樊政坦 ，張凱妍

（南京工程學(xué)院，江蘇南京，211100）

當(dāng)今，交通事故已經(jīng)成為威脅世界各國(guó)公共安全的嚴(yán)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(jì)，疲勞駕駛發(fā)生交通事故占全國(guó)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(dá)83%。 目前市面上的疲勞檢測(cè)主要是針對(duì)機(jī)動(dòng)車(chē)而言，且價(jià)格較為昂貴，而在中國(guó)有著龐大的非機(jī)動(dòng)駕駛?cè)巳?。考慮到非機(jī)動(dòng)車(chē)的特性，故本文設(shè)計(jì)一款可附著于頭盔內(nèi)，價(jià)格低廉且能夠判斷司機(jī)是否進(jìn)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?yàn)槿搜壅Ｑ蹠r(shí)長(zhǎng)正常 為300ms~400ms，而當(dāng)人處于疲勞狀態(tài)時(shí)，則會(huì)延緩的眨眼時(shí)間， 故而將人閉眼時(shí)間超過(guò)1s，作為人體已經(jīng)疲勞的依據(jù)。

疲勞檢測(cè)電路由六個(gè)基本模塊組成：穩(wěn)壓電源模塊、光敏檢測(cè)模塊、RC 延時(shí)模塊、蜂鳴器警報(bào)模塊、光源模塊以及電壓保護(hù)模塊。其中，穩(wěn)壓電源模塊負(fù)責(zé)給其他模塊進(jìn)行供電。當(dāng)睜眼或者閉眼時(shí)，光敏檢測(cè)模塊將會(huì)依次輸出不同的電信號(hào)，接著RC 時(shí)延模塊在根據(jù)電信號(hào)的不同來(lái)進(jìn)行不同時(shí)間的時(shí)延的同時(shí)也將發(fā)出一個(gè)電信號(hào)，蜂鳴器警報(bào)模塊依據(jù)該信號(hào)選擇是否進(jìn)入報(bào)警狀態(tài)。該電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)便，經(jīng)濟(jì)實(shí)惠，可攜帶性強(qiáng)，易于附著頭盔內(nèi)部，可基本滿(mǎn)足疲勞檢測(cè)要求。

1.1 穩(wěn)壓電源模塊

使用電池來(lái)為電路提供所需工作電壓，其中采用線(xiàn) 性穩(wěn)壓電路來(lái)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(dāng)Vout大于所需 電壓時(shí)，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(shí)，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(xiàn)性放大區(qū)，可視 為可變電阻，即當(dāng)同相放大器輸出電壓減小時(shí)，三極管 輸出電流減小，導(dǎo)致Vs減小，同相放大器輸出電壓增大。當(dāng)同相放大器輸出電壓增大時(shí)，三極管的輸出電流增大，導(dǎo)致Vs增大， 同相放大器的輸出電壓又會(huì)減小，故而起 到了一直起到了負(fù)反饋調(diào)節(jié)的作用，從而為整個(gè)電路提供一個(gè)穩(wěn)定的電壓值。同時(shí)該穩(wěn)壓電路相對(duì)來(lái)說(shuō)便捷，廉價(jià)，綜合以上方面考慮，本文采用線(xiàn)性穩(wěn)壓電路來(lái)提 供電壓。

