專(zhuān)利名稱：衣內(nèi)微氣候測(cè)量裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及一種溫、濕度測(cè)量裝置，尤其是一種衣內(nèi)微氣候的測(cè)量裝置。
所謂“衣內(nèi)微氣候”是指服裝與皮膚之間微小空間的溫度溫度、濕度和氣流的總稱。
目前，國(guó)內(nèi)外服裝舒適性的評(píng)價(jià)方法有四種(1)衛(wèi)生學(xué)、生理學(xué)評(píng)價(jià)方法；(2)心理學(xué)評(píng)價(jià)方法；(3)服裝材料學(xué)評(píng)價(jià)方法；(4)衣內(nèi)微氣候評(píng)價(jià)方法。經(jīng)過(guò)幾年的探索研究，前三種方法都很難在環(huán)境-服裝-人體這個(gè)系統(tǒng)中對(duì)服裝的舒適性作出全面的評(píng)價(jià)，而衣內(nèi)微氣候評(píng)價(jià)方法能夠動(dòng)態(tài)地反映人體著裝后的舒適感覺(jué)，并把其定量化，它已經(jīng)成為開(kāi)發(fā)不同用途的紡織材料的理論支柱。
用衣內(nèi)微氣候方法評(píng)價(jià)服裝的舒適性，需要精確地測(cè)量服裝內(nèi)的溫度和濕度，市場(chǎng)上用于溫度、濕度以及測(cè)量人體生理學(xué)參數(shù)的儀器有很多，但是它們大多只能測(cè)定某一項(xiàng)指標(biāo)，只能作一次記錄。在衣內(nèi)微氣候測(cè)量中，需要將儀器安置在受試者身上，并同時(shí)快速、準(zhǔn)確測(cè)定多項(xiàng)指標(biāo)、多個(gè)參數(shù)，每個(gè)參數(shù)可以由多個(gè)采集點(diǎn)來(lái)獲得，還能連續(xù)記錄、存儲(chǔ)、處理、打印這些參數(shù)。
本實(shí)用新型的目的是提供一種能夠使服裝舒適性多項(xiàng)評(píng)價(jià)指標(biāo)定量化的便攜式衣內(nèi)微氣候測(cè)量裝置。
本實(shí)用新型的目的是這樣實(shí)現(xiàn)的利用單片機(jī)技術(shù)，把服裝與皮膚之間的微小空間的溫度、濕度等指標(biāo)進(jìn)行采集、處理，對(duì)服裝的舒適性能進(jìn)行定量化評(píng)價(jià)。本實(shí)用新型由信號(hào)采集器、單片機(jī)及附設(shè)三部分組成。信號(hào)采集器通過(guò)傳感器把衣內(nèi)溫度、濕度和心率等非電量信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，經(jīng)放大、A/D轉(zhuǎn)換，輸入到單片機(jī)，經(jīng)單片機(jī)處理后，結(jié)果輸出至微型打印機(jī)或便攜式計(jì)算機(jī)。
本實(shí)用新型公開(kāi)的衣內(nèi)微氣候測(cè)量裝置，是利用單片機(jī)技術(shù)，把服裝與皮膚之間的微小空間的溫度、濕度等指標(biāo)進(jìn)行采集、處理，對(duì)服裝的舒適性能進(jìn)行定量化評(píng)價(jià)的一種儀器。它主要解決了衣內(nèi)溫度、濕度及心率等信號(hào)傳感、采集和處理的問(wèn)題，還可用于人體生理參數(shù)的測(cè)量，而且裝置設(shè)計(jì)有心率和多個(gè)濕度、溫度測(cè)試通道，實(shí)現(xiàn)信號(hào)的多點(diǎn)采集，使測(cè)試結(jié)果準(zhǔn)確。
本裝置測(cè)試精度高，抗干擾性能好，工作性能穩(wěn)定可靠，操作方便。體積小，重量輕，且自帶鎳氫充電電池，測(cè)量系統(tǒng)自成一體，也可以與上位微機(jī)相連。既可用于實(shí)驗(yàn)室工作環(huán)境又能用于野外環(huán)境條件，便于受試者隨身攜帶。
以下結(jié)合附圖及實(shí)施例對(duì)本實(shí)用新型做一說(shuō)明。


圖1為本實(shí)用新型工作原理方框圖；圖2為本實(shí)用新型溫度信號(hào)轉(zhuǎn)換電路圖；圖3為本實(shí)用新型濕度信號(hào)轉(zhuǎn)換電路圖；圖4為本實(shí)用新型濕度預(yù)處理電路板外觀示意圖；圖5為本實(shí)用新型電路原理圖。
