電視近距離人體信號檢測及保護電路研究

摘要：介紹了可靠實用的電視近距離保護裝置。該裝置主要由人體信號檢測與處理電路、語音提示電路和控制輸出電路組成。當(dāng)有人體靠近時電視機能發(fā)出語音提示、切斷電視信號；當(dāng)人體離開檢測范圍時經(jīng)延時自動恢復(fù)電視信號。

關(guān)鍵詞：視力保護 紅外傳感器 語音提示

引起兒童視力下降的原因是多方面的，例如看書學(xué)習(xí)的姿勢不正確，距離不適當(dāng)?shù)?。另外，兒童看電視距離過近也是不容忽視的一個原因。這是因為電視機顯象管是一種陰極射線管，電子槍發(fā)射的電子經(jīng)過聚焦后，再經(jīng)陽極高壓加速，以很大的能量轟擊熒光屏，使熒光粉發(fā)出亮點，同時也會向其周圍輻射出有害的X射線。雖然近年來生產(chǎn)的電視機一般都增加了防X射線泄露電路，在正常的視距范圍內(nèi)不會造成對人體、視力的傷害，但對于學(xué)齡前兒童，由于自制能力差，在欣賞有趣的電視節(jié)目時，往往會情不自禁地靠近電視機。兒童在發(fā)育過程中，眼球及眼部肌肉的調(diào)節(jié)力差，距電視機過近時，很強的屏幕光線對眼睛有很大的刺激作用；另外兒童對X射線最為敏感，因此受到X射線的傷害最大，所以長時間近距離看電視將造成視力下降，有時引起頭暈、嘔吐、記忙力下降。

筆者通過長時間的研究和多次試驗開發(fā)研制出電視近距離保護裝置。

1 基本組成

電視近距離保護裝置主要由信號檢測電路、延時電路、計數(shù)電路、語音提示電路和輸出控制電路組成，其基本組成如圖1所示。檢測電路通過紅外傳感器檢測距離電視機1.5米范圍內(nèi)的人體信號，該信號經(jīng)信號處理電路放大、濾除干擾、雙向鑒幅等處理后，檢測電路輸出高電平，推動語音提示電路發(fā)出“距離太近，有害眼睛”的提示，同時啟動計數(shù)電路。信號檢測電路每檢測到一次信號，就進行一次語音提示，同時計數(shù)器加1，當(dāng)計數(shù)器計到設(shè)定值（這里設(shè)定值為5）時，輸出控制電路切斷電視信號，與此同時啟動延時電路，延時3分鐘后控制輸出電路恢復(fù)電視信號。迫使兒童只能在正常的距離范圍內(nèi)觀看電視，起到保護兒童眼睛的目的。檢測距離可通過改變檢測探頭仰角進行調(diào)節(jié)，計數(shù)器、定時器的設(shè)定值也可根據(jù)需要靈活調(diào)節(jié)。

2 信號檢測電路

信號檢測電路主要由人體信號檢測探頭和信號處理電路組成。

2.1 檢測探頭

該裝置的檢測探頭采用熱釋電紅外傳感器SD02，其結(jié)構(gòu)主要由敏感元、場效應(yīng)管、高值電阻等組成，其結(jié)構(gòu)及外形如圖2所示。

敏感元用紅外熱釋電材料鋯鈦酸鉛（PZT）制成，這種材料在外加電場消除后，仍然保持極化狀態(tài)，即存在自發(fā)極化，且自發(fā)極化強度PS隨溫度T升高而下降。敏感元是在熱釋電材料制成的薄片上鍍上電極，構(gòu)成兩個串聞的有極性的小電容，所以隨溫度的變化而輸出的熱釋電信號也是在極性的。

通常敏感元材料阻值高達10 13Ω。因此要用場效應(yīng)管進行阻抗變換。通常場效應(yīng)管（如：2SK303V3、2SK94X3等）用來構(gòu)成源極跟隨器。高值電阻Rg的作用是釋放柵極電荷，使場效應(yīng)管正常工作。一般在源極輸出接法下，源極電壓約為0.4～1.0V。

為了使傳感器對人體最敏感，傳感器采用了濾光片作窗口。濾光片是在Si基板上鍍多層膜做成的。每個物體都發(fā)出紅外輻射，其輻射最強的波長滿足維恩位移定律：

λm·T=2898(μm·K)

若人體溫度按36℃計算，則絕對溫度為309K。

λm=2989/309=9.4μm

即人體輻射在波長9.4μm處最強。紅外濾波片選取7.5～14μm波段，所以能有效地選取人體的紅外線輻射，濾除太陽光、燈光等干擾。熱釋電傳感器在實際使用時，前面要加安裝菲涅爾透鏡。菲涅爾透鏡實際是一個透鏡組，它上面的每一個單元透鏡一般都只有一個不大的視場角。而相鄰的兩個單元透鏡的視場既不連續(xù)。更不交疊，卻都相隔一個盲區(qū)。通過透鏡的紅外輻射只會聚在一個傳感元上，所以產(chǎn)生的信號不會被抵消。

