何永玲+易法令+余悅泳+蔡燦凱

摘 要： 針對(duì)現(xiàn)有皮膚油脂檢測(cè)裝置設(shè)備昂貴、測(cè)量速度慢和普遍推廣難度大等問(wèn)題，利用光電檢測(cè)技術(shù)和超低功耗MSP430F5系列單片機(jī)設(shè)計(jì)一種便攜式人體皮膚表面油脂檢測(cè)裝置。該裝置由油脂采集探頭和分析主機(jī)兩部分組成，油脂采集探頭選用雙面細(xì)磨砂玻璃吸附人體皮膚表面油脂，利用紅外光電檢測(cè)技術(shù)進(jìn)行油脂含量的電信號(hào)轉(zhuǎn)換，最后分析主機(jī)根據(jù)經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證的經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算出所測(cè)皮膚表面的油脂含量，還可將測(cè)試結(jié)果無(wú)線傳輸給移動(dòng)手機(jī)以供數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和分享，開(kāi)發(fā)了對(duì)應(yīng)功能的手機(jī)APP。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該裝置的檢測(cè)結(jié)果能正確反映人體皮膚表面的油脂含量，且測(cè)試速度快，移動(dòng)便攜，可用于化妝品功效評(píng)價(jià)和皮膚類型判斷方面的大眾推廣，具有良好的市場(chǎng)前景。

關(guān)鍵詞： 皮膚表面； 油脂檢測(cè)裝置； 光電檢測(cè)； MSP430F5系列； 無(wú)線傳輸； APP

中圖分類號(hào)： TN98?34； TP216 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2018）05?0182?05

Abstract： Since the current skin surface sebum detection device has the problems of expensive equipment， slow measurement speed and difficult popularization， a portable human skin surface sebum detection device based on photoelectric detection technology and ultra?low power consumption MSP430F5 series MCU is designed. The device is composed of sebum acquisition probe and analysis host. The double?sided fine grinding ground glass is adopted in sebum acquisition probe to absorb the sebum of the human skin surface. The infrared photoelectric detection technology is used to convert the electrical signal of sebum content. The analysis host calculates the sebum content of the skin surface according to the tested empirical formula， and wirelessly transmits the test results to mobile phones for data storage and sharing. The mobile phone APP of corresponding functions was developed. The experimental results show that the detection results of the device can reflect the sebum content of human skin surface correctly， and the device has fast test speed and portable carrying， can be used to popular promotion for cosmetic efficacy evaluation and skin type judgment， and has wide market prospects.

Keywords： skin surface； sebum detection device； photoelectric detection； MSP430F5 series； wireless transmission； APP

0 引 言

皮膚皮脂腺所分泌的油脂在皮膚表面形成一層呈弱酸性的油脂膜，具有滋潤(rùn)皮膚和毛發(fā)、防止皮膚水分蒸發(fā)和皮膚過(guò)敏、抑制和殺滅皮膚表面細(xì)菌等功效。皮膚表面的油脂含量是判定皮膚類型的重要參考指標(biāo)[1]，其變化反映了人體的代謝情況。與此同時(shí)，皮膚油脂分泌異常或分泌成分改變會(huì)導(dǎo)致某些皮膚?。ㄈ琊畀彽龋┑陌l(fā)生。因此，對(duì)皮膚油脂含量進(jìn)行檢測(cè)具有重要意義[2?4]。

現(xiàn)階段皮膚油脂測(cè)量方法中，國(guó)際上認(rèn)可的測(cè)量方式是應(yīng)用皮膚油脂測(cè)試儀器（SEBUMETER）進(jìn)行測(cè)量[5]。類似的油脂測(cè)試儀器主要用于專業(yè)檢測(cè)機(jī)構(gòu)，存在測(cè)量速度慢、測(cè)試設(shè)備昂貴、測(cè)試配件難找和普遍推廣難度大等問(wèn)題。針對(duì)上述情況，本文利用光電檢測(cè)技術(shù)和具有吸附人體表面油脂能力的普通磨砂玻璃研制了一種便攜、快速、準(zhǔn)確的可用于普通大眾的低成本皮膚油脂檢測(cè)裝置。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本油脂檢測(cè)裝置包括油脂采集探頭和分析主機(jī)兩部分。油脂采集探頭將人體皮膚表面的油脂含量轉(zhuǎn)換成對(duì)應(yīng)的電信號(hào)參數(shù)，分析主機(jī)對(duì)油脂探頭采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行后續(xù)處理，得出具體的油脂含量和皮膚類型等結(jié)果并顯示。如果有需要，還能將檢測(cè)結(jié)果和皮膚類型等數(shù)據(jù)通過(guò)藍(lán)牙發(fā)送給手機(jī)存儲(chǔ)、分享或其他操作，裝置整體設(shè)計(jì)框圖如圖1所示。

