簡易疲勞檢測電路的實現(xiàn)

樊政坦 ，張凱妍

（南京工程學院，江蘇南京，211100）

當今，交通事故已經(jīng)成為威脅世界各國公共安全的嚴重隱患之一，而造成交通事故的主要原因之一為疲勞駕駛。據(jù)統(tǒng)計，疲勞駕駛發(fā)生交通事故占全國交通事故總量的21%，并且疲勞駕駛發(fā)生交通事故死亡率高達83%。 目前市面上的疲勞檢測主要是針對機動車而言，且價格較為昂貴，而在中國有著龐大的非機動駕駛人群?？紤]到非機動車的特性，故本文設計一款可附著于頭盔內，價格低廉且能夠判斷司機是否進入疲憊狀態(tài)的產(chǎn)品，從而能有效減少交通事故的隱患。

1 電路模型

該電路判斷疲勞的依據(jù)：因為人眼眨眼時長正常 為300ms~400ms，而當人處于疲勞狀態(tài)時，則會延緩的眨眼時間， 故而將人閉眼時間超過1s，作為人體已經(jīng)疲勞的依據(jù)。

疲勞檢測電路由六個基本模塊組成：穩(wěn)壓電源模塊、光敏檢測模塊、RC 延時模塊、蜂鳴器警報模塊、光源模塊以及電壓保護模塊。其中，穩(wěn)壓電源模塊負責給其他模塊進行供電。當睜眼或者閉眼時，光敏檢測模塊將會依次輸出不同的電信號，接著RC 時延模塊在根據(jù)電信號的不同來進行不同時間的時延的同時也將發(fā)出一個電信號，蜂鳴器警報模塊依據(jù)該信號選擇是否進入報警狀態(tài)。該電路結構簡便，經(jīng)濟實惠，可攜帶性強，易于附著頭盔內部，可基本滿足疲勞檢測要求。

1.1 穩(wěn)壓電源模塊

使用電池來為電路提供所需工作電壓，其中采用線 性穩(wěn)壓電路來提供穩(wěn)定電壓。如圖1 左下角所示，參考電 壓Vf由穩(wěn)壓二極管D4 所決定。Vs為Vout在R23 與R22 串聯(lián)電阻 上的R22 的分壓，正常情況下，Vs等于Vf。當Vout大于所需 電壓時，Vs大于Vf，故同相放大器輸出電壓減小。反之， 若Vout小于所需電壓時，Vs小于Vf，則同相電壓放大器輸 出電壓增大。 由于三極管Q6 一直處于線性放大區(qū)，可視 為可變電阻，即當同相放大器輸出電壓減小時，三極管 輸出電流減小，導致Vs減小，同相放大器輸出電壓增大。當同相放大器輸出電壓增大時，三極管的輸出電流增大，導致Vs增大， 同相放大器的輸出電壓又會減小，故而起 到了一直起到了負反饋調節(jié)的作用，從而為整個電路提供一個穩(wěn)定的電壓值。同時該穩(wěn)壓電路相對來說便捷，廉價，綜合以上方面考慮，本文采用線性穩(wěn)壓電路來提 供電壓。

圖1 疲勞檢測電路原理圖

1.2 光敏檢測模塊

研究表明，視網(wǎng)膜對850nm 紅外光束的反射率大概為90%，這和對940nm 紅外光束的反射率不同。臉部其他部分對這兩種波長的紅外光束的反射率一致。因此本電路采用850nm 與940nm 的紅外光束來進行檢測。由于睜眼或者閉眼所對850nm 和940nm 的紅外光束的反射率不同，所對應的光敏晶體管也將感受到不同的光照強度，因而將會產(chǎn)生不同的輸出電壓[1]，這樣便可將睜眼或者閉眼的行為轉變?yōu)椴煌墓庑盘栠M行輸出，在光敏晶體管的作用下，不同的光信號又將轉變?yōu)殡娦盘栞敵?。由于這兩種波長的光對視網(wǎng)膜的反射率不同，而對其他部位的反射率相同，故而采用減法電路，可在抑制零點溫漂的同時輸出睜眼或者閉眼對應的電壓。在睜眼時，由于反射率不同，兩光敏晶體管輸出不同的電壓值，運算放大器將會輸出一個負值電壓，而在閉眼時，由于反射率相等，兩光敏晶體管輸出相同的電壓值，經(jīng)過減法電路應該輸出一個略大于零的正值。但是，由于構成減法電路的運算放大器U1 輸出的電壓值過小，于是便利用741來放大輸出的電壓。將741 電位比較器構成過零比較器[2]，即若當輸入電壓大于零，則輸出一個5V 的電壓值，若輸入電壓小于零，則輸出一個-5V 的電壓值，這樣便實現(xiàn)了對輸出電壓的放大的同時也將睜眼或者閉眼的行為轉變?yōu)檎摬煌碾娦盘枺瑥亩M行判別。

