CN203909980U - 基于脉搏检测的疲劳驾驶预警系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开一种基于脉搏检测的疲劳驾驶预警系统，其特征在于：包括指套(1)以及和指套(1)相连的控制器(4)，指套(1)中设有传感器采集电路，控制器(4)中依次设有放大整形电路、倍频电路、频率电压转换电路、报警电路，其中传感器采集电路包含红外线发射二极管Q1和红外线接收三极管Q2，该传感器采集电路与放大整形电路相连，所述红外线发射二极管Q1和红外线接收三极管Q2分别设置在指套(1)内的上下两端。该方案的显著效果是：采用以上技术方案的基于脉搏检测的疲劳驾驶预警系统，利用红外线对射管检测手指血液浓度，灵敏度高，响应速度快，检测时间短，易于操作且结构简单，当检测脉搏超速时立刻通过喇叭报警。

Description

基于脉搏检测的疲劳驾驶预警系统

技术领域

本实用新型涉及脉搏检测报警领域，具体涉及一种基于脉搏检测的疲劳驾驶预警系统。

背景技术

驾驶疲劳，是指驾驶人在长时间连续行车后，产生生理机能和心理机能的失调，而在客观上出现驾驶技能下降的现象。驾驶人睡眠质量差或不足，长时间驾驶车辆，容易出现疲劳。

随着我国国民经济的飞速发展，国民汽车的人均拥有量越来越多。然而，随着汽车的增加，交通事故这些年也逐年增加。经过调查，发生交通事故时，有相当大的一部分是因为司机的疲劳驾驶或者情绪有很大的波动。当司机的疲劳驾驶或者情绪有很大的波动时往往会出现心跳加速等现象，而且当一些疾病发作时也会出现心跳加速。因此现在迫切需要在汽车里有设有检查疲劳的装置，可以快速检查驾驶者心跳是否超过预定值，当超过预定值时，视为司机过于疲劳，立刻能够发出提醒或者报警，让司机进行自我注意和调整，或者停下来休息。这样就大大减少这方面的交通事故。

实用新型内容

为解决以上技术问题，本实用新型提供一种用手指就能够简易，快速的判断驾驶者是否疲劳的基于脉搏检测的疲劳驾驶预警系统。

具体技术方案如下：

一种基于脉搏检测的疲劳驾驶预警系统，其关键在于：包括指套以及和指套相连的控制器，指套中设有传感器采集电路，控制器中依次设有放大整形电路、倍频电路、频率电压转换电路、报警电路，其中传感器采集电路包含红外线发射二极管Q1和红外线接收三极管Q2，该传感器采集电路与放大整形电路相连，所述红外线发射二极管Q1和红外线接收三极管Q2分别设置在指套内的上下两端。

采用上述结构，在指套中设置红外线发射二极管Q1和红外线接收三极管Q2，利用光照在一般组织中的穿透性要比血液中大几十倍，来拾取脉搏信号。在一定光强范围内，红外线发射二极管Q1的反向电流与光强呈线性关系。指端血管的容积和透光度随心脏脉搏改变时，将使红外线接收三极管Q2收到不同的光强，并由此产生的光电流均随之作相应变化。根据采集到的信号进一步放大整形、倍频、电压转换，最终就可以根据结果进行报警判断。倍频电路可以能加倍脉冲次数，使本系统能在短时间完成检测判断。

更进一步的技术方案是所述传感器采集电路中红外线发射二极管Q1阳极串电阻R9后接正电源，红外线发射二极管Q1阴极接地；红外线接收三极管集电极串电阻R10后接正电源，红外线接收三极管Q2发射机接地，红外线接收三极管集电极还经电容C11后输出脉冲信号f1至放大整形电路。

采用上述结构，利用本电路将脉搏跳动信号转换为与此相对应的电脉冲信号，

更进一步的技术方案是所述放大整形电路包括放大器U4A、放大器U4B、放大器U4C：

其中放大器U4A的正相输入端接所述传感器采集电路输出的脉冲信号f1，放大器U4A的正相输入端还串电阻R13后接地；该放大器U4A的反相输入端串电阻R4后接地，该放大器U4A的反相输入端还串电阻R5后接放大器U4A的输出端；

