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(shí)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(yǔ)音提示電路和控制輸出電路組成。當有人體靠近時(shí)電視機能發(fā)出語(yǔ)音提示、切斷電視信號；當人體離開(kāi)檢測范圍時(shí)經(jīng)延時(shí)自動(dòng)恢復電視信號。

關(guān)鍵詞：視力保護 紅外傳感器 語(yǔ)音提示

引起兒童視力下降的原因是多方面的，例如看書(shū)學(xué)習的姿勢不正確，距離不適當等。另外，兒童看電視距離過(guò)近也是不容忽視的一個(gè)原因。這是因為電視機顯象管是一種陰極射線(xiàn)管，電子槍發(fā)射的電子經(jīng)過(guò)聚焦后，再經(jīng)陽(yáng)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(diǎn)，同時(shí)也會(huì )向其周?chē)椛涑鲇泻Φ腦射線(xiàn)。雖然近年來(lái)生產(chǎn)的電視機一般都增加了防X射線(xiàn)泄露電路，在正常的視距范圍內不會(huì )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目時(shí)，往往會(huì )情不自禁地靠近電視機。兒童在發(fā)育過(guò)程中，眼球及眼部肌肉的調節力差，距電視機過(guò)近時(shí)，很強的屏幕光線(xiàn)對眼睛有很大的刺激作用；另外兒童對X射線(xiàn)最為敏感，因此受到X射線(xiàn)的傷害最大，所以長(cháng)時(shí)間近距離看電視將造成視力下降，有時(shí)引起頭暈、嘔吐、記忙力下降。

筆者通過(guò)長(cháng)時(shí)間的研究和多次試驗開(kāi)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(shí)電路、計數電路、語(yǔ)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(guò)紅外傳感器檢測距離電視機1.5米范圍內的人體信號，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(dòng)語(yǔ)音提示電路發(fā)出“距離太近，有害眼睛”的提示，同時(shí)啟動(dòng)計數電路。信號檢測電路每檢測到一次信號，就進(jìn)行一次語(yǔ)音提示，同時(shí)計數器加1，當計數器計到設定值（這里設定值為5）時(shí)，輸出控制電路切斷電視信號，與此同時(shí)啟動(dòng)延時(shí)電路，延時(shí)3分鐘后控制輸出電路恢復電視信號。迫使兒童只能在正常的距離范圍內觀(guān)看電視，起到保護兒童眼睛的目的。檢測距離可通過(guò)改變檢測探頭仰角進(jìn)行調節，計數器、定時(shí)器的設定值也可根據需要靈活調節。

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，其結構主要由敏感元、場(chǎng)效應管、高值電阻等組成，其結構及外形如圖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(chǎng)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，構成兩個(gè)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(chǎng)效應管進(jìn)行阻抗變換。通常場(chǎng)效應管（如：2SK303V3、2SK94X3等）用來(lái)構成源極跟隨器。高值電阻Rg的作用是釋放柵極電荷，使場(chǎng)效應管正常工作。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(gè)物體都發(fā)出紅外輻射，其輻射最強的波長(cháng)滿(mǎn)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(cháng)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(xiàn)輻射，濾除太陽(yáng)光、燈光等干擾。熱釋電傳感器在實(shí)際使用時(shí)，前面要加安裝菲涅爾透鏡。菲涅爾透鏡實(shí)際是一個(gè)透鏡組，它上面的每一個(gè)單元透鏡一般都只有一個(gè)不大的視場(chǎng)角。而相鄰的兩個(gè)單元透鏡的視場(chǎng)既不連續。更不交疊，卻都相隔一個(gè)盲區。通過(guò)透鏡的紅外輻射只會(huì )聚在一個(gè)傳感元上，所以產(chǎn)生的信號不會(huì )被抵消。

在探測范圍內，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(dòng)速率和熱釋電傳感器本身的特性決定。對人體信號，應采用帶通放大器進(jìn)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(dòng)響應好。因此應選取適當的帶寬。

