一种白噪声助眠器的设计研究

陆柯燃，刘振兴，蒋明珠

（泰州职业技术学院 信息技术学院，江苏泰州，225300）

0 引言

睡眠对于消除疲劳、恢复体力、增强免疫力、调节人体各项机能等方面起到极其重要的作用。广大研究者提出了各种各样的方法来辅助人们的睡眠，如雨滴声助眠器、光源助眠器、磁致诱导助眠器等。雨滴声助眠器通过在一定时间内，周而复始地发出有节奏的模拟雨水滴在台阶上的“嗒、嗒”声，使失眠者安然入睡。光源助眠器通过壳体前板上的通光孔向指定方向射出光线，从而催人入睡。磁致诱导助眠器是一种在人头颅特定部位给予磁刺激的技术，在某一特定皮质部位给予重复刺激的过程，使人入睡[1]。这些助眠技术手段虽然取得了一定成效，但也存在着一些不足，如设备操作复杂，不方便携带；助眠效果不明显，且易对身体某些部位如眼睛、大脑等造成一定损害。

白噪声助眠器作为一种新型催眠方法，能模拟大自然的声音，通过减压、去噪等对睡眠具有很好的促进作用，从而广泛被使用。然而，根据医学研究，人类的睡眠按照熟睡程度可以分为入睡期、浅睡期和熟睡期。不同的睡眠期，脑波频率和振幅不同，同时对外界声音的感知不同。故不同频率的声音在不同的睡眠期所起的作用不一样。目前的白噪声助眠器大多功能比较单一，可调节能力差，且长期使用会对听觉造成一定的危害。本白噪声催眠器的设计通过检测脉搏频率的变化监测睡眠的状态，并根据睡眠状态自动调节输出声音的频率，使人在不同的睡眠期感知助眠器发出的不同声音，从而实现人体神经系统的最大程度放松，使大脑有效分泌褪黑素，更好地进入睡眠里，提高睡眠质量。

1 白噪声助眠电路设计

■1.1 总体设计思路

白噪声助眠器的总体设计框图如图1 所示。设计框图包括信号处理电路、选频网络电路设计、控制电路三个部分，控制电路对脉搏检测的不同情况进行电路的选择，信号处理电路实现对白噪声输入信号的处理，选频网络电路设计主要完成对白噪声输入信号的自动变频功能，满足人们睡眠不同阶段对不同频率的需求，从而进一步提升睡眠质量。

图1 白噪声助眠器设计框图

■1.2 控制电路设计

根据脉搏传感器相关参数要求，采用5V 直流电源供电。控制电路采用LM393 作为电压比较器，LM393 相较于其他比较器具有高增益、低功耗、电源电压范围宽的特点。前端电路通过脉搏传感器采集到的脉搏信号转化为与之对应的电阻值，从而改变脉搏传感器两端电压，进入电压比较器，输出到不同电路支路。

本电路选用的脉搏传感器为HK-2000B+脉搏传感器，具有灵敏度高、抗干扰性能力强、过载能力大、一致性好、性能稳定、使用寿命长的特点，是在HK-2000B 脉搏传感器的基础上改进的产品。该传感器内部在硅膜片上做成四个等值的电阻的应变元件，构成惠斯通电桥。当受到压力作用时，一对桥臂的电阻变大，而另一对桥臂电阻变小，电桥失去平衡，电阻率发生变化，输出一个与压力成正比的电压。

主要特点：模拟电压信号输出；灵敏度高；抗干扰性能力强；过载能力大；一致性好；性能稳定可靠，使用寿命长。

技术指标：电源电压：5～6V DC；压力量程：-50～+300mmHg；灵敏度；2000uV/mmHg；灵敏度温度系数：1x104/℃；精度：0.5%；重复性：0.5%；迟滞：0.5%；过载：100 倍。

为更好地直观展示控制电路，本设计电路图中的脉搏传感器采用电阻R7 代替，具体电路如图2 所示，R1、R2、R5 为直流偏置电阻，分别为2kΩ、1kΩ、1kΩ，阻值大小的选取与脉搏传感器的限流有关，LM393AD 为双通道电压比较器，反相输入端电压为0V，正向输入端为5V，由于LM393 电压比较器采用集电极开路输出结构，故在输出端与正电源之间接一个上拉电阻R10，为2kΩ。