其中放大器U4B的正相输入端串电阻R12和电阻R11后接放大器U4A的输出端，电阻R12和电阻R11之间的公共端经电容C13连放大器U4B的输出端；该放大器U4B的反相输入端串滑动变阻器RP1后接地，该放大器U4B的反相输入端还串电阻R6接放大器U4B的输出端；

其中放大器U4C的正相输入端接放大器U4B的输出端；该放大器U4C的反相输入端串电阻R7后接地，该放大器U4C的反相输入端还串电阻R8接放大器U4C的输出端，该放大器U4C的输出端串二极管VD1后输出脉冲信号f2至倍频电路；所述二极管VD1的阳极与放大器U4C的输出端相连，该二极管VD1的阴极还串电阻R14接地。

采用上述结构，将传感器的微弱信号放大，整形除去杂散信号。

更进一步的技术方案是所述倍频电路包括异或门U9A、异或门U9B、异或门U9C、异或门U9D:

其中异或门U9A的第一输入端接放大整形电路输出的脉冲信号f2；异或门U9A的第二输入端接地；

其中异或门U9B的第一输入端接放大整形电路输出的脉冲信号f2；异或门U9B的第二输入端串电阻R15后接异或门U9A的输出端，异或门U9B的第二输入端还经电容C14接地；

其中异或门U9C的第一输入端接异或门U9B的输出端；异或门U9C的第二输入端接地；

其中异或门U9D的第一输入端接异或门U9B的输出端；异或门U9D的第二输入端串电阻R16后接异或门U9C的输出端，异或门U9D的第二输入端还经电容C15接地；

异或门U9D的输出端输出脉冲信号f3至频率电压转换电路。

采用上述结构，将整形后所得到的脉冲信号的频率提高，从而缩短测量时间。

更进一步的技术方案是所述频率电压转换电路包括频率电压转换器U1，该频率电压转换器U1是LM331芯片：

其中频率电压转换器U1的输入端Vx引脚经电容C3接倍频电路输出的脉冲信号f3，该频率电压转换器U1的输入端Vx引脚还串电阻R20后接正电源；所述频率电压转换器U1的比较输入Vin引脚串电阻R17接正电源，该频率电压转换器U1的比较输入Vin引脚还串电阻R18接地；该频率电压转换器U1的电流输出Iout引脚输出电压信号v4至报警电路；所述频率电压转换器U1的电流输出Iout引脚还串电阻R3接地，该电阻R3两端并联电容C1；该频率电压转换器U1的频率输出Fout引脚接地；该频率电压转换器U1的电源VCC引脚接正电源；该频率电压转换器U1的接地GND引脚接地；该频率电压转换器U1的振荡端R/C引脚串电阻R2后接电源，该频率电压转换器U1的振荡端R/C引脚经电容C2接地；该频率电压转换器U1的基准电流Rs引脚串电阻R19和滑动变阻器RP3接地。

采用上述结构，利用频率电压转换电路将频率信号转换成电压信号，便于报警比较判断。

更进一步的技术方案是所述报警电路包括放大器M9：放大器M9反相输入端接频率电压转换电路输出的电压信号v4；放大器M9正相输入端接滑动变阻器R33的滑动触点，该滑动变阻器R33一端接正电源，另一端接地；放大器M9输出端串电阻R1后接三极管Q3的基极；所述三极管Q3集电极串扬声器LS1接正电源；该三极管Q3发射极接三极管Q4的基极；所述三极管Q4集电极连三极管Q3集电极；所述三极管Q4发射极接地。