2.2 信號處理芯片

信號處理采用集成專(zhuān)用芯片SS0001構成。SS0001結構如圖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(shí)間定時(shí)器、封鎖時(shí)間定時(shí)器及參考電壓等單元組成。芯片采用CMOS數據混合結構，獨立的高輸入阻抗運算放大器，與傳感器匹配進(jìn)行信號預處理，由電壓比較器構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UC>UR時(shí)允許觸發(fā)，UR≈0.2UDD；URF為參考電壓及復位輸入端，一般接UDD；A為可重復觸發(fā)和不可重復觸發(fā)選擇端，當A=“1”時(shí)，允許重復觸發(fā)；當A=“0”時(shí)，不可重復觸發(fā)；U0為控制信號輸出端。在延時(shí)定時(shí)器工作時(shí)，輸出端為高電位；在封鎖定時(shí)器工作時(shí)，輸出為低電平；在封鎖定時(shí)器工作時(shí)，輸出為低電平；RR1、RC1為延時(shí)時(shí)間Tx外接調節器件端，Tx≈49152R1C1；RR2、RC2為封鎖時(shí)間Ti外接調節器件端，Ti≈24R2C2。因此只要改變外接電阻R1、R2和電容C2、C1就可以調節眨時(shí)時(shí)間Tx和封鎖時(shí)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(chǎng)效應管組成的熱釋電紅外傳感器，以非接觸方式檢測出來(lái)自人體的紅外輻射并將其轉換成電信號，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。由于內置電壓UH≈0.7UDD、UL≈0.3UDD，當UDD=5V時(shí)，可有效地抑制±1V的噪聲干擾。N3作為條件比較器，當輸入電壓Uc小于內置電壓UR（≈0.2UDD）時(shí)，N3輸出為低電平封住了與門(mén)N7，禁止觸發(fā)信號Us向下級遞送。而當Uc>UR時(shí)，N3輸出為高電平，打開(kāi)與門(mén)N7，此時(shí)若有觸發(fā)信號Us的上跳變前沿到來(lái)，則可啟動(dòng)延時(shí)定時(shí)器，同時(shí)U0輸出為高電平。當觸發(fā)控制端A接“0”電平時(shí)，在Tx內任何Us的變化均被忽略，直至Tx周期結束，即所謂不可再觸發(fā)工作方式。當Tx周期結束時(shí)，U0下跳回低電平并同時(shí)啟動(dòng)封鎖定時(shí)器而進(jìn)入封鎖周期Ti，在Ti周期內任何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(shí)，Us可重觸發(fā)U0為有效狀態(tài)，并在Tx周期內一直保持有效狀態(tài)。在Tx周期內只要有Us的上跳變，則U0將從Us上跳變時(shí)刻算起繼續延長(cháng)一個(gè)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(shí)周期Tx內，SS0001的輸出端2為高電位，則晶體三極管VT1飽和導通，其集電極為低電位，語(yǔ)音提示電路處于放音狀態(tài)，發(fā)出語(yǔ)音提示；在Tx結束時(shí)，SS0001進(jìn)入封鎖周期Ti，其輸出端變?yōu)榈碗娖?，晶體管截止，其集電極為高電平，放音停止。在輸出端高、低電平的轉換期間，計數器自動(dòng)計數，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觸發(fā)。信號檢測探頭仰角可在120°范圍內調節，并通過(guò)改變仰角實(shí)際探測距離的調節。

3 語(yǔ)音提示電路

語(yǔ)音提示電路采用功能齊全、性能良好、價(jià)格便宜、使用方便的語(yǔ)音錄放集成電路芯片CS53108構成。該芯片內部集成了話(huà)筒放大器、自動(dòng)增益控制電路、D/A轉換電路、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(shí)間為10～12秒?？芍苯域寗?dòng)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(huà)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(huà)筒前置放大器輸入端；7腳為MICREF話(huà)筒輸入偏置電壓，外接0.1μF旁路電容；8腳為AGC自動(dòng)增益控制，接地時(shí)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(dòng)放音控制端，此端接VDD時(shí)為自動(dòng)放音方式，接地時(shí)不能自動(dòng)放音；14腳為T(mén)ESTb測試端；15腳為BUSY錄放音指示端；16腳為VCCD數字電路源正端，可與VDDA連接；17腳懸空；18腳為VSSD數字電路電源負端，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(yǔ)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(gè)按鍵。S1為尋音按鍵，當按鍵S1按下時(shí)，錄音控制端RECb為低電平，語(yǔ)音電路可以進(jìn)行錄音。語(yǔ)音經(jīng)話(huà)筒（MIC）輸入，語(yǔ)音信號經(jīng)電容C22耦合給話(huà)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。當按鍵S2按下時(shí)，抹音端為低電平，將已錄的語(yǔ)音清除掉；為使語(yǔ)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(guò)電位器RP進(jìn)行調節。當人體靠近電視機時(shí)，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(yǔ)音電路輸出的語(yǔ)音信號經(jīng)晶體管信號放大和功率放大后推動(dòng)揚聲器發(fā)出語(yǔ)音提示。提示音量可通過(guò)電位器RP進(jìn)行調節，以滿(mǎn)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，當溫度不變化時(shí)沒(méi)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(shuō)紅外傳感器只對運動(dòng)的人體敏感。所以只要適當調節靈敏度就能有效地檢測到活潑好動(dòng)的兒童的人體信號。

經(jīng)過(guò)實(shí)驗表明，該保護裝置具有較高的靈敏度，人體只要進(jìn)入檢測范圍，立刻就有信號輸出；使用方便靈活，可根據需要靈活調節檢測距離、語(yǔ)音提示時(shí)間、延時(shí)切斷電視信號的時(shí)間；抗干擾能力強，在燈光、太陽(yáng)光照射的情況下仍能正常工作。

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