图2 控制电路图

当人刚入睡时，脉搏跳动较快，R7 阻值较大，R7 两端分压较大，LM393 电压比较器的反向输入端电压大于正向输入端的电压，输出为低电平0V，反馈给三极管的基极，由于三极管集电极的电压为12V，此时三极管截止，则继电器停止工作。反之，当人进入深睡眠时，脉搏跳动较为平缓，R7 阻值较小，R7 两端分压较小，LM393 电压比较器的反向输入端电压小于正向输入端的电压，输出为高电平5V。5V 反馈给三极管的基极，此时三极管导通，信号经过2N2218 三极管进行电流放大，提高负载驱动能力，为继电器驱动电路做准备。

本控制电路采用的LM393 电压比较器更好地抑制了脉搏传感器所带来的高频噪声，同时也为接下来的选频电路做好了基础。

■1.3 信号处理电路设计

为更好地实现后续白噪声滤波功能的要求，对白噪声输入信号进行信号处理电路设计，该部分设计采用LM358 作为主要的信号放大处理元件。LM358 内部单位增益频率补偿，有较大的直流电压增益（100dB)，工作电压范围宽（3～36V)，输出电压范围大的特点，是一种常见、应用广泛的运算放大器。

本电路设计采用同向放大比例电路，具体电路图如图3所示[2]。输入的白噪声信号通过电阻R16 作用于集成运放的同向输入端，故输出电压与输入信号同向。同向输入端通过电阻R15 接地，R15 为补偿电阻，以保证集成运放输入级差分放大电路外接电阻的对称性，其值为输入端接地时反向输入端的总等效电阻[3]。

图3 信号处理电路图

同向比例放大电路，其放大倍数稳定，且电路设计较分立元件电路要简单得多，通过图4 可以明显看到输入信号的放大效果。

图4 信号处理电路实验效果图

■1.4 选频网络电路设计

为满足不同睡眠阶段对不同频率的需求，当人刚入睡时，助眠器发出白噪声，能有效地屏蔽外部其他噪声的干扰，快速进入睡眠。当人进入深睡眠时，助眠器将白噪声输入信号输送到选频网络电路，输出低频段信号，更好的提升睡眠质量。

选频网络电路设计核心为带通滤波电路，并选用NE5532A 进行信号的放大，具体电路如图5 所示。NE5532A 为一种双运放高性能低噪声运算放大器，相比较大多数标准运算放大器，如1458，它显示出更好的噪声性能，提高输出驱动能力和相当高的小信号和电源带宽。

图5 选频网络电路

带通滤波电路由BC1 和BR11 组成的低通滤波和BC2、BR12 组成的高通滤波，根据滤波器的实际幅频特性可知转折频率为：

具体幅频特性曲线如图6 所示。BC1 和BR11 组成一阶低通滤波器，其传递函数：

图6 低通滤波器的实际幅频特性

其中s 用取代，得电压放大倍数：

式(3)中，f0为特征频率。令f=0，可得到通带放大倍数：

图7 中心截止频率

图8 低电平时输出结果

2 实验分析

根据实验仿真分析后得出，当人刚进入睡眠时，控制电路经过电压比较器输出低电平，将白噪声输入信号送入支路2，支路1 无信号输出，具体结果如图8 所示。当人进入深睡眠时，控制电路经过电压比较器输出高电平，将白噪声输入信号送入支路1，支路2无信号输出，具体结果如图9所示。

图9 高电平输出结果

当人进入深睡眠后，白噪声信号进入支路1，通过带通滤波电路滤波放大后，输出低频信号，频率约为60Hz，具体结果如图10 所示。

图10 带通滤波电路输出结果

3 结论

文中对白噪声助眠器进行了研究，设计了控制电路、选频网络电路和信号处理电路，并实现人在不同睡眠阶段实现频率的自动变频功能。实验结果表明，选频网络电路实现了很好的滤波效果，控制电路成功实现在人不同睡眠情况下，将白噪声输入信号输入到不同的电路支路，更有助于人们的睡眠质量的提高，具有良好的市场应用前景。