樊政坦 ，张凯妍

（南京工程学院，江苏南京，211100）

当今，交通事故已经成为威胁世界各国公共安全的严重隐患之一，而造成交通事故的主要原因之一为疲劳驾驶。据统计，疲劳驾驶发生交通事故占全国交通事故总量的21%，并且疲劳驾驶发生交通事故死亡率高达83%。 目前市面上的疲劳检测主要是针对机动车而言，且价格较为昂贵，而在中国有着庞大的非机动驾驶人群。考虑到非机动车的特性，故本文设计一款可附着于头盔内，价格低廉且能够判断司机是否进入疲惫状态的产品，从而能有效减少交通事故的隐患。

1 电路模型

该电路判断疲劳的依据：因为人眼眨眼时长正常 为300ms~400ms，而当人处于疲劳状态时，则会延缓的眨眼时间， 故而将人闭眼时间超过1s，作为人体已经疲劳的依据。

疲劳检测电路由六个基本模块组成：稳压电源模块、光敏检测模块、RC 延时模块、蜂鸣器警报模块、光源模块以及电压保护模块。其中，稳压电源模块负责给其他模块进行供电。当睁眼或者闭眼时，光敏检测模块将会依次输出不同的电信号，接着RC 时延模块在根据电信号的不同来进行不同时间的时延的同时也将发出一个电信号，蜂鸣器警报模块依据该信号选择是否进入报警状态。该电路结构简便，经济实惠，可携带性强，易于附着头盔内部，可基本满足疲劳检测要求。

1.1 稳压电源模块

使用电池来为电路提供所需工作电压，其中采用线 性稳压电路来提供稳定电压。如图1 左下角所示，参考电 压Vf由稳压二极管D4 所决定。Vs为Vout在R23 与R22 串联电阻 上的R22 的分压，正常情况下，Vs等于Vf。当Vout大于所需 电压时，Vs大于Vf，故同相放大器输出电压减小。反之， 若Vout小于所需电压时，Vs小于Vf，则同相电压放大器输 出电压增大。 由于三极管Q6 一直处于线性放大区，可视 为可变电阻，即当同相放大器输出电压减小时，三极管 输出电流减小，导致Vs减小，同相放大器输出电压增大。当同相放大器输出电压增大时，三极管的输出电流增大，导致Vs增大， 同相放大器的输出电压又会减小，故而起 到了一直起到了负反馈调节的作用，从而为整个电路提供一个稳定的电压值。同时该稳压电路相对来说便捷，廉价，综合以上方面考虑，本文采用线性稳压电路来提 供电压。

图1 疲劳检测电路原理图

1.2 光敏检测模块

研究表明，视网膜对850nm 红外光束的反射率大概为90%，这和对940nm 红外光束的反射率不同。脸部其他部分对这两种波长的红外光束的反射率一致。因此本电路采用850nm 与940nm 的红外光束来进行检测。由于睁眼或者闭眼所对850nm 和940nm 的红外光束的反射率不同，所对应的光敏晶体管也将感受到不同的光照强度，因而将会产生不同的输出电压[1]，这样便可将睁眼或者闭眼的行为转变为不同的光信号进行输出，在光敏晶体管的作用下，不同的光信号又将转变为电信号输出。由于这两种波长的光对视网膜的反射率不同，而对其他部位的反射率相同，故而采用减法电路，可在抑制零点温漂的同时输出睁眼或者闭眼对应的电压。在睁眼时，由于反射率不同，两光敏晶体管输出不同的电压值，运算放大器将会输出一个负值电压，而在闭眼时，由于反射率相等，两光敏晶体管输出相同的电压值，经过减法电路应该输出一个略大于零的正值。但是，由于构成减法电路的运算放大器U1 输出的电压值过小，于是便利用741来放大输出的电压。将741 电位比较器构成过零比较器[2]，即若当输入电压大于零，则输出一个5V 的电压值，若输入电压小于零，则输出一个-5V 的电压值，这样便实现了对输出电压的放大的同时也将睁眼或者闭眼的行为转变为正负不同的电信号，从而进行判别。