采用上述结构，将电压信号与参考电压进行比较，超出预设阈值后输出高电平报警，扬声器LS1输出报警提醒声。

更进一步的技术方案是所述红外线发射二极管Q1是TLN104红外传感器，红外线接收三极管Q2是TLP104红外传感器。

采用上述结构，灵敏度高，易于操作，响应速度快，结构简单。

更进一步的技术方案是所述放大器U4A、放大器U4B、放大器U4C是LM324集成运放。

更进一步的技术方案是所述三极管Q3是S0805达林顿三极管，所述三极管Q4是D667晶体三极管，扬声器LS1是通电式发生报警喇叭。

有益效果：采用以上技术方案的基于脉搏检测的疲劳驾驶预警系统，利用红外线对射管检测手指血液浓度，灵敏度高，响应速度快，检测时间短，易于操作且结构简单，当检测脉搏超速时立刻通过喇叭报警。

附图说明

图1为本实用新型的结构示意图；

图2为本实用新型的传感器采集电路的电路原理图；

图3为本实用新型的放大整形电路的电路原理图；

图4为本实用新型的倍频电路的电路原理图；

图5为本实用新型的频率电压转换电路的电路原理图；

图6为本实用新型的报警电路的电路原理图。

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本实用新型作进一步说明。

如图1所示，一种基于脉搏检测的疲劳驾驶预警系统，其特征在于：包括指套1以及和指套1相连的控制器4，指套1中设有传感器采集电路，控制器4中依次设有放大整形电路、倍频电路、频率电压转换电路、报警电路，其中传感器采集电路包含红外线发射二极管Q1和红外线接收三极管Q2，该传感器采集电路与放大整形电路相连，所述红外线发射二极管Q1和红外线接收三极管Q2分别设置在指套1内的上下两端。

红外线发射二极管Q1和红外线接收三极管Q2其中任一个设置在指套上端传感器放置位2上，另一个设置在指套下端传感器放置位3上。指套上端传感器放置位2和指套下端传感器放置位3相对应。用于检测手指内的血液浓度。将采集到的信号依次经过放大整形电路的放大整形、倍频电路的倍频变换、频率电压转换电路的电压转换，最终报警电路进行电压比较后，根据结果进行报警。

本系统设置安装在交通工具中驾驶室内。交通工具可以是飞机、轮船、火车、汽车。

正常成年人的脉搏次数是60-80次/分钟，婴儿为90-140次/分钟，老年人则为100-150次/分钟，显然这种信号属于低频范畴。因此，要把人体的脉搏信号装换成电信号，这就需要借助于传感器。对装换后的电信号要进行放大和整形等处理，以保证其他电路工作正常。且希望在很短的时间内就得出测量结果。

血液是高度不透明的液体，光照在一般组织中的穿透性要比血液中大几十倍，据此特点，采用光电效应手指脉搏传感器来拾取脉搏信号。指端血管的容积和透光度随心脏脉搏改变时，将使红外线接收三极管Q2收到不同的光强，并由此产生的光电流均随之作相应变化。通过手指的血液浓度会随着心脏的跳动发生变化，红外线接收三极管Q2对应的信号便会发生相应的变化，采集此信号经过放大，滤波，比较等处理便可以得到理想的信号。

如图2所示，图2是传感器采集电路的电路原理图：所述传感器采集电路中红外线发射二极管Q1阳极串电阻R9后接正电源，红外线发射二极管Q1阴极接地；红外线接收三极管集电极串电阻R10后接正电源，红外线接收三极管Q2发射机接地，红外线接收三极管集电极还经电容C11后输出脉冲信号f1至放大整形电路，所述红外线发射二极管Q1是TLN104红外传感器，红外线接收三极管Q2是TLP104红外传感器。

用光电传感器检测人体脉搏的原理是：当恒定波长的光照射到人体组织上，通过人体组织吸收、反射衰减后测量到的光强将在一定程度上反映被照射部位组织的结构特征。在人体的指尖处，组织厚度薄，动脉成分含量高。用一束光线透过手指末端，透过手指的光强跟随脉搏搏动而变化，可以认为光透射手指后的强度仅仅由动脉血的充盈而引起的。根据这个特征，可以将脉搏信号转换为光电信号，从而进行检测。

