福州英華職業(yè)學(xué)院 陳惜枝

人的情緒每時(shí)每刻都在變化，當(dāng)人體情緒波動(dòng)時(shí)，其皮膚的溫度與電阻會(huì)發(fā)生相應(yīng)的變化。運(yùn)用傳感器將變化情況接收并進(jìn)行相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理，可得知人體的情緒變化情況。因此，研制一種人體皮膚溫度的測量裝置，以滿足情緒分析的測量需求，具有重要意義。

本論文在基于DSP的皮膚測量系統(tǒng)研究的基礎(chǔ)上，詳細(xì)闡述了基于單片機(jī)的人體皮膚溫度的測量裝置的設(shè)計(jì)原理，進(jìn)行了計(jì)算機(jī)仿真，并最終在硬件上實(shí)現(xiàn)這些功能。論文介紹了皮膚溫度測量裝置的溫度采集模塊、AD轉(zhuǎn)換模塊以及數(shù)碼管顯示模塊的器件選型及主要硬件電路。在系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)中，論文就A/D轉(zhuǎn)換芯片的初始化，溫度處理程序，電阻處理程序，以及數(shù)碼管顯示4部分分別作了介紹。論文最后對(duì)系統(tǒng)調(diào)試，校準(zhǔn)過程中遇到的問題進(jìn)行了分析。

本溫度與電阻測量裝置能實(shí)現(xiàn)0～99℃的溫度檢測，現(xiàn)市面上的溫度檢測裝置對(duì)于溫度測量誤差允許范圍為0.5℃以內(nèi)，經(jīng)過校驗(yàn)及調(diào)試，本裝置實(shí)現(xiàn)溫度控制在誤差允許范圍內(nèi)，實(shí)現(xiàn)了預(yù)定的功能，達(dá)到了技術(shù)指標(biāo)要求，雖然市場上已有各式各樣的檢測儀器如測謊儀等，但本裝置基于單片機(jī)實(shí)現(xiàn)了成本低、體積小、響應(yīng)速度快等特點(diǎn)?？蓱?yīng)用在人體皮膚溫度與電阻的監(jiān)測上。

1 硬件設(shè)計(jì)

基于單片機(jī)的人體皮膚測量系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)組成有：溫度的采集部分、單片機(jī)控制部分、以及數(shù)碼管顯示部分。

1.1 溫度的采集部分

整個(gè)采集部分可以分為三個(gè)模塊：傳感器AD590，運(yùn)算放大器LM324，電源。LM324輸出端的電壓接A/D。

(1)傳感器AD590。AD590是集成二極管溫度傳感器，線性電流輸出與溫度的關(guān)系為1uA/K，也就是說皮膚表面溫度變化為1K，AD590的輸出電流就增加1uA，當(dāng)溫度為0℃時(shí)，AD590輸出電流為273.2uA，溫度為50℃時(shí)，輸出電流為323.2uA。溫度每升高1℃，輸出電流增加1uA，所以也可以認(rèn)為溫度系數(shù)為1uA/℃。

AD590還有其他的優(yōu)點(diǎn)：可測量溫度范圍適用，-55℃到150℃，寬輸出電壓，+4伏到+30伏，高線性，滿量程的誤差為0.3℃，+12伏的電壓輸入，電流輸出，而且價(jià)格便宜。

(2)運(yùn)算放大器LM324。由于溫度傳感器AD590的輸出是電流，故加個(gè)下拉電阻將電流轉(zhuǎn)化為電壓，同時(shí)將電壓信號(hào)放大，本采集部分是放大10倍，所以需要用到三個(gè)運(yùn)算放大器，故選用了LM324這個(gè)四集成運(yùn)算放大器。這樣采集到的溫度轉(zhuǎn)成的電壓信號(hào)就能被AD轉(zhuǎn)換器識(shí)別到。

AD590功能說明：AD590在12V電壓的驅(qū)動(dòng)下攝氏零度輸出為273.2uA，攝氏溫度每升高1℃，輸出電流增加1uA。所以在AD590電流輸出端接下拉電阻10kΩ，同時(shí)還需要將273K這個(gè)常數(shù)減去。溫度信號(hào)是一個(gè)比較穩(wěn)定的信號(hào)，在信號(hào)放大前通過一階濾波器濾除信號(hào)的雜波，再放大10倍，得到2～4V之間的電壓信號(hào)，最后送到AD處理芯片進(jìn)行信號(hào)采集。