1.3 RC 延时模块

利用电容两端电压不可以突变的性质，构成一个RC 时延电路[3]。其中，延时时间的计算公式为：

由公式可知，当经过2～3τ(τ=R*C)后，电容基本上完成充放电。所以，可以依据不同R 的值来进行不同时长的充放电，从而起到了不同时长的延时作用。由于电容的瞬时充放电电流过大，且为使电容能够快速放电，所以采用推挽式电路作为前级输入。

由上文已知，对闭眼或睁眼的行为将会转变为正或者负的电平。下将利用NPN 型三极管Q1 与PNP 型三极管Q2来组成一个推挽式电路，当输入的Vcc 是+5V 时，上方的NPN 型三极Q1 导通，下方的PNP 型三极管Q2 截止，这样，将会输出电平将会是Vcc-0.7V，这个0.7V 是PNP 型三极管Q1的基极与发射极之间的导通压降。当输入的Vcc是-5V时，上方的PNP 型三极Q1 截止，下方的PNP 型三极管Q2 导通，这样，将会输出电平将会是Vcc+0.7V，这个0.7V 是PNP型三极管Q2 的基极与发射极之间的导通压降。该推挽电路输出的电平再经过压保护模块后进行输出。为防止三极管Q7 将电容两端电压钳制在0.7V。利用电阻R12 和稳压二极管D3 构成一个稳压电路，为三极管Q7 的发射极提供2.7V电压，这样当电容充电到3.4V 时，导通三极管Q7，且电容电位被三极管Q7 钳制。由此，当GSP250 输出为高电平时，二极管D1 未导通，此时电容充电，充电时间主要由R7，C1 决定，由于R7 电阻较大，故充电时间缓慢，可起到延时作用。当Q2 输出为低电平，二极管D1 导通，电容放电，放电时间由R6 ，C1 决定，此时R6 电阻较小，起到了快速放电的作用。故当睁眼时，由于电容快速放电，Q7 迅速截止，而当闭眼时， 由于电容缓慢充电，Q7 经过一段时间延时达到饱和，起到了闭眼后延时警报的作用。

1.4 蜂鸣器警报模块

该模块由蜂鸣器，Q5 构成，其中Q5 构成一个反相器。当睁眼时由于Q7 迅速截止，经过反相器，输出低电平，此时蜂鸣器不触发警报。反之，当闭眼时，Q7 需要经过一段时间才会饱和，饱和后经过反相器，输出高电平，从而触发蜂鸣器警报，起到报警提醒功能。

1.5 光源模块

此模块使用两个850nm 与940nm 的红外发射管，其接 收方式采用反射式，即每个光敏晶体管分别与850nm 与940nm 的红外发射管对应。通过这种方式，对由睁眼闭 眼所引起的反射率不同而产生的电压变化进行检测。

1.6 过压保护模块

为防止由于电容两端的电压值过大，而导致的电容被击穿引起的不必要危害，故在电容C1 一端设置过压保护模块。该过压保护模块主要利用了稳压二极管的伏安特性，即当反向电压小于其稳定电压时，稳压二极管上的电流极小，基本可以视为断开，而当反向电压超过稳定电压时，稳压二极管上的电压维持在其稳定电压。

当推挽电路输出电压高于稳压二极管D2 稳压值时，PNP 型三极管Q7 的基极电压为稳压值4.7V，而发射极电压为推挽电路的输出电压，若推挽电路的输出电压高于5.4V，则PNP 型三极管Q7 导通，此时由于电阻R5 分压，导致BSP250 的源极和栅极电压一致，从而BSP250 截止，故无法输出电平，从而起到了保护的作用。

而当推挽电路输出电压低于稳压二极管D2 的稳压值时，稳压二极管上的电流极小，基本可以视为断开。PNP型三极管Q7 的基极电压为推挽电路的输出电压，而发射极电压也为推挽电路的输出电压，故PNP 型三极管Q7 截止，可视为断开。BSP250 源极上的电压与推挽电路输出电压一致，由于此时PNP 型三极管Q7 截止，故BSP250 的栅极电压直接接地，从而源极与栅极之间的电压大于BSP250 的导通电压，BSP250 导通，故可以输出一个电压。

同时，由于MOS 管存在的寄生电容，并且输入的是一个动态信号，从而该寄生电容会不可避免地造成一定程度的延时，且当其为放电时，所产生的电流可能为驱动的三极管Q7 造成伤害。因此为减少该MOS 管寄生电容的影响，在过压保护模块的输出处添加一个下拉电阻R6 。

