脚还是干净的，可重复利用；在调试的时候也能够方便检查出错误。3.5.2 组装红外发射二极管的工作原理与外形与发光二极管相似，常用的红外发光二极管，管压降约1.4V，工作电流一般小于20mA。为了适应不同的工作电压，回路中常常串有限流电阻。红外接收二极管接收到红外光信号时，其两端的电阻很小，即导通。当没有接收到红外光信号时，其两端的电阻很大，即断路。所以在安装此类元器件的时候，应注意红外线发射二极管发射出来的红外线信号能被红外线接收二极管接收到，不要被遮挡住。电路中的发光二极管，极性电容在安装时，应注意管脚的极性，防止正负极的颠倒，导致电路损坏。电路的电源用的是直流电源6V，在连接电源的时候，要注意电源的正负极，防止电路出现故障。3.6 调试、结果在调试的过程中，我先调试红外反射部分的电路，接通电源按下开关之后，发现发光二极管不亮，我对照原理图和PCB板用数字万用表检测每个元器件引脚的电压值，发现原来在画图的时候三极管的三个引脚接反了，