1.3 RC 延時模塊

利用電容兩端電壓不可以突變的性質，構成一個RC 時延電路[3]。其中，延時時間的計算公式為：

由公式可知，當經(jīng)過2～3τ(τ=R*C)后，電容基本上完成充放電。所以，可以依據(jù)不同R 的值來進行不同時長的充放電，從而起到了不同時長的延時作用。由于電容的瞬時充放電電流過大，且為使電容能夠快速放電，所以采用推挽式電路作為前級輸入。

由上文已知，對閉眼或睜眼的行為將會轉變?yōu)檎蛘哓摰碾娖?。下將利用NPN 型三極管Q1 與PNP 型三極管Q2來組成一個推挽式電路，當輸入的Vcc 是+5V 時，上方的NPN 型三極Q1 導通，下方的PNP 型三極管Q2 截止，這樣，將會輸出電平將會是Vcc-0.7V，這個0.7V 是PNP 型三極管Q1的基極與發(fā)射極之間的導通壓降。當輸入的Vcc是-5V時，上方的PNP 型三極Q1 截止，下方的PNP 型三極管Q2 導通，這樣，將會輸出電平將會是Vcc+0.7V，這個0.7V 是PNP型三極管Q2 的基極與發(fā)射極之間的導通壓降。該推挽電路輸出的電平再經(jīng)過壓保護模塊后進行輸出。為防止三極管Q7 將電容兩端電壓鉗制在0.7V。利用電阻R12 和穩(wěn)壓二極管D3 構成一個穩(wěn)壓電路，為三極管Q7 的發(fā)射極提供2.7V電壓，這樣當電容充電到3.4V 時，導通三極管Q7，且電容電位被三極管Q7 鉗制。由此，當GSP250 輸出為高電平時，二極管D1 未導通，此時電容充電，充電時間主要由R7，C1 決定，由于R7 電阻較大，故充電時間緩慢，可起到延時作用。當Q2 輸出為低電平，二極管D1 導通，電容放電，放電時間由R6 ，C1 決定，此時R6 電阻較小，起到了快速放電的作用。故當睜眼時，由于電容快速放電，Q7 迅速截止，而當閉眼時， 由于電容緩慢充電，Q7 經(jīng)過一段時間延時達到飽和，起到了閉眼后延時警報的作用。

1.4 蜂鳴器警報模塊

該模塊由蜂鳴器，Q5 構成，其中Q5 構成一個反相器。當睜眼時由于Q7 迅速截止，經(jīng)過反相器，輸出低電平，此時蜂鳴器不觸發(fā)警報。反之，當閉眼時，Q7 需要經(jīng)過一段時間才會飽和，飽和后經(jīng)過反相器，輸出高電平，從而觸發(fā)蜂鳴器警報，起到報警提醒功能。

1.5 光源模塊

此模塊使用兩個850nm 與940nm 的紅外發(fā)射管，其接 收方式采用反射式，即每個光敏晶體管分別與850nm 與940nm 的紅外發(fā)射管對應。通過這種方式，對由睜眼閉 眼所引起的反射率不同而產(chǎn)生的電壓變化進行檢測。

1.6 過壓保護模塊

為防止由于電容兩端的電壓值過大，而導致的電容被擊穿引起的不必要危害，故在電容C1 一端設置過壓保護模塊。該過壓保護模塊主要利用了穩(wěn)壓二極管的伏安特性，即當反向電壓小于其穩(wěn)定電壓時，穩(wěn)壓二極管上的電流極小，基本可以視為斷開，而當反向電壓超過穩(wěn)定電壓時，穩(wěn)壓二極管上的電壓維持在其穩(wěn)定電壓。

當推挽電路輸出電壓高于穩(wěn)壓二極管D2 穩(wěn)壓值時，PNP 型三極管Q7 的基極電壓為穩(wěn)壓值4.7V，而發(fā)射極電壓為推挽電路的輸出電壓，若推挽電路的輸出電壓高于5.4V，則PNP 型三極管Q7 導通，此時由于電阻R5 分壓，導致BSP250 的源極和柵極電壓一致，從而BSP250 截止，故無法輸出電平，從而起到了保護的作用。

而當推挽電路輸出電壓低于穩(wěn)壓二極管D2 的穩(wěn)壓值時，穩(wěn)壓二極管上的電流極小，基本可以視為斷開。PNP型三極管Q7 的基極電壓為推挽電路的輸出電壓，而發(fā)射極電壓也為推挽電路的輸出電壓，故PNP 型三極管Q7 截止，可視為斷開。BSP250 源極上的電壓與推挽電路輸出電壓一致，由于此時PNP 型三極管Q7 截止，故BSP250 的柵極電壓直接接地，從而源極與柵極之間的電壓大于BSP250 的導通電壓，BSP250 導通，故可以輸出一個電壓。

同時，由于MOS 管存在的寄生電容，并且輸入的是一個動態(tài)信號，從而該寄生電容會不可避免地造成一定程度的延時，且當其為放電時，所產(chǎn)生的電流可能為驅動的三極管Q7 造成傷害。因此為減少該MOS 管寄生電容的影響，在過壓保護模塊的輸出處添加一個下拉電阻R6 。

