摘? 要: 介紹了可靠實用的電視近距離保護(hù)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(jī)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(hù)? 紅外傳感器? 語音提示?

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　　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?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(jī)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(jī)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(jī)。兒童在發(fā)育過程中,眼球及眼部肌肉的調(diào)節(jié)能力差,距電視機(jī)過近時,很強(qiáng)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、記憶力下降。?

　　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(hù)裝置。?

1 基本組成?

　　電視近距離保護(hù)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(jī)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(jìn)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(hù)兒童眼睛的目的。檢測距離可通過改變檢測探頭仰角進(jìn)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)。

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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,仍能保持極化狀態(tài),即存在自發(fā)極化,且自發(fā)極化強(qiáng)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)成兩個串聯(lián)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有極性的。?

　　通常敏感元材料阻值高達(dá)10¹³Ω,因此要用場效應(yīng)管進(jìn)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R_g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(qiáng)的波長滿足維恩位移定律:?

??? λ_m·T=2898(μm·K)?

　　若人體溫度按36°C計算,則絕對溫度為309K。?

??? λ_m=2989/309=9.4μm?

　　即人體輻射在波長9.4μm處最強(qiáng)。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(yùn)動速度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(jìn)行放大,一般中心頻率取在1Hz附近。放大器的帶寬對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?

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(yùn)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(dú)立的高輸入阻抗運(yùn)算放大器,與傳感器匹配進(jìn)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。?

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　　芯片采用16腳DIP封裝,各引腳的定義和功能如下:U_DD為工作電壓正端;U_SS為工作電壓負(fù)端,一般接0V;I_B為運(yùn)算放大器偏置電流設(shè)置端,經(jīng)電阻R_B接U_SS,R_B取值為1MΩ左右;1IN_-為第一級運(yùn)算放大器的反相輸入端;1IN₊為第一級運(yùn)算放大器的同相輸入端;1OUT為第一級運(yùn)算放大器的輸出端;2OUT為第二級運(yùn)算放大器的輸出端;U_C為觸發(fā)禁止端,當(dāng)U_C>U_R時允許觸發(fā),U_R≈0.2U_DD;U_RF為參考電壓及復(fù)位輸入端,一般接U_DD;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;RR₁、RC₁為延時時間T_X外接調(diào)節(jié)器件端,T_X≈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就可調(diào)節(jié)延時時間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。配以濾光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(yùn)放N1的前置放大、運(yùn)算放大器N₂的第二級放大,將直流電位抬高為內(nèi)置電壓U_M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U_S。由于內(nèi)置電壓U_H≈0.7U_DD、U_L≈0.3U_DD,當(dāng)U_DD=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U_C小于內(nèi)置電壓U_R(≈0.2U_DD)時,N₃輸出為低電平封住了與門N₇,禁止觸發(fā)信號U_S向下級遞送。而當(dāng)U_C>U_R時,N₃輸出為高電平,打開與門N₇,此時若有觸發(fā)信號U_S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T_X內(nèi)任何U_S的變化均被忽略,直至T_X周期結(jié)束,即所謂不可再觸發(fā)工作方式。當(dāng)T_X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(jìn)入封鎖周期Ti,在Ti周期內(nèi)任何U_S的變化也不能使U₀為有效狀態(tài)。若觸發(fā)控制端A=“1”時,U_S可重觸發(fā)U₀為有效狀態(tài),并在T_X周期內(nèi)一直保持有效狀態(tài)。在T_X周期內(nèi)只要有U_S的上跳變,則U₀將從U_S上跳變時刻算起繼續(xù)延長一個T_X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(rèn)真選擇。?

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　　在定時周期T_X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T_X結(jié)束時,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(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),并通過改變仰角實現(xiàn)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?？芍苯域?qū)動揚(yáng)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(yáng)聲器正端;3腳為SPKN揚(yáng)聲器負(fù)端;4腳為VSSA模擬電路電源負(fù)端(或地);5腳為MICOUT話筒前置放大器輸出端,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)字電路電源正端,可與VDDA連接;17腳懸空;18腳為VSSD數(shù)字電路電源負(fù)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(hù)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為錄音按鍵,當(dāng)按鍵S₁按下時,錄音控制端RECb為低電平,語音電路可進(jìn)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的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的音量,在CS53108的2、3端與揚(yáng)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(jìn)行調(diào)節(jié)。當(dāng)人體靠近電視機(jī)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(yáng)聲器發(fā)出語音提示。提示音量可通過電位器RP進(jìn)行調(diào)節(jié),以滿足聲音大小的要求。?

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　　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,即其輸出信號與它本身的溫度變化成正比,或者說紅外傳感器只對運(yùn)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(hù)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(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(qiáng),在燈光、太陽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(qiáng)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)、貼片元件、屏蔽盒、雙層濾光片等。?

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