一种便携式人体皮肤表面油脂检测装置的研究与设计

何永玲+易法令+余悦泳+蔡灿凯

摘 要： 针对现有皮肤油脂检测装置设备昂贵、测量速度慢和普遍推广难度大等问题，利用光电检测技术和超低功耗MSP430F5系列单片机设计一种便携式人体皮肤表面油脂检测装置。该装置由油脂采集探头和分析主机两部分组成，油脂采集探头选用双面细磨砂玻璃吸附人体皮肤表面油脂，利用红外光电检测技术进行油脂含量的电信号转换，最后分析主机根据经过实验验证的经验公式计算出所测皮肤表面的油脂含量，还可将测试结果无线传输给移动手机以供数据存储和分享，开发了对应功能的手机APP。实验结果表明，该装置的检测结果能正确反映人体皮肤表面的油脂含量，且测试速度快，移动便携，可用于化妆品功效评价和皮肤类型判断方面的大众推广，具有良好的市场前景。

关键词： 皮肤表面； 油脂检测装置； 光电检测； MSP430F5系列； 无线传输； APP

中图分类号： TN98?34； TP216 文献标识码： A 文章编号： 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肤表面形成一层呈弱酸性的油脂膜，具有滋润皮肤和毛发、防止皮肤水分蒸发和皮肤过敏、抑制和杀灭皮肤表面细菌等功效。皮肤表面的油脂含量是判定皮肤类型的重要参考指标[1]，其变化反映了人体的代谢情况。与此同时，皮肤油脂分泌异常或分泌成分改变会导致某些皮肤病（如痤疮等）的发生。因此，对皮肤油脂含量进行检测具有重要意义[2?4]。

现阶段皮肤油脂测量方法中，国际上认可的测量方式是应用皮肤油脂测试仪器（SEBUMETER）进行测量[5]。类似的油脂测试仪器主要用于专业检测机构，存在测量速度慢、测试设备昂贵、测试配件难找和普遍推广难度大等问题。针对上述情况，本文利用光电检测技术和具有吸附人体表面油脂能力的普通磨砂玻璃研制了一种便携、快速、准确的可用于普通大众的低成本皮肤油脂检测装置。

1 系统设计

本油脂检测装置包括油脂采集探头和分析主机两部分。油脂采集探头将人体皮肤表面的油脂含量转换成对应的电信号参数，分析主机对油脂探头采集的数据进行后续处理，得出具体的油脂含量和皮肤类型等结果并显示。如果有需要，还能将检测结果和皮肤类型等数据通过蓝牙发送给手机存储、分享或其他操作，装置整体设计框图如图1所示。

1.1 油脂采集探头设计

现如今，皮肤油脂测量主要采用光电检测技术、近红外光谱技术和图像处理技术，但是近红外光谱技术和图像处理技术需要应用到的硬件成本较高，而光电检测技术硬件成本较低[6?8]。光电检测技术主要有激光、红外、光纤等，出于成本和适用性考虑，本装置采用红外光信号。油脂采集材料选择吸附能力较强的双面细磨砂玻璃，通过其与人体皮肤的充分接触吸附皮肤表面油脂。油脂采集探头的设计框图如图2所示。因为不同量的吸附油脂会导致磨砂硅玻璃的透光性不同，从而导致对红外光的反射量存在差异。利用红外发射对管的发射器产生红外光，利用红外光对管的接收器接收反射光，同时进行光电转换，产生对应皮肤表面油脂含量的电信号。由于接收管接收到的信号比较弱，会被环境中的红外噪声干扰，需要对弱信号进行预处理、滤除噪声。通过带通滤波电路之后的信号为纯正的正弦信号，而需要的只是不同信号之间的电压差异，因此，通过峰值检测电路获得被测皮肤油脂含量对应的电压值，为分析主机提供原始数据。endprint

1.2 分析主机设计

分析主机需要对油脂采集探头的电压信号进行A/D转换以及建模，计算具体的油脂含量，还可能需要进行与手机之间的数据无线发送和接收，同时需要考虑到油脂检测装置的功耗、便携性以及功能扩展性，所以选择带有多通道输入的A/D接口、I2C接口、SPI和UART等接口的超低功耗MSP430F5系列单片机，具体的设计框图如图3所示。

2 系统硬件实现

2.1 红外发射和接收电路

油脂采集探头利用红外光电检测技术进行油脂含量的电信号转换，需要设计红外发射和接收电路。

2.1.1 红外发射电路

红外发射电路如图4a）所示，红外发射管的一般发射功率不能过大，但要尽可能大，还要稳定发射管的发射功率。本文利用分压式偏置电路设计红外发射电路。

发射管功率：

由式（1）～式（3）可知，通过调整电阻的比例来控制三极管Q1的基极电压，从而可以控制集电极的电流，因此可以控制处于集电极的红外发射管的发射功率，且稳定静态工作点。由于三极管是一种对温度十分敏感的元件，利用二极管D1的管压降温度特性可以构成温度补偿电路，稳定三极管基极电流。

2.1.2 红外光电转换接收电路

如图4b），该红外接收电路为负载电阻上端的输出电压电路，接在光敏三极管Q2的发射极，光敏三极管的基极开路没有负反馈作用，其发射极电流与集电极电路相同。由于三极管的正常电流放大作用，放大的输出电流以发射极电流的形式出现，并在负载电阻的上端输出光电转换后对应的电压信号由于接收到的电流比较弱，可以通过调节的大小将电压放大。

