CN2374859Y - 衣内微气候测量装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种衣内微气候测量装置,由包括温度、湿度及心率等传感器(1、2、3)、预处理电路(4、5、6)、单片机(10)、存储器(7)、附设(11、12、13、14、15)等部分组成,它主要解决了信号传感、采集和处理的问题,并实现信号的多点采集。测试精度高,抗干扰性能好,操作方便。体积小,重量轻,测量系统自成一体,也可与微机相连,可用于实验室又能用于野外环境。

Description

衣内微气候测量装置

本实用新型涉及一种温、湿度测量装置，尤其是一种衣内微气候的测量装置。

所谓“衣内微气候”是指服装与皮肤之间微小空间的温度温度、湿度和气流的总称。

目前，国内外服装舒适性的评价方法有四种(1)卫生学、生理学评价方法；(2)心理学评价方法；(3)服装材料学评价方法；(4)衣内微气候评价方法。经过几年的探索研究，前三种方法都很难在环境-服装-人体这个系统中对服装的舒适性作出全面的评价，而衣内微气候评价方法能够动态地反映人体着装后的舒适感觉，并把其定量化，它已经成为开发不同用途的纺织材料的理论支柱。

用衣内微气候方法评价服装的舒适性，需要精确地测量服装内的温度和湿度，市场上用于温度、湿度以及测量人体生理学参数的仪器有很多，但是它们大多只能测定某一项指标，只能作一次记录。在衣内微气候测量中，需要将仪器安置在受试者身上，并同时快速、准确测定多项指标、多个参数，每个参数可以由多个采集点来获得，还能连续记录、存储、处理、打印这些参数。

本实用新型的目的是提供一种能够使服装舒适性多项评价指标定量化的便携式衣内微气候测量装置。

本实用新型的目的是这样实现的：

利用单片机技术，把服装与皮肤之间的微小空间的温度、湿度等指标进行采集、处理，对服装的舒适性能进行定量化评价。本实用新型由信号采集器、单片机及附设三部分组成。信号采集器通过传感器把衣内温度、湿度和心率等非电量信号转换为电信号，经放大、A/D转换，输入到单片机，经单片机处理后，结果输出至微型打印机或便携式计算机。

本实用新型公开的衣内微气候测量装置，是利用单片机技术，把服装与皮肤之间的微小空间的温度、湿度等指标进行采集、处理，对服装的舒适性能进行定量化评价的一种仪器。它主要解决了衣内温度、湿度及心率等信号传感、采集和处理的问题，还可用于人体生理参数的测量，而且装置设计有心率和多个湿度、温度测试通道，实现信号的多点采集，使测试结果准确。

本装置测试精度高，抗干扰性能好，工作性能稳定可靠，操作方便。体积小，重量轻，且自带镍氢充电电池，测量系统自成一体，也可以与上位微机相连。既可用于实验室工作环境又能用于野外环境条件，便于受试者随身携带。

下面结合附图及实施例对本实用新型做一说明。

图1为本实用新型工作原理方框图；

图2为本实用新型温度信号转换电路图；

图3为本实用新型湿度信号转换电路图；

图4为本实用新型湿度预处理电路板外观示意图；

图5为本实用新型电路原理图。

图1中：

1-温度传感器 2-湿度传感器 3-心率传感器

4、5、6-信号放大器(包括抗干扰电路)

7-E²PROM编程器8-时钟

9-数据存贮器  10-带A/D转换器单片机CPU

11-电源       12-R232输出

13-状态显示   14-上位计算机  15-报警器

本实用新型由信号采集器、单片机(CPU)及附设三部分组成。信号采集器把衣内温度、湿度和心率等非电量信号转换为电信号，经放大、A/D转换，输入到单片机，经单片机处理后，结果输出至便携式计算机或微型打印机。一、信号采集器包括三种传感器、三个放大器。

由图1中(1)、(2)、(3)、(4)、(5)、(6)组成：1、三种传感器：湿度、温度和心率传感器1)温度传感器(1)

采用一种方便、可靠的PN结温度传感器。PN结温度传感器是利用二极管的结电压随温度改变的特性：温度每升高1度，PN结的结电压就降低2mV，且随温度变化而线性地变化。由于PN结结电压是由半导体材料(硅或锗)及掺入的杂质即其制作工艺决定的，所以稳定性较好。PN结温度传感器体积小，可做到直径为1mm球状或更小，而且PN结温度传感器没有热电阻类传感器对心率传感器的干扰问题。

本装置选用PN结温度传感器，使其工作在0-40度范围内，要求测量精度达到0.1度，采用直径为2mm点式封装，见图3，用于皮肤温度和服装与皮肤之间温度的测量。

本装置共设温度测量通道22个，测试时通过模拟门电路在AD521精密仪用放大器的高阻输入端进行通道切换。放大的温度信号，经过V/F变换，输入到单片机。2)湿度传感器(2)

