人体皮肤温度检测装置的设计*

2022-03-21福州英华职业学院陈惜枝

数字技术与应用 2022年2期

福州英华职业学院陈惜枝

人的情绪每时每刻都在变化，当人体情绪波动时，其皮肤的温度与电阻会发生相应的变化。运用传感器将变化情况接收并进行相应的数据处理，可得知人体的情绪变化情况。因此，研制一种人体皮肤温度的测量装置，以满足情绪分析的测量需求，具有重要意义。

本论文在基于DSP的皮肤测量系统研究的基础上，详细阐述了基于单片机的人体皮肤温度的测量装置的设计原理，进行了计算机仿真，并最终在硬件上实现这些功能。论文介绍了皮肤温度测量装置的温度采集模块、AD转换模块以及数码管显示模块的器件选型及主要硬件电路。在系统软件设计中，论文就A/D转换芯片的初始化，温度处理程序，电阻处理程序，以及数码管显示4部分分别作了介绍。论文最后对系统调试，校准过程中遇到的问题进行了分析。

本温度与电阻测量装置能实现0～99℃的温度检测，现市面上的温度检测装置对于温度测量误差允许范围为0.5℃以内，经过校验及调试，本装置实现温度控制在误差允许范围内，实现了预定的功能，达到了技术指标要求，虽然市场上已有各式各样的检测仪器如测谎仪等，但本装置基于单片机实现了成本低、体积小、响应速度快等特点。可应用在人体皮肤温度与电阻的监测上。

1 硬件设计

基于单片机的人体皮肤测量系统的硬件设计组成有：温度的采集部分、单片机控制部分、以及数码管显示部分。

1.1 温度的采集部分

整个采集部分可以分为三个模块：传感器AD590，运算放大器LM324，电源。LM324输出端的电压接A/D。

(1)传感器AD590。AD590是集成二极管温度传感器，线性电流输出与温度的关系为1uA/K，也就是说皮肤表面温度变化为1K，AD590的输出电流就增加1uA，当温度为0℃时，AD590输出电流为273.2uA，温度为50℃时，输出电流为323.2uA。温度每升高1℃，输出电流增加1uA，所以也可以认为温度系数为1uA/℃。

AD590还有其他的优点：可测量温度范围适用，-55℃到150℃，宽输出电压，+4伏到+30伏，高线性，满量程的误差为0.3℃，+12伏的电压输入，电流输出，而且价格便宜。

(2)运算放大器LM324。由于温度传感器AD590的输出是电流，故加个下拉电阻将电流转化为电压，同时将电压信号放大，本采集部分是放大10倍，所以需要用到三个运算放大器，故选用了LM324这个四集成运算放大器。这样采集到的温度转成的电压信号就能被AD转换器识别到。

AD590功能说明：AD590在12V电压的驱动下摄氏零度输出为273.2uA，摄氏温度每升高1℃，输出电流增加1uA。所以在AD590电流输出端接下拉电阻10kΩ，同时还需要将273K这个常数减去。温度信号是一个比较稳定的信号，在信号放大前通过一阶滤波器滤除信号的杂波，再放大10倍，得到2～4V之间的电压信号，最后送到AD处理芯片进行信号采集。

(3)电源。LM324单电源工作范围为3～32V，AD590的工作电压要求是+12V，故整个采集部分需要的电压为+12V，这个标准电压由系统的电源模块提供。

1.2 电路的设计

电路的设计上采用A/D转换芯片ADC0832。它的芯片温宽为0℃～+70℃，满足了人体体温的测量范围。我们仅使用了一个输入端CH0，所以置通道控制寄存器B的值为#02H。

两个数据采集模块共用一个AD。由一个双刀双掷开关来实现这一功能。引脚说明：一脚连接测温数据接口，二脚连接AD，三脚连接电阻测量数据接口，四脚连接INT0口，五脚连接地，六脚连接INT1口。当开关打向左侧的时候，12相连，56相连，也就是INT0接地时系统测量人体的温度；当开关打向右侧的时候，23相连，45相连，也就是INT1接地时系统测量人体的电阻。

1.3 数码管显示

采用LED数码管共计8段。段码正好是一个字节。

4位8段共阳数码管管脚说明：1-E 2-D 3-DP 4-C 5-G 6-COM1 7-B 8-COM2 9-COM3 10-F 11-A 12-COM4

数码管驱动方式：PNP三极管为开关，P2.0、P2.1、P2.2的输出为低电平时，三极管导通，LED数码管点亮，在基极和P2口之间加上10K的限流电阻。

1.4 单片机

系统中采用由ATMEL公司推出的AT89C51单片机。该款单片机有40个引脚，I/O口较多，功能强大。本次设计用到了INT0和INT1两个中断，INT1接地时置标志位F0=0，测量皮肤温度。P1口输出段码，高低位与数码管相对应相连。P3口控制ADC0832芯片，P2口控制数码管的位选线。

1.5 系统的原理图

系统的原理图如下：

如图1所示：原理图左上角为测温模块，输出端接双刀双掷开关的1号管脚。开关导通时接入添加了滤波电容的A/D的输入端，经单片机处理后送数码管显示。

图1 系统原理图Fig.1 System schematic diagram

1.6 系统PCB设计

系统的PCB板图，如图2所示：

图2 系统的PCB板图Fig.2 PCB board diagram of the system

1.7 小结

在本节中介绍了人体温度检测系统的硬件框图及电路原理图，详细阐述了硬件电路的各个模块和各个单元电路的具体实现方法。最后通过DXP软件画出系统PCB图。经过上述设计，保证人体温度与电阻检测系统的预定测量功能和精确度的实现，且使系统具有低功耗、低成本、易操作等优点。

2 软件设计

基于单片机人体皮肤测量系统的软件部分包括ADC0832芯片控制程序、温度检测模块程序以及4位8段共阳数码管显示程序这四个部分。本文主要阐述硬件设计，软件程序设计不一一赘述。

3 软件的调试

在Protues平台进行软件调试，软件调试使用的是模块化方法。在软件调试过程中，采用单步执行命令行的方法，比对各个寄存器中的数与理论值，发现不同即可寻找原因。并且在一些程序跳转点设置中断点，最终完成程序的调试工作。

系统的硬件电路板制作完成之后，利用已调试完成的程序进行仿真运行，调试结果良好，可以有效地完成相关的功能。

3.1 测试的结果和分析

系统的软件分别调试完成之后，需要对系统的准确度与精度进行校准和分析。

(1)测温模块。本系统对电路中的温度精度要求较高，为了能够较为准确的对人体温度进行评价，我们使用了恒温箱以及对测温模块进行温度标定。控制恒温箱，使箱子内部温度由15～44℃之间变化，记录下测温模块所显示的误差值在2.0～2.4℃之间。

温度偏移量计算：

由此，在测温程序中加上2.2℃的温度偏移量。

(2)系统使用情况。在完成以上工作后，需要使用测温模块进行相关实验，在实验中发现AD590对温度变化的相应速度快，经校准后测量误差在0.5℃范围内，考虑到使用的AD590JH的测温误差为1.5℃，结果已经令人满意。产生误差的原因有很多，其中重要的几点有：实验系统较为粗糙；校准的温度仪对温度的相应速度比较慢；系统受到的环境温度干扰较大等。