1.1 油脂采集探頭設(shè)計(jì)

現(xiàn)如今，皮膚油脂測(cè)量主要采用光電檢測(cè)技術(shù)、近紅外光譜技術(shù)和圖像處理技術(shù)，但是近紅外光譜技術(shù)和圖像處理技術(shù)需要應(yīng)用到的硬件成本較高，而光電檢測(cè)技術(shù)硬件成本較低[6?8]。光電檢測(cè)技術(shù)主要有激光、紅外、光纖等，出于成本和適用性考慮，本裝置采用紅外光信號(hào)。油脂采集材料選擇吸附能力較強(qiáng)的雙面細(xì)磨砂玻璃，通過(guò)其與人體皮膚的充分接觸吸附皮膚表面油脂。油脂采集探頭的設(shè)計(jì)框圖如圖2所示。因?yàn)椴煌康奈接椭瑫?huì)導(dǎo)致磨砂硅玻璃的透光性不同，從而導(dǎo)致對(duì)紅外光的反射量存在差異。利用紅外發(fā)射對(duì)管的發(fā)射器產(chǎn)生紅外光，利用紅外光對(duì)管的接收器接收反射光，同時(shí)進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換，產(chǎn)生對(duì)應(yīng)皮膚表面油脂含量的電信號(hào)。由于接收管接收到的信號(hào)比較弱，會(huì)被環(huán)境中的紅外噪聲干擾，需要對(duì)弱信號(hào)進(jìn)行預(yù)處理、濾除噪聲。通過(guò)帶通濾波電路之后的信號(hào)為純正的正弦信號(hào)，而需要的只是不同信號(hào)之間的電壓差異，因此，通過(guò)峰值檢測(cè)電路獲得被測(cè)皮膚油脂含量對(duì)應(yīng)的電壓值，為分析主機(jī)提供原始數(shù)據(jù)。endprint

1.2 分析主機(jī)設(shè)計(jì)

分析主機(jī)需要對(duì)油脂采集探頭的電壓信號(hào)進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換以及建模，計(jì)算具體的油脂含量，還可能需要進(jìn)行與手機(jī)之間的數(shù)據(jù)無(wú)線發(fā)送和接收，同時(shí)需要考慮到油脂檢測(cè)裝置的功耗、便攜性以及功能擴(kuò)展性，所以選擇帶有多通道輸入的A/D接口、I2C接口、SPI和UART等接口的超低功耗MSP430F5系列單片機(jī)，具體的設(shè)計(jì)框圖如圖3所示。

2 系統(tǒng)硬件實(shí)現(xiàn)

2.1 紅外發(fā)射和接收電路

油脂采集探頭利用紅外光電檢測(cè)技術(shù)進(jìn)行油脂含量的電信號(hào)轉(zhuǎn)換，需要設(shè)計(jì)紅外發(fā)射和接收電路。

2.1.1 紅外發(fā)射電路

紅外發(fā)射電路如圖4a）所示，紅外發(fā)射管的一般發(fā)射功率不能過(guò)大，但要盡可能大，還要穩(wěn)定發(fā)射管的發(fā)射功率。本文利用分壓式偏置電路設(shè)計(jì)紅外發(fā)射電路。

發(fā)射管功率：

由式（1）～式（3）可知，通過(guò)調(diào)整電阻的比例來(lái)控制三極管Q1的基極電壓，從而可以控制集電極的電流，因此可以控制處于集電極的紅外發(fā)射管的發(fā)射功率，且穩(wěn)定靜態(tài)工作點(diǎn)。由于三極管是一種對(duì)溫度十分敏感的元件，利用二極管D1的管壓降溫度特性可以構(gòu)成溫度補(bǔ)償電路，穩(wěn)定三極管基極電流。

2.1.2 紅外光電轉(zhuǎn)換接收電路

如圖4b），該紅外接收電路為負(fù)載電阻上端的輸出電壓電路，接在光敏三極管Q2的發(fā)射極，光敏三極管的基極開(kāi)路沒(méi)有負(fù)反饋?zhàn)饔?，其發(fā)射極電流與集電極電路相同。由于三極管的正常電流放大作用，放大的輸出電流以發(fā)射極電流的形式出現(xiàn)，并在負(fù)載電阻的上端輸出光電轉(zhuǎn)換后對(duì)應(yīng)的電壓信號(hào)由于接收到的電流比較弱，可以通過(guò)調(diào)節(jié)的大小將電壓放大。