为了减少环境光对脉搏信号测量的影响，同时考虑到传感器使用的方便性，采用密封的指套式包装方式，整个外壳采用不透光的介质和颜色，尽量减少外界环境光的影响，在指套式传感器的内层表面涂上一层吸光材料，这样能有效减少二次反射光的干扰。红外线发射二极管Q1采用TLN104，红外线接收三极管Q2采用TLP104，TLP104通过检测透过指尖的红外光强度，产生反映脉搏搏动规律的微弱电信号，经电容C11耦合到下一级电路。系统可以采用+5V供电，R9可以采用400Ω、500Ω、600Ω等，R10可以采用8KΩ、10KΩ、12KΩ等。

如图3所示，图3为本实用新型的放大整形电路的电路原理图；所述放大整形电路包括放大器U4A、放大器U4B、放大器U4C：

其中放大器U4A的正相输入端接所述传感器采集电路输出的脉冲信号f1，放大器U4A的正相输入端还串电阻R13后接地；该放大器U4A的反相输入端串电阻R4后接地，该放大器U4A的反相输入端还串电阻R5后接放大器U4A的输出端；

其中放大器U4B的正相输入端串电阻R12和电阻R11后接放大器U4A的输出端，电阻R12和电阻R11之间的公共端经电容C13连放大器U4B的输出端；该放大器U4B的反相输入端串滑动变阻器RP1后接地，该放大器U4B的反相输入端还串电阻R6接放大器U4B的输出端；

其中放大器U4C的正相输入端接放大器U4B的输出端；该放大器U4C的反相输入端串电阻R7后接地，该放大器U4C的反相输入端还串电阻R8接放大器U4C的输出端，该放大器U4C的输出端串二极管VD1后输出脉冲信号f2至倍频电路；所述二极管VD1的阳极与放大器U4C的输出端相连，该二极管VD1的阴极还串电阻R14接地。

该电路的作用是把传感器采集电路耦合进来的几十毫伏的微弱电信号进行合适的放大与整形，电路分为放大部分、有源滤波部分和整形电平变换部分。由于传感器输出电阻比较高，故放大电路采用同相放大电路，运放采用LM324，放大电路的放大倍数10倍左右。滤波电路采用二阶有源低通滤波电路，作用是把脉搏信号中的高频干扰信号滤除，同时把脉搏信号放大，集成运放采用LM324。经过放大、滤波后的脉搏信号仍是不规则的脉搏信号，且有低频干扰，必须采用整形电路，这里采用滞回电压比较器。由比较器输出的脉冲信号是一个正负脉冲信号，不是满足计数器要求的脉冲信号，故采用电平转换电路进行变换。所述放大器U4A、放大器U4B、放大器U4C是LM324集成运放。

如图4所示，图4为本实用新型的倍频电路的电路原理图；所述倍频电路包括异或门U9A、异或门U9B、异或门U9C、异或门U9D:

其中异或门U9A的第一输入端接放大整形电路输出的脉冲信号f2；异或门U9A的第二输入端接地；

其中异或门U9B的第一输入端接放大整形电路输出的脉冲信号f2；异或门U9B的第二输入端串电阻R15后接异或门U9A的输出端，异或门U9B的第二输入端还经电容C14接地；

其中异或门U9C的第一输入端接异或门U9B的输出端；异或门U9C的第二输入端接地；

其中异或门U9D的第一输入端接异或门U9B的输出端；异或门U9D的第二输入端串电阻R16后接异或门U9C的输出端，异或门U9D的第二输入端还经电容C15接地；

异或门U9D的输出端输出脉冲信号f3至频率电压转换电路。

该电路的作用是对放大整形后的脉搏信号进行4倍频，从而缩短测量时间，提高测量效率。倍频电路的形式很多，如锁相倍频器、异或门倍频器等。由于锁相倍频器电路比较复杂，成本比较高，故这里采用能满足要求的异或门组成的4倍频电路。异或门U9A和U9B构成二倍频电路，利用第一个异或门的延迟时间对第二个异或门产生作用，当输入由0变为1和由1变为0时都会产生脉冲输出。异或门U9C和异或门U9D原理同异或门U9A和异或门U9B相同。由两个二倍频电路级联构成四倍频电路，其中异或门可以选CC系列，也可以选TTL系列芯片。电容器C14、C15的作用是为了增加延迟时间，从而加宽脉冲的宽度。

