一種白噪聲助眠器的設(shè)計(jì)研究

陸柯燃，劉振興，蔣明珠

（泰州職業(yè)技術(shù)學(xué)院 信息技術(shù)學(xué)院，江蘇泰州，225300）

0 引言

睡眠對(duì)于消除疲勞、恢復(fù)體力、增強(qiáng)免疫力、調(diào)節(jié)人體各項(xiàng)機(jī)能等方面起到極其重要的作用。廣大研究者提出了各種各樣的方法來(lái)輔助人們的睡眠，如雨滴聲助眠器、光源助眠器、磁致誘導(dǎo)助眠器等。雨滴聲助眠器通過(guò)在一定時(shí)間內(nèi)，周而復(fù)始地發(fā)出有節(jié)奏的模擬雨水滴在臺(tái)階上的“嗒、嗒”聲，使失眠者安然入睡。光源助眠器通過(guò)殼體前板上的通光孔向指定方向射出光線，從而催人入睡。磁致誘導(dǎo)助眠器是一種在人頭顱特定部位給予磁刺激的技術(shù)，在某一特定皮質(zhì)部位給予重復(fù)刺激的過(guò)程，使人入睡[1]。這些助眠技術(shù)手段雖然取得了一定成效，但也存在著一些不足，如設(shè)備操作復(fù)雜，不方便攜帶；助眠效果不明顯，且易對(duì)身體某些部位如眼睛、大腦等造成一定損害。

白噪聲助眠器作為一種新型催眠方法，能模擬大自然的聲音，通過(guò)減壓、去噪等對(duì)睡眠具有很好的促進(jìn)作用，從而廣泛被使用。然而，根據(jù)醫(yī)學(xué)研究，人類的睡眠按照熟睡程度可以分為入睡期、淺睡期和熟睡期。不同的睡眠期，腦波頻率和振幅不同，同時(shí)對(duì)外界聲音的感知不同。故不同頻率的聲音在不同的睡眠期所起的作用不一樣。目前的白噪聲助眠器大多功能比較單一，可調(diào)節(jié)能力差，且長(zhǎng)期使用會(huì)對(duì)聽覺造成一定的危害。本白噪聲催眠器的設(shè)計(jì)通過(guò)檢測(cè)脈搏頻率的變化監(jiān)測(cè)睡眠的狀態(tài)，并根據(jù)睡眠狀態(tài)自動(dòng)調(diào)節(jié)輸出聲音的頻率，使人在不同的睡眠期感知助眠器發(fā)出的不同聲音，從而實(shí)現(xiàn)人體神經(jīng)系統(tǒng)的最大程度放松，使大腦有效分泌褪黑素，更好地進(jìn)入睡眠里，提高睡眠質(zhì)量。

1 白噪聲助眠電路設(shè)計(jì)

■1.1 總體設(shè)計(jì)思路

白噪聲助眠器的總體設(shè)計(jì)框圖如圖1 所示。設(shè)計(jì)框圖包括信號(hào)處理電路、選頻網(wǎng)絡(luò)電路設(shè)計(jì)、控制電路三個(gè)部分，控制電路對(duì)脈搏檢測(cè)的不同情況進(jìn)行電路的選擇，信號(hào)處理電路實(shí)現(xiàn)對(duì)白噪聲輸入信號(hào)的處理，選頻網(wǎng)絡(luò)電路設(shè)計(jì)主要完成對(duì)白噪聲輸入信號(hào)的自動(dòng)變頻功能，滿足人們睡眠不同階段對(duì)不同頻率的需求，從而進(jìn)一步提升睡眠質(zhì)量。

圖1 白噪聲助眠器設(shè)計(jì)框圖

■1.2 控制電路設(shè)計(jì)

根據(jù)脈搏傳感器相關(guān)參數(shù)要求，采用5V 直流電源供電?？刂齐娐凡捎肔M393 作為電壓比較器，LM393 相較于其他比較器具有高增益、低功耗、電源電壓范圍寬的特點(diǎn)。前端電路通過(guò)脈搏傳感器采集到的脈搏信號(hào)轉(zhuǎn)化為與之對(duì)應(yīng)的電阻值，從而改變脈搏傳感器兩端電壓，進(jìn)入電壓比較器，輸出到不同電路支路。