2.2 帶通濾波電路

光電轉(zhuǎn)換后的電信號(hào)，不但含有紅外光的信號(hào)，還含有自然光、白噪聲、器件本身的噪聲干擾，其中以自然光干擾為主[9]。為了從光電轉(zhuǎn)換信號(hào)里提取有用的電信號(hào)，濾除自然光的干擾，本設(shè)計(jì)加入一個(gè)帶通濾波電路，以除去有用信號(hào)頻帶以外的噪聲。本設(shè)計(jì)采用有源濾波器，它是一種含有半導(dǎo)體三極管、集成運(yùn)放等有源器件的濾波器，相對(duì)于無(wú)源濾波器的特點(diǎn)是體積小、重量輕、價(jià)格低、結(jié)構(gòu)牢固、可以集成[10]。由于運(yùn)算放大器具有輸入阻抗高、輸出阻抗低、高的開(kāi)環(huán)增益和良好的穩(wěn)定性，且構(gòu)成簡(jiǎn)單，性能優(yōu)良，本設(shè)計(jì)中放大器選用LM358。

濾波電路帶寬的確定是設(shè)計(jì)的重點(diǎn)，為使濾波效果達(dá)到最好，帶寬應(yīng)越小越好，然而受器件本身因素的限制，帶寬不可能無(wú)限小，經(jīng)過(guò)多次計(jì)算和實(shí)驗(yàn)，設(shè)計(jì)出了帶寬較小且能滿足系統(tǒng)需要的帶通濾波器，如圖5所示。

圖5的帶通濾波器由1個(gè)二階的低通濾波器和1個(gè)二階的高通濾波器組成，其中低通濾波器的傳遞函數(shù)為：

高通濾波器的傳遞函數(shù)為：

其中：

當(dāng)kΩ，μF時(shí)，可解出低通截止頻率Hz；當(dāng)kΩ，μF時(shí)，可解出高通截止頻率Hz。

2.3 峰值檢測(cè)電路

峰值檢測(cè)電路的作用是對(duì)輸入信號(hào)的峰值進(jìn)行提取，產(chǎn)生輸出電壓為了實(shí)現(xiàn)這樣的目標(biāo)，電路輸出值會(huì)一直保持，直到一個(gè)新的更大的峰值出現(xiàn)或電路復(fù)位。該電路采用一種比較常用的無(wú)二極管型的峰值檢測(cè)電路，其原理圖和仿真圖如圖6所示。

2.4 負(fù)電壓產(chǎn)生電路

帶通濾波器和峰值檢測(cè)電路需要負(fù)電壓源。常見(jiàn)的實(shí)現(xiàn)負(fù)電壓方案有LDC、電荷泵、DC?DC、電源模塊等。電荷泵轉(zhuǎn)換器不使用電感，其輻射EMI可以忽略，輸入端噪聲可用一只小型電容器濾除，占用空間最小，使用成本較低，適用于便攜式應(yīng)用產(chǎn)品的設(shè)計(jì)。 CAT660是電荷泵的一種應(yīng)用，可以把1.5～5.5 V的電壓轉(zhuǎn)換為-1.5～-5.5 V。電路如圖7所示，電路僅需要兩個(gè)電容就可以將輸入電壓反相，電容的取值范圍為1～100 μF。

2.5 藍(lán)牙模塊電路

分析主機(jī)通過(guò)藍(lán)牙和手機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，完成油脂信息和皮膚類型等數(shù)據(jù)到手機(jī)端的傳輸。本文選用BT?HC05藍(lán)牙模塊，可用于各種帶藍(lán)牙功能的電腦、藍(lán)牙主機(jī)、手機(jī)、PDA、PSP等智能終端配對(duì)，寬波特率范圍為4 800～1 382 400 Bd，并且模塊兼容單片機(jī)系統(tǒng)[11]。本系統(tǒng)的串口模塊用到的引腳如表1所示。

2.6 結(jié)果顯示模塊

本設(shè)計(jì)采用COG點(diǎn)陣屏顯示所測(cè)油脂含量、測(cè)試時(shí)間以及藍(lán)牙連接成功與否等提示信息，COG點(diǎn)陣屏內(nèi)部主控芯片為 ST7567，采用類似SPI協(xié)議的串行接口控制，分辨率為128×64，本身不帶字庫(kù)。具體引腳控制連接如表2所示。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