2.2 带通滤波电路

光电转换后的电信号，不但含有红外光的信号，还含有自然光、白噪声、器件本身的噪声干扰，其中以自然光干扰为主[9]。为了从光电转换信号里提取有用的电信号，滤除自然光的干扰，本设计加入一个带通滤波电路，以除去有用信号频带以外的噪声。本设计采用有源滤波器，它是一种含有半导体三极管、集成运放等有源器件的滤波器，相对于无源滤波器的特点是体积小、重量轻、价格低、结构牢固、可以集成[10]。由于运算放大器具有输入阻抗高、输出阻抗低、高的开环增益和良好的稳定性，且构成简单，性能优良，本设计中放大器选用LM358。

滤波电路带宽的确定是设计的重点，为使滤波效果达到最好，带宽应越小越好，然而受器件本身因素的限制，带宽不可能无限小，经过多次计算和实验，设计出了带宽较小且能满足系统需要的带通滤波器，如图5所示。

图5的带通滤波器由1个二阶的低通滤波器和1个二阶的高通滤波器组成，其中低通滤波器的传递函数为：

高通滤波器的传递函数为：

其中：

当kΩ，μF时，可解出低通截止频率Hz；当kΩ，μF时，可解出高通截止频率Hz。

2.3 峰值检测电路

峰值检测电路的作用是对输入信号的峰值进行提取，产生输出电压为了实现这样的目标，电路输出值会一直保持，直到一个新的更大的峰值出现或电路复位。该电路采用一种比较常用的无二极管型的峰值檢测电路，其原理图和仿真图如图6所示。

2.4 负电压产生电路

带通滤波器和峰值检测电路需要负电压源。常见的实现负电压方案有LDC、电荷泵、DC?DC、电源模块等。电荷泵转换器不使用电感，其辐射EMI可以忽略，输入端噪声可用一只小型电容器滤除，占用空间最小，使用成本较低，适用于便携式应用产品的设计。 CAT660是电荷泵的一种应用，可以把1.5～5.5 V的电压转换为-1.5～-5.5 V。电路如图7所示，电路仅需要两个电容就可以将输入电压反相，电容的取值范围为1～100 μF。

2.5 蓝牙模块电路

分析主机通过蓝牙和手机进行数据通信，完成油脂信息和皮肤类型等数据到手机端的传输。本文选用BT?HC05蓝牙模块，可用于各种带蓝牙功能的电脑、蓝牙主机、手机、PDA、PSP等智能终端配对，宽波特率范围为4 800～1 382 400 Bd，并且模块兼容单片机系统[11]。本系统的串口模块用到的引脚如表1所示。

2.6 结果显示模块

本设计采用COG点阵屏显示所测油脂含量、测试时间以及蓝牙连接成功与否等提示信息，COG点阵屏内部主控芯片为 ST7567，采用类似SPI协议的串行接口控制，分辨率为128×64，本身不带字库。具体引脚控制连接如表2所示。

3 系统软件设计

为完成系统所设定的功能，系统软件分为油脂采样过程和油脂检测计算过程。油脂采样过程由按键触发，通过对油脂探头的输出电压分析，判断采样过程是否结束。油脂检测计算过程在采样结束时开始，并由定时器设定一个稳定时间，通过分析稳定后的油脂探头输出电压计算最终所测油脂含量。系统工作流程如图8所示，首先进行功能模块的初始化，之后进入低功耗模式，按键中断触发油脂采样过程，使能A/D转换器。油脂采样过程中油脂检测探头的输出电压有如图9所示的变化趋势，通过A/D转换值判断采样是否结束。当采样过程结束后，关闭A/D转换器，然后进入油脂检测计算过程。为保证检测数据的正确性，油脂检测计算过程设计了3 s的稳定时间，通过定时器实现，定时完成后使能A/D转换器，由A/D转换器获取采样后的检测电压（油脂含量所对应的电压值），然后根据模型分析计算具体的油脂含量并显示。为保证数据的准确性，所有A/D采样和转换都使用多次平均值的算法。

如图9所示，在油脂探头接触皮肤之前，探头输出电压有一个固定的值，称之为基压，当油脂探头接触皮肤开始采样时，探头输出电压比基压低0.2 V以上，当油脂探头离开皮肤结束采样时，探头输出电压比基压高。采样之后油脂探头的硅玻璃透光度下降，从而导致电压值有变化。在此过程中，油脂量跟电压值成线性关系，油脂越多，透光度越低，红外接收器接收的反射光越多，A/D转换器得到的电压值越大。因此，可以通过电压值相对于基压变化量的大小来体现某一时刻油脂的Pertage值，如式（6）所示：endprint

式中：MV是检测电压值；SV是基压；表示规定油脂含量的最大值；Max Range是探头可测量的范围。

系统利用单片机定时器、按键和A/D转换器等3个硬件中断源来实现具体的功能，这3个中断源的中断服务程序流程如图10所示。此外，设计开发了一款简单的Android手机应用APP，如果用户需要向移动手机端发送检测数据和结果，只需要选择发送按键连通蓝牙设备即可。

4 结 语

本文设计并实现了一套人体皮肤油脂检测装置，一是通过硬件选型的普通化、小型化和超低功耗化设计，使得本油脂检测装置体积小巧、成本实惠而且功耗较低，非常适合普通用户便携式使用。二是通过多次实验和理论分析，得出本装置油脂探头在采样过程中输出电压的变化趋势，建立了输出电压与人体皮肤表面油脂含量的经验公式。三是开发了一款简单的Android手机油脂检测APP，方便用户存储和分享数据。实践表明，本文设计的油脂检测装置的检测结果能正确反映人体皮肤表面的油脂含量，可用于普通大众的化妆品评价和皮肤类型判断，具有很好的市场前景。

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