圖1 疲勞檢測(cè)電路原理圖

1.2 光敏檢測(cè)模塊

研究表明，視網(wǎng)膜對(duì)850nm 紅外光束的反射率大概為90%，這和對(duì)940nm 紅外光束的反射率不同。臉部其他部分對(duì)這兩種波長(zhǎng)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(lái)進(jìn)行檢測(cè)。由于睜眼或者閉眼所對(duì)850nm 和940nm 的紅外光束的反射率不同，所對(duì)應(yīng)的光敏晶體管也將感受到不同的光照強(qiáng)度，因而將會(huì)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(zhuǎn)變?yōu)椴煌墓庑盘?hào)進(jìn)行輸出，在光敏晶體管的作用下，不同的光信號(hào)又將轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)輸出。由于這兩種波長(zhǎng)的光對(duì)視網(wǎng)膜的反射率不同，而對(duì)其他部位的反射率相同，故而采用減法電路，可在抑制零點(diǎn)溫漂的同時(shí)輸出睜眼或者閉眼對(duì)應(yīng)的電壓。在睜眼時(shí)，由于反射率不同，兩光敏晶體管輸出不同的電壓值，運(yùn)算放大器將會(huì)輸出一個(gè)負(fù)值電壓，而在閉眼時(shí)，由于反射率相等，兩光敏晶體管輸出相同的電壓值，經(jīng)過(guò)減法電路應(yīng)該輸出一個(gè)略大于零的正值。但是，由于構(gòu)成減法電路的運(yùn)算放大器U1 輸出的電壓值過(guò)小，于是便利用741來(lái)放大輸出的電壓。將741 電位比較器構(gòu)成過(guò)零比較器[2]，即若當(dāng)輸入電壓大于零，則輸出一個(gè)5V 的電壓值，若輸入電壓小于零，則輸出一個(gè)-5V 的電壓值，這樣便實(shí)現(xiàn)了對(duì)輸出電壓的放大的同時(shí)也將睜眼或者閉眼的行為轉(zhuǎn)變?yōu)檎?fù)不同的電信號(hào)，從而進(jìn)行判別。

1.3 RC 延時(shí)模塊

利用電容兩端電壓不可以突變的性質(zhì)，構(gòu)成一個(gè)RC 時(shí)延電路[3]。其中，延時(shí)時(shí)間的計(jì)算公式為：

由公式可知，當(dāng)經(jīng)過(guò)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(lái)進(jìn)行不同時(shí)長(zhǎng)的充放電，從而起到了不同時(shí)長(zhǎng)的延時(shí)作用。由于電容的瞬時(shí)充放電電流過(guò)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(jí)輸入。

由上文已知，對(duì)閉眼或睜眼的行為將會(huì)轉(zhuǎn)變?yōu)檎蛘哓?fù)的電平。下將利用NPN 型三極管Q1 與PNP 型三極管Q2來(lái)組成一個(gè)推挽式電路，當(dāng)輸入的Vcc 是+5V 時(shí)，上方的NPN 型三極Q1 導(dǎo)通，下方的PNP 型三極管Q2 截止，這樣，將會(huì)輸出電平將會(huì)是Vcc-0.7V，這個(gè)0.7V 是PNP 型三極管Q1的基極與發(fā)射極之間的導(dǎo)通壓降。當(dāng)輸入的Vcc是-5V時(shí)，上方的PNP 型三極Q1 截止，下方的PNP 型三極管Q2 導(dǎo)通，這樣，將會(huì)輸出電平將會(huì)是Vcc+0.7V，這個(gè)0.7V 是PNP型三極管Q2 的基極與發(fā)射極之間的導(dǎo)通壓降。該推挽電路輸出的電平再經(jīng)過(guò)壓保護(hù)模塊后進(jìn)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(gòu)成一個(gè)穩(wěn)壓電路，為三極管Q7 的發(fā)射極提供2.7V電壓，這樣當(dāng)電容充電到3.4V 時(shí)，導(dǎo)通三極管Q7，且電容電位被三極管Q7 鉗制。由此，當(dāng)GSP250 輸出為高電平時(shí)，二極管D1 未導(dǎo)通，此時(shí)電容充電，充電時(shí)間主要由R7，C1 決定，由于R7 電阻較大，故充電時(shí)間緩慢，可起到延時(shí)作用。當(dāng)Q2 輸出為低電平，二極管D1 導(dǎo)通，電容放電，放電時(shí)間由R6 ，C1 決定，此時(shí)R6 電阻較小，起到了快速放電的作用。故當(dāng)睜眼時(shí)，由于電容快速放電，Q7 迅速截止，而當(dāng)閉眼時(shí)， 由于電容緩慢充電，Q7 經(jīng)過(guò)一段時(shí)間延時(shí)達(dá)到飽和，起到了閉眼后延時(shí)警報(bào)的作用。