采用高分子膜湿敏电容，在电路设计上将高分子膜湿敏电容和预处理电路装在一小块印制电路板上，预处理电路先将电容信号转换成脉冲信号，然后通过引线送到信号采集器进一步处理，以克服引线电容对传感器的影响。预处理电路采用微型集成电路芯片和微型电阻电容，体积可以满足使用要求。

图4是湿度预处理电路板的外观网架设计，网架为湿度测量构成一个微小但“宽松”的环境空间，传感器和预处理电路板固定在网架内，从而使测量准确，网架也起到保护传感器的作用。3)心率传感器

采用和心电图机一样的心电电极，将心电信号放大后，送到A/D转换器，然后由微处理器进行计算，得到心率值。心电信号很弱，一般只有1uV，这样小的信号很容易受干扰，且人体运动时的肌电信号混在其中，处理更加困难，因此，我们采用软件加硬件相结合的方法处理心电信号，即：首先选用较好的抗共模干扰的仪用放大器，然后对经A/D转换后的心电信号，用软件进行频谱分析，最后得到心率值。2、放大器及抗干扰电路

由传感器出来的电信号很微弱需要进行放大，而且我们要求的测量精度很高，故选用美国AD公司生产的仪用放大芯片OP系列精密运算放大器，外围电阻和电容全部采用精密电阻电容，保证本实用新型的测量精度和稳定性。温度信号转换电路见图2，湿度信号转换电路见图3。

而且三种传感器的信号同时测试、一种传感器多个采集通道可能会使所测信号之间相互干扰，所以本装置在硬件上采用精密抗干扰电路，在软件编程上也做了相应处理。二、单片机(CPU)：

采用PHILIP公司生产的8XC552单片机微处理器，配以64K的静态存储器，可存储采集器连续工作8个小时的原始数据，时钟基准(8CF8553)用于采集周期定时。扩展E²PROM(PC8582A)用于基本工作参数的存储，同时还扩展RS232标准通讯接口(12)，用于与上位计算机(14)数据通讯。扩展的22路温度接口，用于衣内温度、皮肤温度和环境温度的测量。扩展的8路湿度接口，用于衣内湿度测量。

单片机的工作是把温度、湿度和心率信号进一步处理并将处理后的数据存储，为此，在软件设计上采用了数字滤波、A/D自校正等算法，并以精密基准电压源为参考，用软件对A/D转换结果进行自校正，大大提高了仪器的测量精度，数据存储采用二进制，存储容量不小于64K字节，可以保证连续工作8小时数据的存储。

A/D转换器采用8XC552中自带的AD521转换器，它是10位A/D转换器，转换时间为50us，转换通道可扩展为32路。

单片机软件采用MCS51汇编语言编程，可随时读取数据，对信号进行二次校正，提高测试精度。

上位机软件设计上，为方便人机交流，选择WINDOWS工作环境，菜单提示，输出结果直观。三、附设部分

电源采用镍氢电池并配以稳压电路，镍氢电池容量大、寿命长，重复充电无记忆效应。仪器全部电路采用CMOS芯片，功耗低，电池工作时间大于10小时，为保证关机数据不丢失，还设计了断电保护电路。

为方便野外工作环境，选择便携式计算机，主频为133MHZ，内存不小于16MB，电池工作时间不小于8小时。也可以用486以上微型计算机。

状态显示及蜂鸣报警器具有对工作状态和数据进行报警和显示功能。蜂鸣报警电路及电源电压监测电路，当电源电压不足时，禁止对IC3进行读写操作，用于保护静态存储器IC3的数据。

实施例电路图分析，见图5。

一、元件清单

1、CPU中央处理单元，是装置的核心部件，它包括运算器、控制器和A/D转换器，作用是完成指令规定的运算和操作，其自带的A/D转换器完成数据采集工作，P00-P07为地址线的低8位，同时又为数据线，P20-P27为地址线的高8位。P46-47给IC2提供地址码，P12-P13接采集/暂停开关，P35、INT1接发光二极管，P50-P57为A/D模拟信号输入线，AVREF+、AVRCF-分别A/D转换器的基准电压输入端，RXD、TXD为串口通讯线，用于与上位计算机进行通讯。

2、IC1地址锁存器，因为CPU的P00-P07为地址线的低8位同时为数据线，在此地址/数据分时总线系统中，用锁存器来保存地址码，D0-D7为输入，Q0-Q7为输出。

3、IC2模拟门电路，作用是根据温、湿度不同的量程要求，给A/D转换器提供相应的基准电压，进一步保证了测量精度。X0-X3、Y0-Y3为电压输入线，X、Y为相应量程的基准电压输出线，A、B与CPU相连，接收对应量程的地址码。