由于R6 的阻值较小，这样便可以使得MOS 管的寄生电容快速放电，从而保证PMOS 管可以正常地处于开启或者关闭状态。

2 电路设计及分析

2.1 电路设计

通过几个模块的组合，可以得到所设计的整个电路的原理图，如图1 所示。

2.2 电路仿真以及相关测试

在仿真软件Multisim 上画出总电路图，对电路 进行仿真测试。主要测试方案为以下两项：

(1)测试该过压保护模块是否可以起到对电容的过压保护作用。测试方法为：利用信号发生器，给电压保护模块的输入端加上7V 的三角波，观察其输出波形，以此来测试该模块是否可以起到相应的保护作用。

(2)测试该电路是否可以起到对疲劳的检测作用，即当闭眼时间超过规定时间时，是否会触发警报，且警报一直持续到睁眼结束。测试方法为：利用信号发生器给输入端的锯齿波，来模拟人眼的睁闭。通过比对输入与输出波形的时差，以此来判断该电路是否可以起到相疲劳的检测作用。

2.3 仿真模拟图以及相关分析

以下为对上述两种测试所产生的结果进行的分析：

测试一：由图2 可视，当三角波信号大于5V 时，过压保护模块中PMOS 管BSP250 将会迅速截止，其输出端所产生的电压将会变为零，使其基本不超过5V，从而说明该模块可以起到相应的过压保护作用。

图2 过压保护模块波形图

值得注意的是，该过压保护模块的实际电压保护值要略高于设定的4.7V。这是因为在三极管Q3 导通时会产生一定的压降，所以对应的实际电压保护值会略高于设定值。

测试二：由图3 可知，当模拟闭眼的高电平施加到输入端后，输出端将会延迟1 秒左右的时间后才会输出一个10V左右的高电平，直到模拟睁眼的低电平将要出现后，才会立即输出一个低电平。由此可见，当人处于疲倦，闭眼时间变长，该电路将会输出高电平驱动蜂鸣器警报，从而起到提醒的作用，而当人惊醒睁眼后，蜂鸣器会立即停止，且象征闭眼的高电平需要持续一段时间后，三极管Q5 才会被导通，所以当人处于正常的眨眼状态下时，蜂鸣器将不会发生警报。

图3 疲劳的检测作用波形图

综上所述，该电路可以起到对疲劳的检测作用。

2.4 相关问题及解决方案

首先， 由于该电路采用的是线性稳压电路，因此不 可避免地会产生负载过热的现象，因而需要在电路上安装 如散热片之类的散热设备，以防止电路因为过热而导致的失灵， 或者采用开关式稳压电路，即利用开关管和PWM (Pulse Width Modulatioon) 控制芯片构成振荡电路，产生高 频脉冲。将高压整流滤波电路产生的高压直流电变成高 频脉冲直流电，送到主变压器降压，变成低频脉冲直流电。该方法可获得更为稳定的电压，但同时成本也会上升。

其次，在光源模块中，若想减少不同波长的光的干扰，也可以采用滤光片来获得两种不同波长的红外射线。由于不同波长的光在通过光栅时，会产生不同角度地偏移， 故也可以在得到不同波长的光后，再通过分光计，将光敏 晶体管放置对应波长的光应该偏移角度的位置，这样使得两个光敏晶体管正好分别对相对应的波长进行检测，由于不同波长的红外光束已经分开，所以可以降低不同波长 红外光束的相互影响，进一步的降低误差。

3 结束语

本文设计中的疲劳报警系统包含稳压电源模块、光敏检测模块、RC 延时模块、蜂鸣器警报模块、光源模块以及电压保护模块。通过Multisim 软件进行电路仿真，结果表明，该电路基本能够实现所预期的功能，当人眼闭合，电路能及时捕捉该信息，触发RC 延时电路，若闭眼时间持续一秒以上，则会发出警报声直到睁眼为止，当睁眼时，警报自动停止，防止人因关闭警报过程中引起不必要的交通事故。由此可见，该电路所达到的功能与预期的目标功能相符。本文所设计的电路结构简单，实物小巧，价格低廉，便于固定在头盔或眼镜上，且能够准确地实现所需要的功能，具有较大的实用价值，期待在将来可以得到进一步的改进与利用。