為完成系統(tǒng)所設(shè)定的功能，系統(tǒng)軟件分為油脂采樣過(guò)程和油脂檢測(cè)計(jì)算過(guò)程。油脂采樣過(guò)程由按鍵觸發(fā)，通過(guò)對(duì)油脂探頭的輸出電壓分析，判斷采樣過(guò)程是否結(jié)束。油脂檢測(cè)計(jì)算過(guò)程在采樣結(jié)束時(shí)開(kāi)始，并由定時(shí)器設(shè)定一個(gè)穩(wěn)定時(shí)間，通過(guò)分析穩(wěn)定后的油脂探頭輸出電壓計(jì)算最終所測(cè)油脂含量。系統(tǒng)工作流程如圖8所示，首先進(jìn)行功能模塊的初始化，之后進(jìn)入低功耗模式，按鍵中斷觸發(fā)油脂采樣過(guò)程，使能A/D轉(zhuǎn)換器。油脂采樣過(guò)程中油脂檢測(cè)探頭的輸出電壓有如圖9所示的變化趨勢(shì)，通過(guò)A/D轉(zhuǎn)換值判斷采樣是否結(jié)束。當(dāng)采樣過(guò)程結(jié)束后，關(guān)閉A/D轉(zhuǎn)換器，然后進(jìn)入油脂檢測(cè)計(jì)算過(guò)程。為保證檢測(cè)數(shù)據(jù)的正確性，油脂檢測(cè)計(jì)算過(guò)程設(shè)計(jì)了3 s的穩(wěn)定時(shí)間，通過(guò)定時(shí)器實(shí)現(xiàn)，定時(shí)完成后使能A/D轉(zhuǎn)換器，由A/D轉(zhuǎn)換器獲取采樣后的檢測(cè)電壓（油脂含量所對(duì)應(yīng)的電壓值），然后根據(jù)模型分析計(jì)算具體的油脂含量并顯示。為保證數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，所有A/D采樣和轉(zhuǎn)換都使用多次平均值的算法。

如圖9所示，在油脂探頭接觸皮膚之前，探頭輸出電壓有一個(gè)固定的值，稱之為基壓，當(dāng)油脂探頭接觸皮膚開(kāi)始采樣時(shí)，探頭輸出電壓比基壓低0.2 V以上，當(dāng)油脂探頭離開(kāi)皮膚結(jié)束采樣時(shí)，探頭輸出電壓比基壓高。采樣之后油脂探頭的硅玻璃透光度下降，從而導(dǎo)致電壓值有變化。在此過(guò)程中，油脂量跟電壓值成線性關(guān)系，油脂越多，透光度越低，紅外接收器接收的反射光越多，A/D轉(zhuǎn)換器得到的電壓值越大。因此，可以通過(guò)電壓值相對(duì)于基壓變化量的大小來(lái)體現(xiàn)某一時(shí)刻油脂的Pertage值，如式（6）所示：endprint

式中：MV是檢測(cè)電壓值；SV是基壓；表示規(guī)定油脂含量的最大值；Max Range是探頭可測(cè)量的范圍。

系統(tǒng)利用單片機(jī)定時(shí)器、按鍵和A/D轉(zhuǎn)換器等3個(gè)硬件中斷源來(lái)實(shí)現(xiàn)具體的功能，這3個(gè)中斷源的中斷服務(wù)程序流程如圖10所示。此外，設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了一款簡(jiǎn)單的Android手機(jī)應(yīng)用APP，如果用戶需要向移動(dòng)手機(jī)端發(fā)送檢測(cè)數(shù)據(jù)和結(jié)果，只需要選擇發(fā)送按鍵連通藍(lán)牙設(shè)備即可。

4 結(jié) 語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一套人體皮膚油脂檢測(cè)裝置，一是通過(guò)硬件選型的普通化、小型化和超低功耗化設(shè)計(jì)，使得本油脂檢測(cè)裝置體積小巧、成本實(shí)惠而且功耗較低，非常適合普通用戶便攜式使用。二是通過(guò)多次實(shí)驗(yàn)和理論分析，得出本裝置油脂探頭在采樣過(guò)程中輸出電壓的變化趨勢(shì)，建立了輸出電壓與人體皮膚表面油脂含量的經(jīng)驗(yàn)公式。三是開(kāi)發(fā)了一款簡(jiǎn)單的Android手機(jī)油脂檢測(cè)APP，方便用戶存儲(chǔ)和分享數(shù)據(jù)。實(shí)踐表明，本文設(shè)計(jì)的油脂檢測(cè)裝置的檢測(cè)結(jié)果能正確反映人體皮膚表面的油脂含量，可用于普通大眾的化妝品評(píng)價(jià)和皮膚類型判斷，具有很好的市場(chǎng)前景。

參考文獻(xiàn)

[1] 錢革，秦瑞婷，鄧丹琪.中國(guó)青年油性皮膚人群面部皮膚油脂分泌的晝夜和四季節(jié)律變化的研究[J].中國(guó)美容醫(yī)學(xué)雜志，2013，22（15）：1612?1614.