圖1中1-溫度傳感器 2-濕度傳感器 3-心率傳感器4、5、6-信號(hào)放大器(包括抗干擾電路)7-E2PROM編程器8-時(shí)鐘9-數(shù)據(jù)存貯器 10-帶A/D轉(zhuǎn)換器單片機(jī)CPU11-電源 12-R232輸出13-狀態(tài)顯示 14-上位計(jì)算機(jī) 15-報(bào)警器本實(shí)用新型由信號(hào)采集器、單片機(jī)(CPU)及附設(shè)三部分組成。信號(hào)采集器把衣內(nèi)溫度、濕度和心率等非電量信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，經(jīng)放大、A/D轉(zhuǎn)換，輸入到單片機(jī)，經(jīng)單片機(jī)處理后，結(jié)果輸出至便攜式計(jì)算機(jī)或微型打印機(jī)。一、信號(hào)采集器包括三種傳感器、三個(gè)放大器。
由圖1中(1)、(2)、(3)、(4)、(5)、(6)組成1、三種傳感器濕度、溫度和心率傳感器1)溫度傳感器(1)采用一種方便、可靠的PN結(jié)溫度傳感器。PN結(jié)溫度傳感器是利用二極管的結(jié)電壓隨溫度改變的特性溫度每升高1度，PN結(jié)的結(jié)電壓就降低2mV，且隨溫度變化而線性地變化。由于PN結(jié)結(jié)電壓是由半導(dǎo)體材料(硅或鍺)及摻入的雜質(zhì)即其制作工藝決定的，所以穩(wěn)定性較好。PN結(jié)溫度傳感器體積小，可做到直徑為1mm球狀或更小，而且PN結(jié)溫度傳感器沒(méi)有熱電阻類(lèi)傳感器對(duì)心率傳感器的干擾問(wèn)題。
本裝置選用PN結(jié)溫度傳感器，使其工作在0-40度范圍內(nèi)，要求測(cè)量精度達(dá)到0.1度，采用直徑為2mm點(diǎn)式封裝，見(jiàn)圖3，用于皮膚溫度和服裝與皮膚之間溫度的測(cè)量。
本裝置共設(shè)溫度測(cè)量通道22個(gè)，測(cè)試時(shí)通過(guò)模擬門(mén)電路在AD521精密儀用放大器的高阻輸入端進(jìn)行通道切換。放大的溫度信號(hào)，經(jīng)過(guò)V/F變換，輸入到單片機(jī)。2)濕度傳感器(2)采用高分子膜濕敏電容，在電路設(shè)計(jì)上將高分子膜濕敏電容和預(yù)處理電路裝在一小塊印制電路板上，預(yù)處理電路先將電容信號(hào)轉(zhuǎn)換成脈沖信號(hào)，然后通過(guò)引線送到信號(hào)采集器進(jìn)一步處理，以克服引線電容對(duì)傳感器的影響。預(yù)處理電路采用微型集成電路芯片和微型電阻電容，體積可以滿足使用要求。
圖4是濕度預(yù)處理電路板的外觀網(wǎng)架設(shè)計(jì)，網(wǎng)架為濕度測(cè)量構(gòu)成一個(gè)微小但“寬松”的環(huán)境空間，傳感器和預(yù)處理電路板固定在網(wǎng)架內(nèi)，從而使測(cè)量準(zhǔn)確，網(wǎng)架也起到保護(hù)傳感器的作用。3)心率傳感器采用和心電圖機(jī)一樣的心電電極，將心電信號(hào)放大后，送到A/D轉(zhuǎn)換器，然后由微處理器進(jìn)行計(jì)算，得到心率值。心電信號(hào)很弱，一般只有1uV，這樣小的信號(hào)很容易受干擾，且人體運(yùn)動(dòng)時(shí)的肌電信號(hào)混在其中，處理更加困難，因此，我們采用軟件加硬件相結(jié)合的方法處理心電信號(hào)，即首先選用較好的抗共模干擾的儀用放大器，然后對(duì)經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后的心電信號(hào)，用軟件進(jìn)行頻譜分析，最后得到心率值。2、放大器及抗干擾電路由傳感器出來(lái)的電信號(hào)很微弱需要進(jìn)行放大，而且我們要求的測(cè)量精度很高，故選用美國(guó)AD公司生產(chǎn)的儀用放大芯片OP系列精密運(yùn)算放大器，外圍電阻和電容全部采用精密電阻電容，保證本實(shí)用新型的測(cè)量精度和穩(wěn)定性。溫度信號(hào)轉(zhuǎn)換電路見(jiàn)圖2，濕度信號(hào)轉(zhuǎn)換電路見(jiàn)圖3。