1.4 蜂鳴器警報(bào)模塊

該模塊由蜂鳴器，Q5 構(gòu)成，其中Q5 構(gòu)成一個(gè)反相器。當(dāng)睜眼時(shí)由于Q7 迅速截止，經(jīng)過(guò)反相器，輸出低電平，此時(shí)蜂鳴器不觸發(fā)警報(bào)。反之，當(dāng)閉眼時(shí)，Q7 需要經(jīng)過(guò)一段時(shí)間才會(huì)飽和，飽和后經(jīng)過(guò)反相器，輸出高電平，從而觸發(fā)蜂鳴器警報(bào)，起到報(bào)警提醒功能。

1.5 光源模塊

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

1.6 過(guò)壓保護(hù)模塊

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

當(dāng)推挽電路輸出電壓高于穩(wěn)壓二極管D2 穩(wěn)壓值時(shí)，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(dǎo)通，此時(shí)由于電阻R5 分壓，導(dǎo)致BSP250 的源極和柵極電壓一致，從而B(niǎo)SP250 截止，故無(wú)法輸出電平，從而起到了保護(hù)的作用。

而當(dāng)推挽電路輸出電壓低于穩(wěn)壓二極管D2 的穩(wěn)壓值時(shí)，穩(wěn)壓二極管上的電流極小，基本可以視為斷開(kāi)。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(kāi)。BSP250 源極上的電壓與推挽電路輸出電壓一致，由于此時(shí)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(dǎo)通電壓，BSP250 導(dǎo)通，故可以輸出一個(gè)電壓。

同時(shí)，由于MOS 管存在的寄生電容，并且輸入的是一個(gè)動(dòng)態(tài)信號(hào)，從而該寄生電容會(huì)不可避免地造成一定程度的延時(shí)，且當(dāng)其為放電時(shí)，所產(chǎn)生的電流可能為驅(qū)動(dòng)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(guò)壓保護(hù)模塊的輸出處添加一個(gè)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(kāi)啟或者關(guān)閉狀態(tài)。

2 電路設(shè)計(jì)及分析

2.1 電路設(shè)計(jì)

通過(guò)幾個(gè)模塊的組合，可以得到所設(shè)計(jì)的整個(gè)電路的原理圖，如圖1 所示。

2.2 電路仿真以及相關(guān)測(cè)試

在仿真軟件Multisim 上畫(huà)出總電路圖，對(duì)電路 進(jìn)行仿真測(cè)試。主要測(cè)試方案為以下兩項(xiàng)：

(1)測(cè)試該過(guò)壓保護(hù)模塊是否可以起到對(duì)電容的過(guò)壓保護(hù)作用。測(cè)試方法為：利用信號(hào)發(fā)生器，給電壓保護(hù)模塊的輸入端加上7V 的三角波，觀(guān)察其輸出波形，以此來(lái)測(cè)試該模塊是否可以起到相應(yīng)的保護(hù)作用。

(2)測(cè)試該電路是否可以起到對(duì)疲勞的檢測(cè)作用，即當(dāng)閉眼時(shí)間超過(guò)規(guī)定時(shí)間時(shí)，是否會(huì)觸發(fā)警報(bào)，且警報(bào)一直持續(xù)到睜眼結(jié)束。測(cè)試方法為：利用信號(hào)發(fā)生器給輸入端的鋸齒波，來(lái)模擬人眼的睜閉。通過(guò)比對(duì)輸入與輸出波形的時(shí)差，以此來(lái)判斷該電路是否可以起到相疲勞的檢測(cè)作用。

2.3 仿真模擬圖以及相關(guān)分析

以下為對(duì)上述兩種測(cè)試所產(chǎn)生的結(jié)果進(jìn)行的分析：

測(cè)試一：由圖2 可視，當(dāng)三角波信號(hào)大于5V 時(shí)，過(guò)壓保護(hù)模塊中PMOS 管BSP250 將會(huì)迅速截止，其輸出端所產(chǎn)生的電壓將會(huì)變?yōu)榱悖蛊浠静怀^(guò)5V，從而說(shuō)明該模塊可以起到相應(yīng)的過(guò)壓保護(hù)作用。