(3)電源。LM324單電源工作范圍為3～32V，AD590的工作電壓要求是+12V，故整個(gè)采集部分需要的電壓為+12V，這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)電壓由系統(tǒng)的電源模塊提供。

1.2 電路的設(shè)計(jì)

電路的設(shè)計(jì)上采用A/D轉(zhuǎn)換芯片ADC0832。它的芯片溫寬為0℃～+70℃，滿足了人體體溫的測量范圍。我們僅使用了一個(gè)輸入端CH0，所以置通道控制寄存器B的值為#02H。

兩個(gè)數(shù)據(jù)采集模塊共用一個(gè)AD。由一個(gè)雙刀雙擲開關(guān)來實(shí)現(xiàn)這一功能。引腳說明：一腳連接測溫?cái)?shù)據(jù)接口，二腳連接AD，三腳連接電阻測量數(shù)據(jù)接口，四腳連接INT0口，五腳連接地，六腳連接INT1口。當(dāng)開關(guān)打向左側(cè)的時(shí)候，12相連，56相連，也就是INT0接地時(shí)系統(tǒng)測量人體的溫度；當(dāng)開關(guān)打向右側(cè)的時(shí)候，23相連，45相連，也就是INT1接地時(shí)系統(tǒng)測量人體的電阻。

1.3 數(shù)碼管顯示

采用LED數(shù)碼管共計(jì)8段。段碼正好是一個(gè)字節(jié)。

4位8段共陽數(shù)碼管管腳說明：1-E 2-D 3-DP 4-C 5-G 6-COM1 7-B 8-COM2 9-COM3 10-F 11-A 12-COM4

數(shù)碼管驅(qū)動(dòng)方式：PNP三極管為開關(guān)，P2.0、P2.1、P2.2的輸出為低電平時(shí)，三極管導(dǎo)通，LED數(shù)碼管點(diǎn)亮，在基極和P2口之間加上10K的限流電阻。

1.4 單片機(jī)

系統(tǒng)中采用由ATMEL公司推出的AT89C51單片機(jī)。該款單片機(jī)有40個(gè)引腳，I/O口較多，功能強(qiáng)大。本次設(shè)計(jì)用到了INT0和INT1兩個(gè)中斷，INT1接地時(shí)置標(biāo)志位F0=0，測量皮膚溫度。P1口輸出段碼，高低位與數(shù)碼管相對(duì)應(yīng)相連。P3口控制ADC0832芯片，P2口控制數(shù)碼管的位選線。

1.5 系統(tǒng)的原理圖

系統(tǒng)的原理圖如下：

如圖1所示：原理圖左上角為測溫模塊，輸出端接雙刀雙擲開關(guān)的1號(hào)管腳。開關(guān)導(dǎo)通時(shí)接入添加了濾波電容的A/D的輸入端，經(jīng)單片機(jī)處理后送數(shù)碼管顯示。

圖1 系統(tǒng)原理圖Fig.1 System schematic diagram

1.6 系統(tǒng)PCB設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的PCB板圖，如圖2所示：

圖2 系統(tǒng)的PCB板圖Fig.2 PCB board diagram of the system

1.7 小結(jié)

在本節(jié)中介紹了人體溫度檢測系統(tǒng)的硬件框圖及電路原理圖，詳細(xì)闡述了硬件電路的各個(gè)模塊和各個(gè)單元電路的具體實(shí)現(xiàn)方法。最后通過DXP軟件畫出系統(tǒng)PCB圖。經(jīng)過上述設(shè)計(jì)，保證人體溫度與電阻檢測系統(tǒng)的預(yù)定測量功能和精確度的實(shí)現(xiàn)，且使系統(tǒng)具有低功耗、低成本、易操作等優(yōu)點(diǎn)。

2 軟件設(shè)計(jì)