而且三種傳感器的信號(hào)同時(shí)測(cè)試、一種傳感器多個(gè)采集通道可能會(huì)使所測(cè)信號(hào)之間相互干擾，所以本裝置在硬件上采用精密抗干擾電路，在軟件編程上也做了相應(yīng)處理。二、單片機(jī)(CPU)采用PHILIP公司生產(chǎn)的8XC552單片機(jī)微處理器，配以64K的靜態(tài)存儲(chǔ)器，可存儲(chǔ)采集器連續(xù)工作8個(gè)小時(shí)的原始數(shù)據(jù)，時(shí)鐘基準(zhǔn)(8CF8553)用于采集周期定時(shí)。擴(kuò)展E2PROM(PC8582A)用于基本工作參數(shù)的存儲(chǔ)，同時(shí)還擴(kuò)展RS232標(biāo)準(zhǔn)通訊接口(12)，用于與上位計(jì)算機(jī)(14)數(shù)據(jù)通訊。擴(kuò)展的22路溫度接口，用于衣內(nèi)溫度、皮膚溫度和環(huán)境溫度的測(cè)量。擴(kuò)展的8路濕度接口，用于衣內(nèi)濕度測(cè)量。
單片機(jī)的工作是把溫度、濕度和心率信號(hào)進(jìn)一步處理并將處理后的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，為此，在軟件設(shè)計(jì)上采用了數(shù)字濾波、A/D自校正等算法，并以精密基準(zhǔn)電壓源為參考，用軟件對(duì)A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果進(jìn)行自校正，大大提高了儀器的測(cè)量精度，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)采用二進(jìn)制，存儲(chǔ)容量不小于64K字節(jié)，可以保證連續(xù)工作8小時(shí)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)。
A/D轉(zhuǎn)換器采用8XC552中自帶的AD521轉(zhuǎn)換器，它是10位A/D轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)換時(shí)間為50us，轉(zhuǎn)換通道可擴(kuò)展為32路。
單片機(jī)軟件采用MCS51匯編語(yǔ)言編程，可隨時(shí)讀取數(shù)據(jù)，對(duì)信號(hào)進(jìn)行二次校正，提高測(cè)試精度。
上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)上，為方便人機(jī)交流，選擇WINDOWS工作環(huán)境，菜單提示，輸出結(jié)果直觀。三、附設(shè)部分電源采用鎳氫電池并配以穩(wěn)壓電路，鎳氫電池容量大、壽命長(zhǎng)，重復(fù)充電無(wú)記憶效應(yīng)。儀器全部電路采用CMOS芯片，功耗低，電池工作時(shí)間大于10小時(shí)，為保證關(guān)機(jī)數(shù)據(jù)不丟失，還設(shè)計(jì)了斷電保護(hù)電路。
為方便野外工作環(huán)境，選擇便攜式計(jì)算機(jī)，主頻為133MHZ，內(nèi)存不小于16MB，電池工作時(shí)間不小于8小時(shí)。也可以用486以上微型計(jì)算機(jī)。
狀態(tài)顯示及蜂鳴報(bào)警器具有對(duì)工作狀態(tài)和數(shù)據(jù)進(jìn)行報(bào)警和顯示功能。蜂鳴報(bào)警電路及電源電壓監(jiān)測(cè)電路，當(dāng)電源電壓不足時(shí)，禁止對(duì)IC3進(jìn)行讀寫(xiě)操作，用于保護(hù)靜態(tài)存儲(chǔ)器IC3的數(shù)據(jù)。
實(shí)施例電路圖分析，見(jiàn)圖5。
