一種便攜式人體皮膚表面油脂檢測裝置的研究與設(shè)計

何永玲+易法令+余悅泳+蔡燦凱

摘 要： 針對現(xiàn)有皮膚油脂檢測裝置設(shè)備昂貴、測量速度慢和普遍推廣難度大等問題，利用光電檢測技術(shù)和超低功耗MSP430F5系列單片機設(shè)計一種便攜式人體皮膚表面油脂檢測裝置。該裝置由油脂采集探頭和分析主機兩部分組成，油脂采集探頭選用雙面細磨砂玻璃吸附人體皮膚表面油脂，利用紅外光電檢測技術(shù)進行油脂含量的電信號轉(zhuǎn)換，最后分析主機根據(jù)經(jīng)過實驗驗證的經(jīng)驗公式計算出所測皮膚表面的油脂含量，還可將測試結(jié)果無線傳輸給移動手機以供數(shù)據(jù)存儲和分享，開發(fā)了對應(yīng)功能的手機APP。實驗結(jié)果表明，該裝置的檢測結(jié)果能正確反映人體皮膚表面的油脂含量，且測試速度快，移動便攜，可用于化妝品功效評價和皮膚類型判斷方面的大眾推廣，具有良好的市場前景。

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

中圖分類號： TN98?34； TP216 文獻標識碼： A 文章編號： 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，具有滋潤皮膚和毛發(fā)、防止皮膚水分蒸發(fā)和皮膚過敏、抑制和殺滅皮膚表面細菌等功效。皮膚表面的油脂含量是判定皮膚類型的重要參考指標[1]，其變化反映了人體的代謝情況。與此同時，皮膚油脂分泌異?；蚍置诔煞指淖儠?dǎo)致某些皮膚病（如痤瘡等）的發(fā)生。因此，對皮膚油脂含量進行檢測具有重要意義[2?4]。

現(xiàn)階段皮膚油脂測量方法中，國際上認可的測量方式是應(yīng)用皮膚油脂測試儀器（SEBUMETER）進行測量[5]。類似的油脂測試儀器主要用于專業(yè)檢測機構(gòu)，存在測量速度慢、測試設(shè)備昂貴、測試配件難找和普遍推廣難度大等問題。針對上述情況，本文利用光電檢測技術(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、準確的可用于普通大眾的低成本皮膚油脂檢測裝置。

1 系統(tǒng)設(shè)計

本油脂檢測裝置包括油脂采集探頭和分析主機兩部分。油脂采集探頭將人體皮膚表面的油脂含量轉(zhuǎn)換成對應(yīng)的電信號參數(shù)，分析主機對油脂探頭采集的數(shù)據(jù)進行后續(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，還能將檢測結(jié)果和皮膚類型等數(shù)據(jù)通過藍牙發(fā)送給手機存儲、分享或其他操作，裝置整體設(shè)計框圖如圖1所示。

1.1 油脂采集探頭設(shè)計

現(xiàn)如今，皮膚油脂測量主要采用光電檢測技術(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，而光電檢測技術(shù)硬件成本較低[6?8]。光電檢測技術(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。油脂采集材料選擇吸附能力較強的雙面細磨砂玻璃，通過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)計框圖如圖2所示。因為不同量的吸附油脂會導(dǎo)致磨砂硅玻璃的透光性不同，從而導(dǎo)致對紅外光的反射量存在差異。利用紅外發(fā)射對管的發(fā)射器產(chǎn)生紅外光，利用紅外光對管的接收器接收反射光，同時進行光電轉(zhuǎn)換，產(chǎn)生對應(yīng)皮膚表面油脂含量的電信號。由于接收管接收到的信號比較弱，會被環(huán)境中的紅外噪聲干擾，需要對弱信號進行預(yù)處理、濾除噪聲。通過帶通濾波電路之后的信號為純正的正弦信號，而需要的只是不同信號之間的電壓差異，因此，通過峰值檢測電路獲得被測皮膚油脂含量對應(yīng)的電壓值，為分析主機提供原始數(shù)據(jù)。endprint

1.2 分析主機設(shè)計

分析主機需要對油脂采集探頭的電壓信號進行A/D轉(zhuǎn)換以及建模，計算具體的油脂含量，還可能需要進行與手機之間的數(shù)據(jù)無線發(fā)送和接收，同時需要考慮到油脂檢測裝置的功耗、便攜性以及功能擴展性，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，具體的設(shè)計框圖如圖3所示。

2 系統(tǒng)硬件實現(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技術(shù)進行油脂含量的電信號轉(zhuǎn)換，需要設(shè)計紅外發(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)計紅外發(fā)射電路。