QIAN Ge， QIN Ruiting， DENG Danqi. Diurnal and seasonal rhythm of oil secretion of facial skin in Chinese young people with oily skin [J]. Chinese journal of aesthetic medicine， 2013， 22（15）： 1612?1614.

[2] 黃茂芳，沈秀玲，戴京萍，等.強(qiáng)脈沖光對(duì)31例重度痤瘡患者面部療效及皮膚油脂的影響[J].皮膚性病診療學(xué)雜志，2014，21（3）：234?236.

HUANG Maofang， SHEN Xiuling， DAI Jingping， et al. Effect of intense pulse light on the facial effect and skin fat of 31 patients with severe acne [J]. Diagnosis and therapy journal of dermato?venereology， 2014， 21（3）： 234?236.

[3] 陶宇，王艷東，李杰，等.輕中度痤瘡患者痤瘡部位與正常部位皮膚生理參數(shù)的差異[J].齊齊哈爾醫(yī)學(xué)院學(xué)報(bào)，2016，37（20）：2543?2545.

TAO Yu， WANG Yandong， LI Jie， et al. Differences of skin physiological parameters between acne and normal areas in patients with mild and moderate acne [J]. Journal of Qiqihar University of Medicine， 2016， 37（20）： 2543?2545.

[4] 吳琰瑜，王學(xué)民，程英，等.輕中度痤瘡患者皮膚生理參數(shù)特征[J].中華皮膚科雜志，2011，44（6）：427?429.

WU Yanyu， WANG Xuemin， CHENG Ying， et al. Characteristics of skin physiological parameters in patients with mild and moderate acne [J]. Chinese journal of dermatology， 2011， 44（6）： 427?429.

[5] 曾勇.多指標(biāo)人體皮膚測(cè)量系統(tǒng)的研究[D].武漢：武漢理工大學(xué)，2005.

ZENG Yong. Study on multi?index human skin measurement system [M]. Wuhan： Wuhan University of Technology， 2005.

[6] 盧啟鵬，袁境澤，丁海泉，等.基于近紅外光譜技術(shù)的皮膚油脂含量檢測(cè)方法：CN104757938A[P].2015?09?16.

LU Qipeng， YUAN Jingze， DING Haiquan， et al. Detection method of skin oil content based on near infrared spectroscopy： CN104757938A [P]. 2015?09?16.

[7] 陳麗云.健康人群面頸部皮膚生理學(xué)與VISIA成像學(xué)特征分析[D].合肥：安徽醫(yī)科大學(xué)，2017.

CHEN Liyun. Physiological and VISIA imaging characteristics of skin and neck skin in healthy people [D]. Hefei： Anhui Medical University， 2017.

[8] 盧宏煜，王小藝，張慧妍，等.人體面部皮膚檢測(cè)分析系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].傳感器與微系統(tǒng)，2017，36（2）：91?93.

LU Hongyu， WANG Xiaoyi， ZHANG Huiyan， et al. Design of human facial skin detection and analysis system [J]. Transducer and microsystem technologies， 2017， 36（2）： 91?93.

[9] 管敏杰，趙冬娥.基于PIN型光電轉(zhuǎn)換電路的噪聲研究[J].電子測(cè)試，2012（2）：35?38.

GUAN Minjie， ZHAO Donge. Research on noise based on PIN type photoelectric conversion circuit [J]. Electronic test， 2012（2）： 35?38.

[10] 閆金春，樓書(shū)氫，陳鵬良.有源濾波器（APF）及其應(yīng)用研究綜述[J].中國(guó)電力教育，2009（z2）：390?392.

YAN Jinchun， LOU Shuqing， CHEN Pengliang. Overview of active power filter （APF） and its application research [J]. China electric power education， 2009（S2）： 390?392.

[11] 魏有法.基于Android的LED燈光控制器的研究與設(shè)計(jì)[D].泉州：華僑大學(xué)，2015.

WEI Youfa. Research and design of LED light controller based on Android [D]. Quanzhou： Huaqiao University， 2015.endprint