圖2 過(guò)壓保護(hù)模塊波形圖

值得注意的是，該過(guò)壓保護(hù)模塊的實(shí)際電壓保護(hù)值要略高于設(shè)定的4.7V。這是因?yàn)樵谌龢O管Q3 導(dǎo)通時(shí)會(huì)產(chǎn)生一定的壓降，所以對(duì)應(yīng)的實(shí)際電壓保護(hù)值會(huì)略高于設(shè)定值。

測(cè)試二：由圖3 可知，當(dāng)模擬閉眼的高電平施加到輸入端后，輸出端將會(huì)延遲1 秒左右的時(shí)間后才會(huì)輸出一個(gè)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(huì)立即輸出一個(gè)低電平。由此可見(jiàn)，當(dāng)人處于疲倦，閉眼時(shí)間變長(zhǎng)，該電路將會(huì)輸出高電平驅(qū)動(dòng)蜂鳴器警報(bào)，從而起到提醒的作用，而當(dāng)人驚醒睜眼后，蜂鳴器會(huì)立即停止，且象征閉眼的高電平需要持續(xù)一段時(shí)間后，三極管Q5 才會(huì)被導(dǎo)通，所以當(dāng)人處于正常的眨眼狀態(tài)下時(shí)，蜂鳴器將不會(huì)發(fā)生警報(bào)。

圖3 疲勞的檢測(cè)作用波形圖

綜上所述，該電路可以起到對(duì)疲勞的檢測(cè)作用。

2.4 相關(guān)問(wèn)題及解決方案

首先， 由于該電路采用的是線(xiàn)性穩(wěn)壓電路，因此不 可避免地會(huì)產(chǎn)生負(fù)載過(guò)熱的現(xiàn)象，因而需要在電路上安裝 如散熱片之類(lèi)的散熱設(shè)備，以防止電路因?yàn)檫^(guò)熱而導(dǎo)致的失靈， 或者采用開(kāi)關(guān)式穩(wěn)壓電路，即利用開(kāi)關(guān)管和PWM (Pulse Width Modulatioon) 控制芯片構(gòu)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(shí)成本也會(huì)上升。

其次，在光源模塊中，若想減少不同波長(zhǎng)的光的干擾，也可以采用濾光片來(lái)獲得兩種不同波長(zhǎng)的紅外射線(xiàn)。由于不同波長(zhǎng)的光在通過(guò)光柵時(shí)，會(huì)產(chǎn)生不同角度地偏移， 故也可以在得到不同波長(zhǎng)的光后，再通過(guò)分光計(jì)，將光敏 晶體管放置對(duì)應(yīng)波長(zhǎng)的光應(yīng)該偏移角度的位置，這樣使得兩個(gè)光敏晶體管正好分別對(duì)相對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)進(jìn)行檢測(cè)，由于不同波長(zhǎng)的紅外光束已經(jīng)分開(kāi)，所以可以降低不同波長(zhǎng) 紅外光束的相互影響，進(jìn)一步的降低誤差。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)中的疲勞報(bào)警系統(tǒng)包含穩(wěn)壓電源模塊、光敏檢測(cè)模塊、RC 延時(shí)模塊、蜂鳴器警報(bào)模塊、光源模塊以及電壓保護(hù)模塊。通過(guò)Multisim 軟件進(jìn)行電路仿真，結(jié)果表明，該電路基本能夠?qū)崿F(xiàn)所預(yù)期的功能，當(dāng)人眼閉合，電路能及時(shí)捕捉該信息，觸發(fā)RC 延時(shí)電路，若閉眼時(shí)間持續(xù)一秒以上，則會(huì)發(fā)出警報(bào)聲直到睜眼為止，當(dāng)睜眼時(shí)，警報(bào)自動(dòng)停止，防止人因關(guān)閉警報(bào)過(guò)程中引起不必要的交通事故。由此可見(jiàn)，該電路所達(dá)到的功能與預(yù)期的目標(biāo)功能相符。本文所設(shè)計(jì)的電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，實(shí)物小巧，價(jià)格低廉，便于固定在頭盔或眼鏡上，且能夠準(zhǔn)確地實(shí)現(xiàn)所需要的功能，具有較大的實(shí)用價(jià)值，期待在將來(lái)可以得到進(jìn)一步的改進(jìn)與利用。