一、元件清單1、CPU中央處理單元，是裝置的核心部件，它包括運(yùn)算器、控制器和A/D轉(zhuǎn)換器，作用是完成指令規(guī)定的運(yùn)算和操作，其自帶的A/D轉(zhuǎn)換器完成數(shù)據(jù)采集工作，P00-P07為地址線的低8位，同時(shí)又為數(shù)據(jù)線，P20-P27為地址線的高8位。P46-47給IC2提供地址碼，P12-P13接采集/暫停開(kāi)關(guān)，P35、INT1接發(fā)光二極管，P50-P57為A/D模擬信號(hào)輸入線，AVREF+、AVRCF-分別A/D轉(zhuǎn)換器的基準(zhǔn)電壓輸入端，RXD、TXD為串口通訊線，用于與上位計(jì)算機(jī)進(jìn)行通訊。
2、IC1地址鎖存器，因?yàn)镃PU的P00-P07為地址線的低8位同時(shí)為數(shù)據(jù)線，在此地址/數(shù)據(jù)分時(shí)總線系統(tǒng)中，用鎖存器來(lái)保存地址碼，D0-D7為輸入，Q0-Q7為輸出。
3、IC2模擬門(mén)電路，作用是根據(jù)溫、濕度不同的量程要求，給A/D轉(zhuǎn)換器提供相應(yīng)的基準(zhǔn)電壓，進(jìn)一步保證了測(cè)量精度。X0-X3、Y0-Y3為電壓輸入線，X、Y為相應(yīng)量程的基準(zhǔn)電壓輸出線，A、B與CPU相連，接收對(duì)應(yīng)量程的地址碼。
4、IC3靜態(tài)存儲(chǔ)器，用于存儲(chǔ)實(shí)際的濕度、溫度和心率值，容量為64K，故需A0-A15共16根地址線尋址，D0-D7為數(shù)據(jù)線。
5、IC4可擦寫(xiě)只讀存儲(chǔ)器，用于固化用戶程序，容量為16K，故需A0-A13共14根地址線尋址，D0-D7為數(shù)據(jù)線。
6、IC5電擦除可編程只讀存儲(chǔ)器，其特點(diǎn)是可在線擦除和改寫(xiě)，用于存放和在線修改各通道溫度、濕度轉(zhuǎn)換系數(shù)。
7、IC6擴(kuò)展隨機(jī)存儲(chǔ)器，在此作備用。
8、IC7日歷時(shí)鐘單元，用于設(shè)置系統(tǒng)的年月日，時(shí)分秒等日歷時(shí)鐘。
9、IC8放大電路10、V1蜂鳴報(bào)警電路及電源電壓監(jiān)測(cè)電路，當(dāng)電源電壓不足時(shí)，禁止對(duì)IC3進(jìn)行讀寫(xiě)操作，用于保護(hù)IC3的數(shù)據(jù)。
11、V2電平轉(zhuǎn)換電路，使串行口的輸入/出電平與上位計(jì)算機(jī)的電平相匹配。
二、工作過(guò)程打開(kāi)電源，首先進(jìn)行初始化，設(shè)置日歷時(shí)鐘、采樣間隔、通訊方式，如必要可對(duì)各通道的轉(zhuǎn)換系數(shù)重新進(jìn)行設(shè)置等，確定溫、濕度測(cè)量量程，CPU控制IC2輸出對(duì)應(yīng)量程的基準(zhǔn)電壓到CPU的58、59管腳上。CPU的定時(shí)器T1工作于定時(shí)方式，定時(shí)器T0工作于計(jì)數(shù)方式，對(duì)與溫度相對(duì)應(yīng)的頻率信號(hào)進(jìn)行計(jì)數(shù)，當(dāng)定時(shí)時(shí)間到，產(chǎn)生定時(shí)中斷，此時(shí)依次采集22點(diǎn)溫度、8點(diǎn)濕度和心率信號(hào)。
各路溫度信號(hào)經(jīng)AD521放大器放大后，再經(jīng)V/F變換，將此電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換成頻率信號(hào)，接到CPU的T0端，各路濕度信號(hào)經(jīng)預(yù)處理電路將電容信號(hào)轉(zhuǎn)換成脈沖信號(hào)，將此信號(hào)連到采集器上，再經(jīng)脈沖電壓轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換成模擬信號(hào)，經(jīng)OP27運(yùn)算放大器放大后接到CPU自帶的A/D轉(zhuǎn)換器的輸入端口P52AD2上，心率信號(hào)經(jīng)AD521放大后接到P53AD3上。