如图5所示，图5为本实用新型的频率电压转换电路的电路原理图；所述频率电压转换电路包括频率电压转换器U1，该频率电压转换器U1是LM331芯片：

其中频率电压转换器U1的输入端Vx引脚经电容C3接倍频电路输出的脉冲信号f3，该频率电压转换器U1的输入端Vx引脚还串电阻R20后接正电源；所述频率电压转换器U1的比较输入Vin引脚串电阻R17接正电源，该频率电压转换器U1的比较输入Vin引脚还串电阻R18接地；该频率电压转换器U1的电流输出Iout引脚输出电压信号v4至报警电路；所述频率电压转换器U1的电流输出Iout引脚还串电阻R3接地，该电阻R3两端并联电容C1；该频率电压转换器U1的频率输出Fout引脚接地；该频率电压转换器U1的电源VCC引脚接正电源；该频率电压转换器U1的接地GND引脚接地；该频率电压转换器U1的振荡端R/C引脚串电阻R2后接电源，该频率电压转换器U1的振荡端R/C引脚经电容C2接地；该频率电压转换器U1的基准电流Rs引脚串电阻R19和滑动变阻器RP3接地。

LM331是半导体精密电压频率转换器。该集成电路能电压频率转换，频率电压转换，具有宽动态范围和出色的线性度。

如图6所示，图6为本实用新型的报警电路的电路原理图，所述报警电路包括放大器M9：放大器M9反相输入端接频率电压转换电路输出的电压信号v4；放大器M9正相输入端接滑动变阻器R33的滑动触点，该滑动变阻器R33一端接正电源，另一端接地；放大器M9输出端串电阻R1后接三极管Q3的基极；所述三极管Q3集电极串扬声器LS1接正电源；该三极管Q3发射极接三极管Q4的基极；所述三极管Q4集电极连三极管Q3集电极；所述三极管Q4发射极接地。

放大器M9采用LM324集成运放，如果处于疲劳驾驶状态，则脉搏频率降低，频率电压转换电路输出的电压v4降低，当其低于放大器M9正相输入端电压时，放大器M9输出高电平，放大器M9输出的高电平信号经过三极管放大后驱动报警器发出尖锐的报警声。

所述三极管Q3是S0805达林顿三极管，所述三极管Q4是D667晶体三极管，扬声器LS1是通电式发生报警喇叭。

最后需要说明的是，上述描述仅仅为本实用新型的优选实施例，本领域的普通技术人员在本实用新型的启示下，在不违背本实用新型宗旨及权利要求的前提下，可以做出多种类似的表示，这样的变换均落入本实用新型的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种基于脉搏检测的疲劳驾驶预警系统，其特征在于：包括指套(1)以及和指套(1)相连的控制器(4)，指套(1)中设有传感器采集电路，控制器(4)中依次设有放大整形电路、倍频电路、频率电压转换电路、报警电路，其中传感器采集电路包含红外线发射二极管Q1和红外线接收三极管Q2，该传感器采集电路与放大整形电路相连，所述红外线发射二极管Q1和红外线接收三极管Q2分别设置在指套(1)内的上下两端。

2.根据权利要求1所述基于脉搏检测的疲劳驾驶预警系统，其特征在于：所述传感器采集电路中红外线发射二极管Q1阳极串电阻R9后接正电源，红外线发射二极管Q1阴极接地；红外线接收三极管集电极串电阻R10后接正电源，红外线接收三极管Q2发射机接地，红外线接收三极管集电极还经电容C11后输出脉冲信号f1至放大整形电路。

3.根据权利要求2所述基于脉搏检测的疲劳驾驶预警系统，其特征在于：所述放大整形电路包括放大器U4A、放大器U4B、放大器U4C：

其中放大器U4A的正相输入端接所述传感器采集电路输出的脉冲信号f1，放大器U4A的正相输入端还串电阻R13后接地；该放大器U4A的反相输入端串电阻R4后接地，该放大器U4A的反相输入端还串电阻R5后接放大器U4A的输出端；