在探測范圍內(nèi)，傳感器輸出的信號頻率大約為0.1～10Hz，這一頻率范圍由菲涅爾透鏡、人體運動速率和熱釋電傳感器本身的特性決定。對人體信號，應(yīng)采用帶通放大器進行放大，一般中心頻率取在1Hz附近。放大器的帶寬可靈敏度和可靠性有重要影響，帶寬窄，噪聲小，誤報率低；帶寬寬，噪聲大，誤報率高，但對快速、慢速移動響應(yīng)好。因此應(yīng)選取適當(dāng)?shù)膸挕?/p>

2.2 信號處理芯片

信號處理采用集成專用芯片SS0001構(gòu)成。SS0001結(jié)構(gòu)如圖3所示，主要由運算放大器、狀態(tài)控制器、雙向鑒幅器、延遲時間定時器、封鎖時間定時器及參考電壓等單元組成。芯片采用CMOS數(shù)據(jù)混合結(jié)構(gòu)，獨立的高輸入阻抗運算放大器，與傳感器匹配進行信號預(yù)處理，由電壓比較器構(gòu)成的雙向鑒幅器可有效地抑制干擾。

芯片采用16腳DIP封裝，各引腳的定義和功能如下：UDD為工作電壓正端；Uss為工作電壓負端，一般接0V；IB為運算放大器偏置電流設(shè)置端，經(jīng)電阻RB接USS，RB取值為1MΩ左右；1IN_為第一級運算放大器的反相輸入端；1IN+為第一級運算放大器的同相輸入端；1OUT為第一級運算放大器的輸出端；2OUT為第二極運算放大器的輸出端；UC為觸發(fā)禁止端，當(dāng)UC>UR時允許觸發(fā)，UR≈0.2UDD；URF為參考電壓及復(fù)位輸入端，一般接UDD；A為可重復(fù)觸發(fā)和不可重復(fù)觸發(fā)選擇端，當(dāng)A=“1”時，允許重復(fù)觸發(fā)；當(dāng)A=“0”時，不可重復(fù)觸發(fā)；U0為控制信號輸出端。在延時定時器工作時，輸出端為高電位；在封鎖定時器工作時，輸出為低電平；在封鎖定時器工作時，輸出為低電平；RR1、RC1為延時時間Tx外接調(diào)節(jié)器件端，Tx≈49152R1C1；RR2、RC2為封鎖時間Ti外接調(diào)節(jié)器件端，Ti≈24R2C2。因此只要改變外接電阻R1、R2和電容C2、C1就可以調(diào)節(jié)眨時時間Tx和封鎖時間Ti。

2.3 信號檢測電路

信號檢測電路如圖4所示。配以濾波鏡片和阻抗匹配用場效應(yīng)管組成的熱釋電紅外傳感器，以非接觸方式檢測出來自人體的紅外輻射并將其轉(zhuǎn)換成電信號，經(jīng)SS0001中的運放N1的前置放大、運算放大器N2的第二級放大，將直流電位抬高為內(nèi)置電壓Um后送到由比較器N4、N5組成的雙向鑒幅器，檢出有效觸發(fā)信號Us。由于內(nèi)置電壓UH≈0.7UDD、UL≈0.3UDD，當(dāng)UDD=5V時，可有效地抑制±1V的噪聲干擾。N3作為條件比較器，當(dāng)輸入電壓Uc小于內(nèi)置電壓UR（≈0.2UDD）時，N3輸出為低電平封住了與門N7，禁止觸發(fā)信號Us向下級遞送。而當(dāng)Uc>UR時，N3輸出為高電平，打開與門N7，此時若有觸發(fā)信號Us的上跳變前沿到來，則可啟動延時定時器，同時U0輸出為高電平。當(dāng)觸發(fā)控制端A接“0”電平時，在Tx內(nèi)任何Us的變化均被忽略，直至Tx周期結(jié)束，即所謂不可再觸發(fā)工作方式。當(dāng)Tx周期結(jié)束時，U0下跳回低電平并同時啟動封鎖定時器而進入封鎖周期Ti，在Ti周期內(nèi)任何Us的變化也不能使U0為有效狀態(tài)。若觸發(fā)控制端A=“1”時，Us可重觸發(fā)U0為有效狀態(tài)，并在Tx周期內(nèi)一直保持有效狀態(tài)。在Tx周期內(nèi)只要有Us的上跳變，則U0將從Us上跳變時刻算起繼續(xù)延長一個Tx周期，即所謂可重觸發(fā)方式。比較器的域值選取很重要，域值太低易誤報，太高則靈敏度低，需要認真選擇。