4、IC3静态存储器，用于存储实际的湿度、温度和心率值，容量为64K，故需A0-A15共16根地址线寻址，D0-D7为数据线。

5、IC4可擦写只读存储器，用于固化用户程序，容量为16K，故需A0-A13共14根地址线寻址，D0-D7为数据线。

6、IC5电擦除可编程只读存储器，其特点是可在线擦除和改写，用于存放和在线修改各通道温度、湿度转换系数。

7、IC6扩展随机存储器，在此作备用。

8、IC7日历时钟单元，用于设置系统的年月日，时分秒等日历时钟。

9、IC8放大电路

10、V1蜂鸣报警电路及电源电压监测电路，当电源电压不足时，禁止对IC3进行读写操作，用于保护IC3的数据。

11、V2电平转换电路，使串行口的输入/出电平与上位计算机的电平相匹配。

二、工作过程

打开电源，首先进行初始化，设置日历时钟、采样间隔、通讯方式，如必要可对各通道的转换系数重新进行设置等，确定温、湿度测量量程，CPU控制IC2输出对应量程的基准电压到CPU的58、59管脚上。CPU的定时器T1工作于定时方式，定时器T0工作于计数方式，对与温度相对应的频率信号进行计数，当定时时间到，产生定时中断，此时依次采集22点温度、8点湿度和心率信号。

各路温度信号经AD521放大器放大后，再经V/F变换，将此电压信号转换成频率信号，接到CPU的T0端，各路湿度信号经预处理电路将电容信号转换成脉冲信号，将此信号连到采集器上，再经脉冲电压转换电路转换成模拟信号，经OP27运算放大器放大后接到CPU自带的A/D转换器的输入端口P52AD2上，心率信号经AD521放大后接到P53AD3上。

所有信号采集完成后，调用IC5中的转换系数分别对温度、湿度信号进行计算，对心率信号进行频谱分析，最后得到心率值，CPU控制将这些结果存入IC3中，同时将结果送到V2上，以便与上位计算机进行通讯，在中断结束前，CPU监测电源电压，如低于下限值，则发出蜂鸣报警，同时禁止IC3的读写操作，防止造成数据混乱。

CPU同时监视是否产生串行口中断，在中断服务程序中与上位计算机进行通讯，包括接收上位机的命令，对各命令进行处理，以及给上位机发送所需信息等。

为使装置小型化，满足便携要求，外形采用155*120*60mm机箱，电路板采用层叠结构，共三层：底层为单片机系统，中层为模拟信号处理电路，上层为传感器接口扩展板。仪器工作状态、数据显示、数据处理、数据打印由上位微机控制，仪器面板只设置一个电源开关、一个暂停/采集开关和两个状态灯，可免去仪器面板上的繁杂设置。也可以设置液晶显示器显示数据。

本实用新型操作使用方法如下：

1、传感器放置

把温度传感器、湿度传感器置于衣内合适位置，心率传感器粘贴在身体上。测皮肤温度的传感器贴在身体规定的位置，测环境温度的传感器置于环境中。

2、开始新数据采集

将装置的暂停/采集开关置于采集位，打开电源后，仪器开始新的数据采集，原有数据自动清除。

3、保留以前数据继续采集

将装置的暂停/采集开关置于暂停位，打开电源后，仪器接着原来的数据开始新的数据采集。

4、即时查看、打印数据

将装置用通讯线与上位微机连接，仪器把每一个采样周期的采集结果送至串行口，运行控制程序即可查看当前数据。

将装置用通讯线与微型打印机连接，仪器把每一个采样周期的采集结果打印出来。

把暂停/采集开关置于暂停位，运行通讯程序，可以读取全部数据，存储于磁盘或打印结果。

Claims (5)

1、一种衣内微气候测量装置，它包括信号采集器、单片机及附设三部分，其特征在于，信号采集器包括心率传感器和温度传感器、湿度传感器三种，信号采集器可多点采集心率、温度、湿度等非电量信号，经预处理电路、抗干扰电路、放大电路处理，再经A/D转换、V/F变换，输入单片机进行处理，用RS232接口输出给上位计算机显示打印。

2、根据权利要求1所述的衣内微气候测量装置，其特征在于，湿度传感器与其脉冲转换电路安装在预处理电路板上，预处理电路板置于网架结构内，通过引线与放大器相连。

3、根据权利要求1所述的衣内微气候测量装置，其特征在于，温度传感器采用直径2mm点式封装PN结传感器。

4、根据权利要求1或2所述的衣内微气候测量装置，其特征在于，装置的湿度传感器、预处理电路及湿度信号测试通道有两个以上。

5、根据权利要求1所述的衣内微气候测量装置，其特征在于，装置的温度传感器及温度信号测试通道有两个以上。

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