本電路選用的脈搏傳感器為HK-2000B+脈搏傳感器，具有靈敏度高、抗干擾性能力強(qiáng)、過(guò)載能力大、一致性好、性能穩(wěn)定、使用壽命長(zhǎng)的特點(diǎn)，是在HK-2000B 脈搏傳感器的基礎(chǔ)上改進(jìn)的產(chǎn)品。該傳感器內(nèi)部在硅膜片上做成四個(gè)等值的電阻的應(yīng)變?cè)?，?gòu)成惠斯通電橋。當(dāng)受到壓力作用時(shí)，一對(duì)橋臂的電阻變大，而另一對(duì)橋臂電阻變小，電橋失去平衡，電阻率發(fā)生變化，輸出一個(gè)與壓力成正比的電壓。

主要特點(diǎn)：模擬電壓信號(hào)輸出；靈敏度高；抗干擾性能力強(qiáng)；過(guò)載能力大；一致性好；性能穩(wěn)定可靠，使用壽命長(zhǎng)。

技術(shù)指標(biāo)：電源電壓：5～6V DC；壓力量程：-50～+300mmHg；靈敏度；2000uV/mmHg；靈敏度溫度系數(shù)：1x104/℃；精度：0.5%；重復(fù)性：0.5%；遲滯：0.5%；過(guò)載：100 倍。

為更好地直觀展示控制電路，本設(shè)計(jì)電路圖中的脈搏傳感器采用電阻R7 代替，具體電路如圖2 所示，R1、R2、R5 為直流偏置電阻，分別為2kΩ、1kΩ、1kΩ，阻值大小的選取與脈搏傳感器的限流有關(guān)，LM393AD 為雙通道電壓比較器，反相輸入端電壓為0V，正向輸入端為5V，由于LM393 電壓比較器采用集電極開路輸出結(jié)構(gòu)，故在輸出端與正電源之間接一個(gè)上拉電阻R10，為2kΩ。

圖2 控制電路圖

當(dāng)人剛?cè)胨瘯r(shí)，脈搏跳動(dòng)較快，R7 阻值較大，R7 兩端分壓較大，LM393 電壓比較器的反向輸入端電壓大于正向輸入端的電壓，輸出為低電平0V，反饋給三極管的基極，由于三極管集電極的電壓為12V，此時(shí)三極管截止，則繼電器停止工作。反之，當(dāng)人進(jìn)入深睡眠時(shí)，脈搏跳動(dòng)較為平緩，R7 阻值較小，R7 兩端分壓較小，LM393 電壓比較器的反向輸入端電壓小于正向輸入端的電壓，輸出為高電平5V。5V 反饋給三極管的基極，此時(shí)三極管導(dǎo)通，信號(hào)經(jīng)過(guò)2N2218 三極管進(jìn)行電流放大，提高負(fù)載驅(qū)動(dòng)能力，為繼電器驅(qū)動(dòng)電路做準(zhǔn)備。

本控制電路采用的LM393 電壓比較器更好地抑制了脈搏傳感器所帶來(lái)的高頻噪聲，同時(shí)也為接下來(lái)的選頻電路做好了基礎(chǔ)。

■1.3 信號(hào)處理電路設(shè)計(jì)

為更好地實(shí)現(xiàn)后續(xù)白噪聲濾波功能的要求，對(duì)白噪聲輸入信號(hào)進(jìn)行信號(hào)處理電路設(shè)計(jì)，該部分設(shè)計(jì)采用LM358 作為主要的信號(hào)放大處理元件。LM358 內(nèi)部單位增益頻率補(bǔ)償，有較大的直流電壓增益（100dB)，工作電壓范圍寬（3～36V)，輸出電壓范圍大的特點(diǎn)，是一種常見、應(yīng)用廣泛的運(yùn)算放大器。

本電路設(shè)計(jì)采用同向放大比例電路，具體電路圖如圖3所示[2]。輸入的白噪聲信號(hào)通過(guò)電阻R16 作用于集成運(yùn)放的同向輸入端，故輸出電壓與輸入信號(hào)同向。同向輸入端通過(guò)電阻R15 接地，R15 為補(bǔ)償電阻，以保證集成運(yùn)放輸入級(jí)差分放大電路外接電阻的對(duì)稱性，其值為輸入端接地時(shí)反向輸入端的總等效電阻[3]。