在定時周期Tx內(nèi)，SS0001的輸出端2為高電位，則晶體三極管VT1飽和導(dǎo)通，其集電極為低電位，語音提示電路處于放音狀態(tài)，發(fā)出語音提示；在Tx結(jié)束時，SS0001進入封鎖周期Ti，其輸出端變?yōu)榈碗娖剑w管截止，其集電極為高電平，放音停止。在輸出端高、低電平的轉(zhuǎn)換期間，計數(shù)器自動計數(shù)，這里計算電路未給出。SS0001的1腳（A端）與電源相連，使信號檢測電路處于重復(fù)觸發(fā)。信號檢測探頭仰角可在120°范圍內(nèi)調(diào)節(jié)，并通過改變仰角實際探測距離的調(diào)節(jié)。

3 語音提示電路

語音提示電路采用功能齊全、性能良好、價格便宜、使用方便的語音錄放集成電路芯片CS53108構(gòu)成。該芯片內(nèi)部集成了話筒放大器、自動增益控制電路、D/A轉(zhuǎn)換電路、低通濾波電路和緩沖器等。具有錄音、放音和抹音功能，錄放音時間為10～12秒。可直接驅(qū)動揚聲器，外圍元件少，工作電壓低（3～5V）。它有兩種封裝形式，這里選用的是19引腳軟封裝。各主要引腳的功能如下：1腳為VCCA模擬電路電源正端；2腳為SPKP揚聲器正端；3腳為SPKN揚聲器負端；4腳為VSSA模擬電路電源負端（或地）；5腳為MICOUT話筒產(chǎn)置放大器輸出端，與9腳之間接0.1μF電容；6腳為MICIN話筒前置放大器輸入端；7腳為MICREF話筒輸入偏置電壓，外接0.1μF旁路電容；8腳為AGC自動增益控制，接地時可獲得最大環(huán)路增益；9腳為ADI固定增益放大器輸入端；10腳為RECb錄音控制端；11腳為PLAYb放音控制端；12腳為ERASEb抹音控制端；13腳為AUTO自動放音控制端，此端接VDD時為自動放音方式，接地時不能自動放音；14腳為TESTb測試端；15腳為BUSY錄放音指示端；16腳為VCCD數(shù)字電路源正端，可與VDDA連接；17腳懸空；18腳為VSSD數(shù)字電路電源負端，可與VSSA相連；19腳為AUD放音的音頻輸出端。電視近距離保護裝置的語音提示電路如圖5所示。在CS53108的錄音端10和抹音端12分別接入兩個按鍵。S1為尋音按鍵，當(dāng)按鍵S1按下時，錄音控制端RECb為低電平，語音電路可以進行錄音。語音經(jīng)話筒（MIC）輸入，語音信號經(jīng)電容C22耦合給話筒前置放大器輸入端6腳，經(jīng)前置放大后由5腳輸出，再經(jīng)固定增益放大器放大輸出。S2抹音按鍵用于抹音。當(dāng)按鍵S2按下時，抹音端為低電平，將已錄的語音清除掉；為使語音提示有足夠大音量，在CS53108的2、3端與揚聲器之間增加了由晶體管量，在CS53108的2、3端與揚聲器之間增加了由晶體管VT2構(gòu)成的信號放大和由LM386組成的功率放大，并且輸出音量還可通過電位器RP進行調(diào)節(jié)。當(dāng)人體靠近電視機時，SS0001的輸出端2為高電平，則晶體管VT1飽和，其集電極為低電平，放音端（PLAYE）亦為低電平，語音電路輸出的語音信號經(jīng)晶體管信號放大和功率放大后推動揚聲器發(fā)出語音提示。提示音量可通過電位器RP進行調(diào)節(jié)，以滿足聲音大小的要求。

由于紅外傳感器具有因外界輻射引起本身溫度變化，輸出電信號，當(dāng)溫度不變化時沒有信號輸出，即其輸出信號與這本身的溫度變化成正比，或者說紅外傳感器只對運動的人體敏感。所以只要適當(dāng)調(diào)節(jié)靈敏度就能有效地檢測到活潑好動的兒童的人體信號。

經(jīng)過實驗表明，該保護裝置具有較高的靈敏度，人體只要進入檢測范圍，立刻就有信號輸出；使用方便靈活，可根據(jù)需要靈活調(diào)節(jié)檢測距離、語音提示時間、延時切斷電視信號的時間；抗干擾能力強，在燈光、太陽光照射的情況下仍能正常工作。

為了進一步提高人體檢測信號的可靠性，增強抗白光干擾的能力，還應(yīng)采取其它有效措施，如采用脈沖計數(shù)、帖片元件、屏蔽盒、雙層濾光片等。