其中放大器U4B的正相输入端串电阻R12和电阻R11后接放大器U4A的输出端，电阻R12和电阻R11之间的公共端经电容C13连放大器U4B的输出端；该放大器U4B的反相输入端串滑动变阻器RP1后接地，该放大器U4B的反相输入端还串电阻R6接放大器U4B的输出端；

其中放大器U4C的正相输入端接放大器U4B的输出端；该放大器U4C的反相输入端串电阻R7后接地，该放大器U4C的反相输入端还串电阻R8接放大器U4C的输出端，该放大器U4C的输出端串二极管VD1后输出脉冲信号f2至倍频电路；所述二极管VD1的阳极与放大器U4C的输出端相连，该二极管VD1的阴极还串电阻R14接地。

4.根据权利要求3所述基于脉搏检测的疲劳驾驶预警系统，其特征在于：所述倍频电路包括异或门U9A、异或门U9B、异或门U9C、异或门U9D:

其中异或门U9A的第一输入端接放大整形电路输出的脉冲信号f2；异或门U9A的第二输入端接地；

其中异或门U9B的第一输入端接放大整形电路输出的脉冲信号f2；异或门U9B的第二输入端串电阻R15后接异或门U9A的输出端，异或门U9B的第二输入端还经电容C14接地；

其中异或门U9C的第一输入端接异或门U9B的输出端；异或门U9C的第二输入端接地；

其中异或门U9D的第一输入端接异或门U9B的输出端；异或门U9D的第二输入端串电阻R16后接异或门U9C的输出端，异或门U9D的第二输入端还经电容C15接地；

异或门U9D的输出端输出脉冲信号f3至频率电压转换电路。

5.根据权利要求4所述基于脉搏检测的疲劳驾驶预警系统，其特征在于：所述频率电压转换电路包括频率电压转换器U1，该频率电压转换器U1是LM331芯片：

其中频率电压转换器U1的输入端Vx引脚经电容C3接倍频电路输出的脉冲信号f3，该频率电压转换器U1的输入端Vx引脚还串电阻R20后接正电源；所述频率电压转换器U1的比较输入Vin引脚串电阻R17接正电源，该频率电压转换器U1的比较输入Vin引脚还串电阻R18接地；该频率电压转换器U1的电流输出Iout引脚输出电压信号v4至报警电路；所述频率电压转换器U1的电流输出Iout引脚还串电阻R3接地，该电阻R3两端并联电容C1；该频率电压转换器U1的频率输出Fout引脚接地；该频率电压转换器U1的电源VCC引脚接正电源；该频率电压转换器U1的接地GND引脚接地；该频率电压转换器U1的振荡端R/C引脚串电阻R2后接电源，该频率电压转换器U1的振荡端R/C引脚经电容C2接地；该频率电压转换器U1的基准电流Rs引脚串电阻R19和滑动变阻器RP3接地。

6.根据权利要求5所述基于脉搏检测的疲劳驾驶预警系统，其特征在于：所述报警电路包括放大器M9：放大器M9反相输入端接频率电压转换电路输出的电压信号v4；放大器M9正相输入端接滑动变阻器R33的滑动触点，该滑动变阻器R33一端接正电源，另一端接地；放大器M9输出端串电阻R1后接三极管Q3的基极；所述三极管Q3集电极串扬声器LS1接正电源；该三极管Q3发射极接三极管Q4的基极；所述三极管Q4集电极连三极管Q3集电极；所述三极管Q4发射极接地。

7.根据权利要求2-6任一项所述基于脉搏检测的疲劳驾驶预警系统，其特征在于：所述红外线发射二极管Q1是TLN104红外传感器，红外线接收三极管Q2是TLP104红外传感器。

8.根据权利要求3-6任一项所述基于脉搏检测的疲劳驾驶预警系统，其特征在于：所述放大器U4A、放大器U4B、放大器U4C是LM324集成运放。

9.根据权利要求6所述基于脉搏检测的疲劳驾驶预警系统，其特征在于：所述三极管Q3是S0805达林顿三极管，所述三极管Q4是D667晶体三极管，扬声器LS1是通电式发生报警喇叭。