由于R6 的阻值較小，這樣便可以使得MOS 管的寄生電容快速放電，從而保證PMOS 管可以正常地處于開啟或者關閉狀態(tài)。

2 電路設計及分析

2.1 電路設計

通過幾個模塊的組合，可以得到所設計的整個電路的原理圖，如圖1 所示。

2.2 電路仿真以及相關測試

在仿真軟件Multisim 上畫出總電路圖，對電路 進行仿真測試。主要測試方案為以下兩項：

(1)測試該過壓保護模塊是否可以起到對電容的過壓保護作用。測試方法為：利用信號發(fā)生器，給電壓保護模塊的輸入端加上7V 的三角波，觀察其輸出波形，以此來測試該模塊是否可以起到相應的保護作用。

(2)測試該電路是否可以起到對疲勞的檢測作用，即當閉眼時間超過規(guī)定時間時，是否會觸發(fā)警報，且警報一直持續(xù)到睜眼結束。測試方法為：利用信號發(fā)生器給輸入端的鋸齒波，來模擬人眼的睜閉。通過比對輸入與輸出波形的時差，以此來判斷該電路是否可以起到相疲勞的檢測作用。

2.3 仿真模擬圖以及相關分析

以下為對上述兩種測試所產(chǎn)生的結果進行的分析：

測試一：由圖2 可視，當三角波信號大于5V 時，過壓保護模塊中PMOS 管BSP250 將會迅速截止，其輸出端所產(chǎn)生的電壓將會變?yōu)榱?，使其基本不超過5V，從而說明該模塊可以起到相應的過壓保護作用。

圖2 過壓保護模塊波形圖

值得注意的是，該過壓保護模塊的實際電壓保護值要略高于設定的4.7V。這是因為在三極管Q3 導通時會產(chǎn)生一定的壓降，所以對應的實際電壓保護值會略高于設定值。

測試二：由圖3 可知，當模擬閉眼的高電平施加到輸入端后，輸出端將會延遲1 秒左右的時間后才會輸出一個10V左右的高電平，直到模擬睜眼的低電平將要出現(xiàn)后，才會立即輸出一個低電平。由此可見，當人處于疲倦，閉眼時間變長，該電路將會輸出高電平驅動蜂鳴器警報，從而起到提醒的作用，而當人驚醒睜眼后，蜂鳴器會立即停止，且象征閉眼的高電平需要持續(xù)一段時間后，三極管Q5 才會被導通，所以當人處于正常的眨眼狀態(tài)下時，蜂鳴器將不會發(fā)生警報。

圖3 疲勞的檢測作用波形圖

綜上所述，該電路可以起到對疲勞的檢測作用。

2.4 相關問題及解決方案

首先， 由于該電路采用的是線性穩(wěn)壓電路，因此不 可避免地會產(chǎn)生負載過熱的現(xiàn)象，因而需要在電路上安裝 如散熱片之類的散熱設備，以防止電路因為過熱而導致的失靈， 或者采用開關式穩(wěn)壓電路，即利用開關管和PWM (Pulse Width Modulatioon) 控制芯片構成振蕩電路，產(chǎn)生高 頻脈沖。將高壓整流濾波電路產(chǎn)生的高壓直流電變成高 頻脈沖直流電，送到主變壓器降壓，變成低頻脈沖直流電。該方法可獲得更為穩(wěn)定的電壓，但同時成本也會上升。

其次，在光源模塊中，若想減少不同波長的光的干擾，也可以采用濾光片來獲得兩種不同波長的紅外射線。由于不同波長的光在通過光柵時，會產(chǎn)生不同角度地偏移， 故也可以在得到不同波長的光后，再通過分光計，將光敏 晶體管放置對應波長的光應該偏移角度的位置，這樣使得兩個光敏晶體管正好分別對相對應的波長進行檢測，由于不同波長的紅外光束已經(jīng)分開，所以可以降低不同波長 紅外光束的相互影響，進一步的降低誤差。

3 結束語

本文設計中的疲勞報警系統(tǒng)包含穩(wěn)壓電源模塊、光敏檢測模塊、RC 延時模塊、蜂鳴器警報模塊、光源模塊以及電壓保護模塊。通過Multisim 軟件進行電路仿真，結果表明，該電路基本能夠實現(xiàn)所預期的功能，當人眼閉合，電路能及時捕捉該信息，觸發(fā)RC 延時電路，若閉眼時間持續(xù)一秒以上，則會發(fā)出警報聲直到睜眼為止，當睜眼時，警報自動停止，防止人因關閉警報過程中引起不必要的交通事故。由此可見，該電路所達到的功能與預期的目標功能相符。本文所設計的電路結構簡單，實物小巧，價格低廉，便于固定在頭盔或眼鏡上，且能夠準確地實現(xiàn)所需要的功能，具有較大的實用價值，期待在將來可以得到進一步的改進與利用。