發(fā)射管功率：

由式（1）～式（3）可知，通過調(diào)整電阻的比例來控制三極管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。由于三極管是一種對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路沒有負反饋作用，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)，并在負載電阻的上端輸出光電轉(zhuǎn)換后對應(yīng)的電壓信號由于接收到的電流比較弱，可以通過調(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，不但含有紅外光的信號，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)換信號里提取有用的電信號，濾除自然光的干擾，本設(shè)計加入一個帶通濾波電路，以除去有用信號頻帶以外的噪聲。本設(shè)計采用有源濾波器，它是一種含有半導(dǎo)體三極管、集成運放等有源器件的濾波器，相對于無源濾波器的特點是體積小、重量輕、價格低、結(jié)構(gòu)牢固、可以集成[10]。由于運算放大器具有輸入阻抗高、輸出阻抗低、高的開環(huán)增益和良好的穩(wěn)定性，且構(gòu)成簡單，性能優(yōu)良，本設(shè)計中放大器選用LM358。

濾波電路帶寬的確定是設(shè)計的重點，為使濾波效果達到最好，帶寬應(yīng)越小越好，然而受器件本身因素的限制，帶寬不可能無限小，經(jīng)過多次計算和實驗，設(shè)計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個二階的低通濾波器和1個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kΩ，μF時，可解出低通截止頻率Hz；當kΩ，μF時，可解出高通截止頻率Hz。

2.3 峰值檢測電路

峰值檢測電路的作用是對輸入信號的峰值進行提取，產(chǎn)生輸出電壓為了實現(xiàn)這樣的目標，電路輸出值會一直保持，直到一個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二極管型的峰值檢測電路，其原理圖和仿真圖如圖6所示。

2.4 負電壓產(chǎn)生電路

帶通濾波器和峰值檢測電路需要負電壓源。常見的實現(xiàn)負電壓方案有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。 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 藍牙模塊電路

分析主機通過藍牙和手機進行數(shù)據(jù)通信，完成油脂信息和皮膚類型等數(shù)據(jù)到手機端的傳輸。本文選用BT?HC05藍牙模塊，可用于各種帶藍牙功能的電腦、藍牙主機、手機、PDA、PSP等智能終端配對，寬波特率范圍為4 800～1 382 400 Bd，并且模塊兼容單片機系統(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)計采用COG點陣屏顯示所測油脂含量、測試時間以及藍牙連接成功與否等提示信息，COG點陣屏內(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。具體引腳控制連接如表2所示。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

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程和油脂檢測計算過程。油脂采樣過程由按鍵觸發(fā)，通過對油脂探頭的輸出電壓分析，判斷采樣過程是否結(jié)束。油脂檢測計算過程在采樣結(jié)束時開始，并由定時器設(shè)定一個穩(wěn)定時間，通過分析穩(wěn)定后的油脂探頭輸出電壓計算最終所測油脂含量。系統(tǒng)工作流程如圖8所示，首先進行功能模塊的初始化，之后進入低功耗模式，按鍵中斷觸發(fā)油脂采樣過程，使能A/D轉(zhuǎn)換器。油脂采樣過程中油脂檢測探頭的輸出電壓有如圖9所示的變化趨勢，通過A/D轉(zhuǎn)換值判斷采樣是否結(jié)束。當采樣過程結(jié)束后，關(guān)閉A/D轉(zhuǎn)換器，然后進入油脂檢測計算過程。為保證檢測數(shù)據(jù)的正確性，油脂檢測計算過程設(shè)計了3 s的穩(wěn)定時間，通過定時器實現(xiàn)，定時完成后使能A/D轉(zhuǎn)換器，由A/D轉(zhuǎn)換器獲取采樣后的檢測電壓（油脂含量所對應(yīng)的電壓值），然后根據(jù)模型分析計算具體的油脂含量并顯示。為保證數(shù)據(jù)的準確性，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固定的值，稱之為基壓，當油脂探頭接觸皮膚開始采樣時，探頭輸出電壓比基壓低0.2 V以上，當油脂探頭離開皮膚結(jié)束采樣時，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，可以通過電壓值相對于基壓變化量的大小來體現(xiàn)某一時刻油脂的Pertage值，如式（6）所示：endprint

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

系統(tǒng)利用單片機定時器、按鍵和A/D轉(zhuǎn)換器等3個硬件中斷源來實現(xiàn)具體的功能，這3個中斷源的中斷服務(wù)程序流程如圖10所示。此外，設(shè)計開發(fā)了一款簡單的Android手機應(yīng)用APP，如果用戶需要向移動手機端發(fā)送檢測數(shù)據(jù)和結(jié)果，只需要選擇發(fā)送按鍵連通藍牙設(shè)備即可。

4 結(jié) 語

本文設(shè)計并實現(xiàn)了一套人體皮膚油脂檢測裝置，一是通過硬件選型的普通化、小型化和超低功耗化設(shè)計，使得本油脂檢測裝置體積小巧、成本實惠而且功耗較低，非常適合普通用戶便攜式使用。二是通過多次實驗和理論分析，得出本裝置油脂探頭在采樣過程中輸出電壓的變化趨勢，建立了輸出電壓與人體皮膚表面油脂含量的經(jīng)驗公式。三是開發(fā)了一款簡單的Android手機油脂檢測APP，方便用戶存儲和分享數(shù)據(jù)。實踐表明，本文設(shè)計的油脂檢測裝置的檢測結(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價和皮膚類型判斷，具有很好的市場前景。

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