电视近距离人体信号检测及保护电路研究

    摘要：介绍了可靠实用的电视近距离保护装置。该装置主要由人体信号检测与处理电路、语音提示电路和控制输出电路组成。当有人体靠近时电视机能发出语音提示、切断电视信号；当人体离开检测范围时经延时自动恢复电视信号。

    关键词：视力保护 红外传感器 语音提示

引起儿童视力下降的原因是多方面的，例如看书学习的姿势不正确，距离不适当等。另外，儿童看电视距离过近也是不容忽视的一个原因。这是因为电视机显象管是一种阴极射线管，电子枪发射的电子经过聚焦后，再经阳极高压加速，以很大的能量轰击荧光屏，使荧光粉发出亮点，同时也会向其周围辐射出有害的X射线。虽然近年来生产的电视机一般都增加了防X射线泄露电路，在正常的视距范围内不会造成对人体、视力的伤害，但对于学龄前儿童，由于自制能力差，在欣赏有趣的电视节目时，往往会情不自禁地靠近电视机。儿童在发育过程中，眼球及眼部肌肉的调节力差，距电视机过近时，很强的屏幕光线对眼睛有很大的刺激作用；另外儿童对X射线最为敏感，因此受到X射线的伤害最大，所以长时间近距离看电视将造成视力下降，有时引起头晕、呕吐、记忙力下降。

笔者通过长时间的研究和多次试验开发研制出电视近距离保护装置。

1 基本组成

电视近距离保护装置主要由信号检测电路、延时电路、计数电路、语音提示电路和输出控制电路组成，其基本组成如图1所示。检测电路通过红外传感器检测距离电视机1.5米范围内的人体信号，该信号经信号处理电路放大、滤除干扰、双向鉴幅等处理后，检测电路输出高电平，推动语音提示电路发出“距离太近，有害眼睛”的提示，同时启动计数电路。信号检测电路每检测到一次信号，就进行一次语音提示，同时计数器加1，当计数器计到设定值（这里设定值为5）时，输出控制电路切断电视信号，与此同时启动延时电路，延时3分钟后控制输出电路恢复电视信号。迫使儿童只能在正常的距离范围内观看电视，起到保护儿童眼睛的目的。检测距离可通过改变检测探头仰角进行调节，计数器、定时器的设定值也可根据需要灵活调节。

2 信号检测电路

信号检测电路主要由人体信号检测探头和信号处理电路组成。

2.1 检测探头

该装置的检测探头采用热释电红外传感器SD02，其结构主要由敏感元、场效应管、高值电阻等组成，其结构及外形如图2所示。

敏感元用红外热释电材料锆钛酸铅（PZT）制成，这种材料在外加电场消除后，仍然保持极化状态，即存在自发极化，且自发极化强度PS随温度T升高而下降。敏感元是在热释电材料制成的薄片上镀上电极，构成两个串闻的有极性的小电容，所以随温度的变化而输出的热释电信号也是在极性的。

通常敏感元材料阻值高达10 13Ω。因此要用场效应管进行阻抗变换。通常场效应管（如：2SK303V3、2SK94X3等）用来构成源极跟随器。高值电阻Rg的作用是释放栅极电荷，使场效应管正常工作。一般在源极输出接法下，源极电压约为0.4～1.0V。

为了使传感器对人体最敏感，传感器采用了滤光片作窗口。滤光片是在Si基板上镀多层膜做成的。每个物体都发出红外辐射，其辐射最强的波长满足维恩位移定律：

λm·T=2898(μm·K)

若人体温度按36℃计算，则绝对温度为309K。

λm=2989/309=9.4μm

即人体辐射在波长9.4μm处最强。红外滤波片选取7.5～14μm波段，所以能有效地选取人体的红外线辐射，滤除太阳光、灯光等干扰。热释电传感器在实际使用时，前面要加安装菲涅尔透镜。菲涅尔透镜实际是一个透镜组，它上面的每一个单元透镜一般都只有一个不大的视场角。而相邻的两个单元透镜的视场既不连续。更不交叠，却都相隔一个盲区。通过透镜的红外辐射只会聚在一个传感元上，所以产生的信号不会被抵消。