圖3 信號(hào)處理電路圖

同向比例放大電路，其放大倍數(shù)穩(wěn)定，且電路設(shè)計(jì)較分立元件電路要簡(jiǎn)單得多，通過(guò)圖4 可以明顯看到輸入信號(hào)的放大效果。

圖4 信號(hào)處理電路實(shí)驗(yàn)效果圖

■1.4 選頻網(wǎng)絡(luò)電路設(shè)計(jì)

為滿足不同睡眠階段對(duì)不同頻率的需求，當(dāng)人剛?cè)胨瘯r(shí)，助眠器發(fā)出白噪聲，能有效地屏蔽外部其他噪聲的干擾，快速進(jìn)入睡眠。當(dāng)人進(jìn)入深睡眠時(shí)，助眠器將白噪聲輸入信號(hào)輸送到選頻網(wǎng)絡(luò)電路，輸出低頻段信號(hào)，更好的提升睡眠質(zhì)量。

選頻網(wǎng)絡(luò)電路設(shè)計(jì)核心為帶通濾波電路，并選用NE5532A 進(jìn)行信號(hào)的放大，具體電路如圖5 所示。NE5532A 為一種雙運(yùn)放高性能低噪聲運(yùn)算放大器，相比較大多數(shù)標(biāo)準(zhǔn)運(yùn)算放大器，如1458，它顯示出更好的噪聲性能，提高輸出驅(qū)動(dòng)能力和相當(dāng)高的小信號(hào)和電源帶寬。

圖5 選頻網(wǎng)絡(luò)電路

帶通濾波電路由BC1 和BR11 組成的低通濾波和BC2、BR12 組成的高通濾波，根據(jù)濾波器的實(shí)際幅頻特性可知轉(zhuǎn)折頻率為：

具體幅頻特性曲線如圖6 所示。BC1 和BR11 組成一階低通濾波器，其傳遞函數(shù)：

圖6 低通濾波器的實(shí)際幅頻特性

其中s 用取代，得電壓放大倍數(shù)：

式(3)中，f0為特征頻率。令f=0，可得到通帶放大倍數(shù)：

圖7 中心截止頻率

圖8 低電平時(shí)輸出結(jié)果

2 實(shí)驗(yàn)分析

根據(jù)實(shí)驗(yàn)仿真分析后得出，當(dāng)人剛進(jìn)入睡眠時(shí)，控制電路經(jīng)過(guò)電壓比較器輸出低電平，將白噪聲輸入信號(hào)送入支路2，支路1 無(wú)信號(hào)輸出，具體結(jié)果如圖8 所示。當(dāng)人進(jìn)入深睡眠時(shí)，控制電路經(jīng)過(guò)電壓比較器輸出高電平，將白噪聲輸入信號(hào)送入支路1，支路2無(wú)信號(hào)輸出，具體結(jié)果如圖9所示。

圖9 高電平輸出結(jié)果

當(dāng)人進(jìn)入深睡眠后，白噪聲信號(hào)進(jìn)入支路1，通過(guò)帶通濾波電路濾波放大后，輸出低頻信號(hào)，頻率約為60Hz，具體結(jié)果如圖10 所示。

圖10 帶通濾波電路輸出結(jié)果

3 結(jié)論

文中對(duì)白噪聲助眠器進(jìn)行了研究，設(shè)計(jì)了控制電路、選頻網(wǎng)絡(luò)電路和信號(hào)處理電路，并實(shí)現(xiàn)人在不同睡眠階段實(shí)現(xiàn)頻率的自動(dòng)變頻功能。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，選頻網(wǎng)絡(luò)電路實(shí)現(xiàn)了很好的濾波效果，控制電路成功實(shí)現(xiàn)在人不同睡眠情況下，將白噪聲輸入信號(hào)輸入到不同的電路支路，更有助于人們的睡眠質(zhì)量的提高，具有良好的市場(chǎng)應(yīng)用前景。