基于單片機(jī)人體皮膚測量系統(tǒng)的軟件部分包括ADC0832芯片控制程序、溫度檢測模塊程序以及4位8段共陽數(shù)碼管顯示程序這四個(gè)部分。本文主要闡述硬件設(shè)計(jì)，軟件程序設(shè)計(jì)不一一贅述。

3 軟件的調(diào)試

在Protues平臺(tái)進(jìn)行軟件調(diào)試，軟件調(diào)試使用的是模塊化方法。在軟件調(diào)試過程中，采用單步執(zhí)行命令行的方法，比對(duì)各個(gè)寄存器中的數(shù)與理論值，發(fā)現(xiàn)不同即可尋找原因。并且在一些程序跳轉(zhuǎn)點(diǎn)設(shè)置中斷點(diǎn)，最終完成程序的調(diào)試工作。

系統(tǒng)的硬件電路板制作完成之后，利用已調(diào)試完成的程序進(jìn)行仿真運(yùn)行，調(diào)試結(jié)果良好，可以有效地完成相關(guān)的功能。

3.1 測試的結(jié)果和分析

系統(tǒng)的軟件分別調(diào)試完成之后，需要對(duì)系統(tǒng)的準(zhǔn)確度與精度進(jìn)行校準(zhǔn)和分析。

(1)測溫模塊。本系統(tǒng)對(duì)電路中的溫度精度要求較高，為了能夠較為準(zhǔn)確的對(duì)人體溫度進(jìn)行評(píng)價(jià)，我們使用了恒溫箱以及對(duì)測溫模塊進(jìn)行溫度標(biāo)定?？刂坪銣叵洌瓜渥觾?nèi)部溫度由15～44℃之間變化，記錄下測溫模塊所顯示的誤差值在2.0～2.4℃之間。

溫度偏移量計(jì)算：

由此，在測溫程序中加上2.2℃的溫度偏移量。

(2)系統(tǒng)使用情況。在完成以上工作后，需要使用測溫模塊進(jìn)行相關(guān)實(shí)驗(yàn)，在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)AD590對(duì)溫度變化的相應(yīng)速度快，經(jīng)校準(zhǔn)后測量誤差在0.5℃范圍內(nèi)，考慮到使用的AD590JH的測溫誤差為1.5℃，結(jié)果已經(jīng)令人滿意。產(chǎn)生誤差的原因有很多，其中重要的幾點(diǎn)有：實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)較為粗糙；校準(zhǔn)的溫度儀對(duì)溫度的相應(yīng)速度比較慢；系統(tǒng)受到的環(huán)境溫度干擾較大等。

3.2 小結(jié)

本節(jié)描述了人體皮膚溫度測量裝置軟件的調(diào)試過程，對(duì)出現(xiàn)的問題提出了解決的方法。將調(diào)試好的電路進(jìn)行了實(shí)際的測試和結(jié)果分析，通過校準(zhǔn)使其達(dá)到了預(yù)期的效果。

4 結(jié)論

論文介紹了人體皮膚溫度檢測裝置的設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)皮膚溫度與電阻信號(hào)數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)處理以及數(shù)據(jù)顯示的功能。系統(tǒng)可靠性高，與傳統(tǒng)的溫度檢測儀器相比，本系統(tǒng)具有成本低、體積小、響應(yīng)速度快等特點(diǎn)。系統(tǒng)具有實(shí)用價(jià)值，可應(yīng)用在人體皮膚溫度與電阻的監(jiān)測。具體成果如下：

(1)所提出的基于單片機(jī)的皮膚溫度與電阻檢測系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案和總體框架是合理可行的；溫度檢測模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)處理模塊以及數(shù)碼管顯示模塊均能正常工作。

(2)分析了人體皮膚溫度測量裝置的工作原理和程序編寫流程，實(shí)現(xiàn)了基于單片機(jī)對(duì)人體皮膚溫度及電阻的實(shí)時(shí)檢測和顯示。

(3)測量裝置經(jīng)過調(diào)試和校準(zhǔn)，可以測量0～99℃的溫度范圍，誤差控制在0.5℃以內(nèi)，測量結(jié)果滿足誤差允許范圍之內(nèi)。

通過最終實(shí)驗(yàn)，得出結(jié)論，緊張的情緒使得人體皮膚表面的溫度升高，可以此來判斷人體的情緒變化情況。