在探测范围内，传感器输出的信号频率大约为0.1～10Hz，这一频率范围由菲涅尔透镜、人体运动速率和热释电传感器本身的特性决定。对人体信号，应采用带通放大器进行放大，一般中心频率取在1Hz附近。放大器的带宽可灵敏度和可靠性有重要影响，带宽窄，噪声小，误报率低；带宽宽，噪声大，误报率高，但对快速、慢速移动响应好。因此应选取适当的带宽。

2.2 信号处理芯片

信号处理采用集成专用芯片SS0001构成。SS0001结构如图3所示，主要由运算放大器、状态控制器、双向鉴幅器、延迟时间定时器、封锁时间定时器及参考电压等单元组成。芯片采用CMOS数据混合结构，独立的高输入阻抗运算放大器，与传感器匹配进行信号预处理，由电压比较器构成的双向鉴幅器可有效地抑制干扰。

    芯片采用16脚DIP封装，各引脚的定义和功能如下：UDD为工作电压正端；Uss为工作电压负端，一般接0V；IB为运算放大器偏置电流设置端，经电阻RB接USS，RB取值为1MΩ左右；1IN_为第一级运算放大器的反相输入端；1IN+为第一级运算放大器的同相输入端；1OUT为第一级运算放大器的输出端；2OUT为第二极运算放大器的输出端；UC为触发禁止端，当UC>UR时允许触发，UR≈0.2UDD；URF为参考电压及复位输入端，一般接UDD；A为可重复触发和不可重复触发选择端，当A=“1”时，允许重复触发；当A=“0”时，不可重复触发；U0为控制信号输出端。在延时定时器工作时，输出端为高电位；在封锁定时器工作时，输出为低电平；在封锁定时器工作时，输出为低电平；RR1、RC1为延时时间Tx外接调节器件端，Tx≈49152R1C1；RR2、RC2为封锁时间Ti外接调节器件端，Ti≈24R2C2。因此只要改变外接电阻R1、R2和电容C2、C1就可以调节眨时时间Tx和封锁时间Ti。

2.3 信号检测电路

信号检测电路如图4所示。配以滤波镜片和阻抗匹配用场效应管组成的热释电红外传感器，以非接触方式检测出来自人体的红外辐射并将其转换成电信号，经SS0001中的运放N1的前置放大、运算放大器N2的第二级放大，将直流电位抬高为内置电压Um后送到由比较器N4、N5组成的双向鉴幅器，检出有效触发信号Us。由于内置电压UH≈0.7UDD、UL≈0.3UDD，当UDD=5V时，可有效地抑制±1V的噪声干扰。N3作为条件比较器，当输入电压Uc小于内置电压UR（≈0.2UDD）时，N3输出为低电平封住了与门N7，禁止触发信号Us向下级递送。而当Uc>UR时，N3输出为高电平，打开与门N7，此时若有触发信号Us的上跳变前沿到来，则可启动延时定时器，同时U0输出为高电平。当触发控制端A接“0”电平时，在Tx内任何Us的变化均被忽略，直至Tx周期结束，即所谓不可再触发工作方式。当Tx周期结束时，U0下跳回低电平并同时启动封锁定时器而进入封锁周期Ti，在Ti周期内任何Us的变化也不能使U0为有效状态。若触发控制端A=“1”时，Us可重触发U0为有效状态，并在Tx周期内一直保持有效状态。在Tx周期内只要有Us的上跳变，则U0将从Us上跳变时刻算起继续延长一个Tx周期，即所谓可重触发方式。比较器的域值选取很重要，域值太低易误报，太高则灵敏度低，需要认真选择。

