人體皮膚溫度檢測裝置的設計*

福州英華職業學院 陳惜枝

人的情緒每時每刻都在變化，當人體情緒波動時，其皮膚的溫度與電阻會發生相應的變化。運用傳感器將變化情況接收并進行相應的數據處理，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的皮膚測量系統研究的基礎上，詳細闡述了基于單片機的人體皮膚溫度的測量裝置的設計原理，進行了計算機仿真，并最終在硬件上實現這些功能。論文介紹了皮膚溫度測量裝置的溫度采集模塊、AD轉換模塊以及數碼管顯示模塊的器件選型及主要硬件電路。在系統軟件設計中，論文就A/D轉換芯片的初始化，溫度處理程序，電阻處理程序，以及數碼管顯示4部分分別作了介紹。論文最后對系統調試，校準過程中遇到的問題進行了分析。

本溫度與電阻測量裝置能實現0～99℃的溫度檢測，現市面上的溫度檢測裝置對于溫度測量誤差允許范圍為0.5℃以內，經過校驗及調試，本裝置實現溫度控制在誤差允許范圍內，實現了預定的功能，達到了技術指標要求，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實現了成本低、體積小、響應速度快等特點。可應用在人體皮膚溫度與電阻的監測上。

1 硬件設計

基于單片機的人體皮膚測量系統的硬件設計組成有：溫度的采集部分、單片機控制部分、以及數碼管顯示部分。

1.1 溫度的采集部分

整個采集部分可以分為三個模塊：傳感器AD590，運算放大器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，當溫度為0℃時，AD590輸出電流為273.2uA，溫度為50℃時，輸出電流為323.2uA。溫度每升高1℃，輸出電流增加1uA，所以也可以認為溫度系數為1uA/℃。

AD590還有其他的優點：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，而且價格便宜。

(2)運算放大器LM324。由于溫度傳感器AD590的輸出是電流，故加個下拉電阻將電流轉化為電壓，同時將電壓信號放大，本采集部分是放大10倍，所以需要用到三個運算放大器，故選用了LM324這個四集成運算放大器。這樣采集到的溫度轉成的電壓信號就能被AD轉換器識別到。

AD590功能說明：AD590在12V電壓的驅動下攝氏零度輸出為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，同時還需要將273K這個常數減去。溫度信號是一個比較穩定的信號，在信號放大前通過一階濾波器濾除信號的雜波，再放大10倍，得到2～4V之間的電壓信號，最后送到AD處理芯片進行信號采集。

(3)電源。LM324單電源工作范圍為3～32V，AD590的工作電壓要求是+12V，故整個采集部分需要的電壓為+12V，這個標準電壓由系統的電源模塊提供。

1.2 電路的設計

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

兩個數據采集模塊共用一個AD。由一個雙刀雙擲開關來實現這一功能。引腳說明：一腳連接測溫數據接口，二腳連接AD，三腳連接電阻測量數據接口，四腳連接INT0口，五腳連接地，六腳連接INT1口。當開關打向左側的時候，12相連，56相連，也就是INT0接地時系統測量人體的溫度；當開關打向右側的時候，23相連，45相連，也就是INT1接地時系統測量人體的電阻。

1.3 數碼管顯示

采用LED數碼管共計8段。段碼正好是一個字節。

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

數碼管驅動方式：PNP三極管為開關，P2.0、P2.1、P2.2的輸出為低電平時，三極管導通，LED數碼管點亮，在基極和P2口之間加上10K的限流電阻。

1.4 單片機

系統中采用由ATMEL公司推出的AT89C51單片機。該款單片機有40個引腳，I/O口較多，功能強大。本次設計用到了INT0和INT1兩個中斷，INT1接地時置標志位F0=0，測量皮膚溫度。P1口輸出段碼，高低位與數碼管相對應相連。P3口控制ADC0832芯片，P2口控制數碼管的位選線。

1.5 系統的原理圖

系統的原理圖如下：

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的1號管腳。開關導通時接入添加了濾波電容的A/D的輸入端，經單片機處理后送數碼管顯示。

圖1 系統原理圖Fig.1 System schematic diagram

1.6 系統PCB設計

系統的PCB板圖，如圖2所示：

圖2 系統的PCB板圖Fig.2 PCB board diagram of the system

1.7 小結

在本節中介紹了人體溫度檢測系統的硬件框圖及電路原理圖，詳細闡述了硬件電路的各個模塊和各個單元電路的具體實現方法。最后通過DXP軟件畫出系統PCB圖。經過上述設計，保證人體溫度與電阻檢測系統的預定測量功能和精確度的實現，且使系統具有低功耗、低成本、易操作等優點。

2 軟件設計

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

3 軟件的調試

在Protues平臺進行軟件調試，軟件調試使用的是模塊化方法。在軟件調試過程中，采用單步執行命令行的方法，比對各個寄存器中的數與理論值，發現不同即可尋找原因。并且在一些程序跳轉點設置中斷點，最終完成程序的調試工作。

系統的硬件電路板制作完成之后，利用已調試完成的程序進行仿真運行，調試結果良好，可以有效地完成相關的功能。

3.1 測試的結果和分析

系統的軟件分別調試完成之后，需要對系統的準確度與精度進行校準和分析。

(1)測溫模塊。本系統對電路中的溫度精度要求較高，為了能夠較為準確的對人體溫度進行評價，我們使用了恒溫箱以及對測溫模塊進行溫度標定。控制恒溫箱，使箱子內部溫度由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。

溫度偏移量計算：

由此，在測溫程序中加上2.2℃的溫度偏移量。

(2)系統使用情況。在完成以上工作后，需要使用測溫模塊進行相關實驗，在實驗中發現AD590對溫度變化的相應速度快，經校準后測量誤差在0.5℃范圍內，考慮到使用的AD590JH的測溫誤差為1.5℃，結果已經令人滿意。產生誤差的原因有很多，其中重要的幾點有：實驗系統較為粗糙；校準的溫度儀對溫度的相應速度比較慢；系統受到的環境溫度干擾較大等。

3.2 小結

本節描述了人體皮膚溫度測量裝置軟件的調試過程，對出現的問題提出了解決的方法。將調試好的電路進行了實際的測試和結果分析，通過校準使其達到了預期的效果。

4 結論

論文介紹了人體皮膚溫度檢測裝置的設計，實現了對皮膚溫度與電阻信號數據采集和數據處理以及數據顯示的功能。系統可靠性高，與傳統的溫度檢測儀器相比，本系統具有成本低、體積小、響應速度快等特點。系統具有實用價值，可應用在人體皮膚溫度與電阻的監測。具體成果如下：

(1)所提出的基于單片機的皮膚溫度與電阻檢測系統設計方案和總體框架是合理可行的；溫度檢測模塊、數據采集模塊、數據處理模塊以及數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，實現了基于單片機對人體皮膚溫度及電阻的實時檢測和顯示。

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

通過最終實驗，得出結論，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。