基于腦電的駕駛疲勞檢測系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，包括原理圖、電路

前言 交通事故是當(dāng)前世界各國所面臨的嚴(yán)重社會(huì)問題之一，已被公認(rèn)為當(dāng)今世界危害人類生命安全的第一大公害，每年因交通事故的原因至少使50萬人死亡.歐美各國的交通事故統(tǒng)計(jì)分析表明，交通事故中80%~90%是人的因素造成的。根據(jù)美國國家公路交通安全署的統(tǒng)計(jì)，在美國的公路上，每年由于司機(jī)在駕駛過程中跌入睡眠狀態(tài)而導(dǎo)致大約10萬起交通事故，約有1500起直接導(dǎo)致人員死亡，7.1萬起導(dǎo)致人員傷害。在歐洲的情況也大致相同，如在德國境內(nèi)的高速公路上25%導(dǎo)致人員傷亡的交通事故，都是由疲勞駕駛引起的。根據(jù)中國交通部的統(tǒng)計(jì)，我國48%的車禍由駕駛員疲勞駕駛引起，直接經(jīng)濟(jì)損失達(dá)數(shù)十萬美元。有關(guān)汽車駕駛員的疲勞檢測問題,隨著高速公路的發(fā)展和車速的提高，目前已成為汽車安全研究的重要一環(huán)。 國外的許多國家都比較重視疲勞駕駛檢測的研究工作。尤以美國的研究發(fā)展較快，目前具有代表性的有：美國研制的打瞌睡駕駛員偵探系統(tǒng)，方向盤監(jiān)視裝置，日本研制的DAS2000型路面警告系統(tǒng)，日本研制的電子“清醒帶”。對于國內(nèi)，我國的疲勞駕駛檢測系統(tǒng)研究起步較晚，目前比較成型的系統(tǒng)很少。對于目前來說，不論國內(nèi)國外，雖然研究的成果較多，但是還未見到一種方法是被大家所公認(rèn)的。就現(xiàn)在而言，基于腦電波的疲勞駕駛檢測系統(tǒng)被國際上視作為未來該領(lǐng)域的發(fā)展趨勢。 腦電信號(hào)是一種微弱的生物信號(hào)，并且極易受到干擾?；?a class="contentlabel" href="http://butianyuan.cn/news/listbylabel/label/腦電">腦電的疲勞駕駛檢測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思想為：首先要通過腦電采集電路采集腦電信號(hào)，再對其進(jìn)行小波去噪處理，去掉腦電偽跡和高頻噪聲，最后通過處理分析腦電信號(hào)，從而給出駕駛?cè)藛T的疲勞程度。系統(tǒng)的基本設(shè)計(jì)思想如下圖所示：

整個(gè)系統(tǒng)由模擬部分和數(shù)字部分組成。

模擬部分主要由信號(hào)放大電路，濾波電路，光電耦合電路以及AD6783模數(shù)轉(zhuǎn)換器構(gòu)成。

數(shù)字部分主要由SPI接口控制器(ADC接口)，時(shí)鐘管理器，小波去噪模塊和分析處理模塊共同組成。

第一章：模擬部分

前端信號(hào)采集電路完整實(shí)現(xiàn)了基于腦電的疲勞檢測系統(tǒng)，總體放大倍數(shù)為A=100×70×1.1×2=15400，腦電信號(hào)電壓為5μV—100μV,經(jīng)全部采集電路放大濾波后，信號(hào)電壓范圍為-1.54V~+1.54V ，經(jīng)電壓抬升后輸入AD信號(hào)范圍為0.71V~3.79V，外部采用12V直流供電，內(nèi)部選用7805產(chǎn)生5V電壓。詳細(xì)情況如下：

一、腦電信號(hào)采集放大部分：

(1)前置放大電路：前置放大電路是整個(gè)腦電采集儀器設(shè)計(jì)的關(guān)鍵，它決定了整個(gè)放大電路的共模抑制比、輸入阻抗和噪聲水平。

腦電測量過程中的共模干擾特別大，腦電信號(hào)的放大一般采用差動(dòng)放大電路結(jié)構(gòu)。前置放大電路對集成運(yùn)算放大器的要求有：高輸入阻抗;高共模抑制比;低噪聲、低漂移;低輸入失調(diào)電壓;足夠大的放大倍數(shù)及低功耗。本課題中采用AD公司的高性能儀用放大器AD620來實(shí)現(xiàn)前置放大。此運(yùn)放有較高的技術(shù)參數(shù)，非常適合用于生理信號(hào)放大及在電池供電條件下工作的醫(yī)療儀器的應(yīng)用系統(tǒng)。本次電路設(shè)計(jì)中，放大倍數(shù)為100倍，增益反饋電阻選為499歐姆。AD620的放大倍數(shù)G由增益電阻

決定，增益

：其中

為增益反饋電阻。

二級放大電路：因前置放大后的信號(hào)仍然處于比較低的電壓水平上，現(xiàn)采用AD620設(shè)計(jì)二級放大電路，以進(jìn)一步保證高共模抑制比、低噪聲、低漂移等電路性能，放大倍數(shù)選擇為70倍，增益反饋電阻

取為715歐姆。

低通濾波電路：低通濾波采用二階巴特沃斯濾波器，采用OP07運(yùn)放，截止頻率為100赫茲。

由電路，得到傳遞函數(shù)：

只有

小于3時(shí)，即分母中S的一次項(xiàng)系數(shù)大于零，電路才能穩(wěn)定工作，而不產(chǎn)生自激振蕩。

截止頻率為：

(4)50赫茲陷波電路：如下圖，采用典型的二階有源帶阻濾波器。

這是一種典型的二階有源帶阻濾波器，其傳遞函數(shù)為：

，式中A是運(yùn)放增益。