在定时周期Tx内，SS0001的输出端2为高电位，则晶体三极管VT1饱和导通，其集电极为低电位，语音提示电路处于放音状态，发出语音提示；在Tx结束时，SS0001进入封锁周期Ti，其输出端变为低电平，晶体管截止，其集电极为高电平，放音停止。在输出端高、低电平的转换期间，计数器自动计数，这里计算电路未给出。SS0001的1脚（A端）与电源相连，使信号检测电路处于重复触发。信号检测探头仰角可在120°范围内调节，并通过改变仰角实际探测距离的调节。

3 语音提示电路

语音提示电路采用功能齐全、性能良好、价格便宜、使用方便的语音录放集成电路芯片CS53108构成。该芯片内部集成了话筒放大器、自动增益控制电路、D/A转换电路、低通滤波电路和缓冲器等。具有录音、放音和抹音功能，录放音时间为10～12秒。可直接驱动扬声器，外围元件少，工作电压低（3～5V）。它有两种封装形式，这里选用的是19引脚软封装。各主要引脚的功能如下：1脚为VCCA模拟电路电源正端；2脚为SPKP扬声器正端；3脚为SPKN扬声器负端；4脚为VSSA模拟电路电源负端（或地）；5脚为MICOUT话筒产置放大器输出端，与9脚之间接0.1μF电容；6脚为MICIN话筒前置放大器输入端；7脚为MICREF话筒输入偏置电压，外接0.1μF旁路电容；8脚为AGC自动增益控制，接地时可获得最大环路增益；9脚为ADI固定增益放大器输入端；10脚为RECb录音控制端；11脚为PLAYb放音控制端；12脚为ERASEb抹音控制端；13脚为AUTO自动放音控制端，此端接VDD时为自动放音方式，接地时不能自动放音；14脚为TESTb测试端；15脚为BUSY录放音指示端；16脚为VCCD数字电路源正端，可与VDDA连接；17脚悬空；18脚为VSSD数字电路电源负端，可与VSSA相连；19脚为AUD放音的音频输出端。电视近距离保护装置的语音提示电路如图5所示。在CS53108的录音端10和抹音端12分别接入两个按键。S1为寻音按键，当按键S1按下时，录音控制端RECb为低电平，语音电路可以进行录音。语音经话筒（MIC）输入，语音信号经电容C22耦合给话筒前置放大器输入端6脚，经前置放大后由5脚输出，再经固定增益放大器放大输出。S2抹音按键用于抹音。当按键S2按下时，抹音端为低电平，将已录的语音清除掉；为使语音提示有足够大音量，在CS53108的2、3端与扬声器之间增加了由晶体管量，在CS53108的2、3端与扬声器之间增加了由晶体管VT2构成的信号放大和由LM386组成的功率放大，并且输出音量还可通过电位器RP进行调节。当人体靠近电视机时，SS0001的输出端2为高电平，则晶体管VT1饱和，其集电极为低电平，放音端（PLAYE）亦为低电平，语音电路输出的语音信号经晶体管信号放大和功率放大后推动扬声器发出语音提示。提示音量可通过电位器RP进行调节，以满足声音大小的要求。

    由于红外传感器具有因外界辐射引起本身温度变化，输出电信号，当温度不变化时没有信号输出，即其输出信号与这本身的温度变化成正比，或者说红外传感器只对运动的人体敏感。所以只要适当调节灵敏度就能有效地检测到活泼好动的儿童的人体信号。

经过实验表明，该保护装置具有较高的灵敏度，人体只要进入检测范围，立刻就有信号输出；使用方便灵活，可根据需要灵活调节检测距离、语音提示时间、延时切断电视信号的时间；抗干扰能力强，在灯光、太阳光照射的情况下仍能正常工作。

为了进一步提高人体检测信号的可靠性，增强抗白光干扰的能力，还应采取其它有效措施，如采用脉冲计数、帖片元件、屏蔽盒、双层滤光片等。