所有信號(hào)采集完成后，調(diào)用IC5中的轉(zhuǎn)換系數(shù)分別對(duì)溫度、濕度信號(hào)進(jìn)行計(jì)算，對(duì)心率信號(hào)進(jìn)行頻譜分析，最后得到心率值，CPU控制將這些結(jié)果存入IC3中，同時(shí)將結(jié)果送到V2上，以便與上位計(jì)算機(jī)進(jìn)行通訊，在中斷結(jié)束前，CPU監(jiān)測(cè)電源電壓，如低于下限值，則發(fā)出蜂鳴報(bào)警，同時(shí)禁止IC3的讀寫(xiě)操作，防止造成數(shù)據(jù)混亂。
CPU同時(shí)監(jiān)視是否產(chǎn)生串行口中斷，在中斷服務(wù)程序中與上位計(jì)算機(jī)進(jìn)行通訊，包括接收上位機(jī)的命令，對(duì)各命令進(jìn)行處理，以及給上位機(jī)發(fā)送所需信息等。
為使裝置小型化，滿足便攜要求，外形采用155*120*60mm機(jī)箱，電路板采用層疊結(jié)構(gòu)，共三層底層為單片機(jī)系統(tǒng)，中層為模擬信號(hào)處理電路，上層為傳感器接口擴(kuò)展板。儀器工作狀態(tài)、數(shù)據(jù)顯示、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)打印由上位微機(jī)控制，儀器面板只設(shè)置一個(gè)電源開(kāi)關(guān)、一個(gè)暫停/采集開(kāi)關(guān)和兩個(gè)狀態(tài)燈，可免去儀器面板上的繁雜設(shè)置。也可以設(shè)置液晶顯示器顯示數(shù)據(jù)。
本實(shí)用新型操作使用方法如下1、傳感器放置把溫度傳感器、濕度傳感器置于衣內(nèi)合適位置，心率傳感器粘貼在身體上。測(cè)皮膚溫度的傳感器貼在身體規(guī)定的位置，測(cè)環(huán)境溫度的傳感器置于環(huán)境中。
2、開(kāi)始新數(shù)據(jù)采集將裝置的暫停/采集開(kāi)關(guān)置于采集位，打開(kāi)電源后，儀器開(kāi)始新的數(shù)據(jù)采集，原有數(shù)據(jù)自動(dòng)清除。
3、保留以前數(shù)據(jù)繼續(xù)采集將裝置的暫停/采集開(kāi)關(guān)置于暫停位，打開(kāi)電源后，儀器接著原來(lái)的數(shù)據(jù)開(kāi)始新的數(shù)據(jù)采集。
4、即時(shí)查看、打印數(shù)據(jù)將裝置用通訊線與上位微機(jī)連接，儀器把每一個(gè)采樣周期的采集結(jié)果送至串行口，運(yùn)行控制程序即可查看當(dāng)前數(shù)據(jù)。
將裝置用通訊線與微型打印機(jī)連接，儀器把每一個(gè)采樣周期的采集結(jié)果打印出來(lái)。
把暫停/采集開(kāi)關(guān)置于暫停位，運(yùn)行通訊程序，可以讀取全部數(shù)據(jù)，存儲(chǔ)于磁盤(pán)或打印結(jié)果。
權(quán)利要求1.一種衣內(nèi)微氣候測(cè)量裝置，它包括信號(hào)采集器、單片機(jī)及附設(shè)三部分，其特征在于，信號(hào)采集器包括心率傳感器和溫度傳感器、濕度傳感器三種，信號(hào)采集器可多點(diǎn)采集心率、溫度、濕度等非電量信號(hào)，經(jīng)預(yù)處理電路、抗干擾電路、放大電路處理，再經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換、V/F變換，輸入單片機(jī)進(jìn)行處理，用RS232接口輸出給上位計(jì)算機(jī)顯示打印。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的衣內(nèi)微氣候測(cè)量裝置，其特征在于，濕度傳感器與其脈沖轉(zhuǎn)換電路安裝在預(yù)處理電路板上，預(yù)處理電路板置于網(wǎng)架結(jié)構(gòu)內(nèi)，通過(guò)引線與放大器相連。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的衣內(nèi)微氣候測(cè)量裝置，其特征在于，溫度傳感器采用直徑2mm點(diǎn)式封裝PN結(jié)傳感器。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的衣內(nèi)微氣候測(cè)量裝置，其特征在于，裝置的濕度傳感器、預(yù)處理電路及濕度信號(hào)測(cè)試通道有兩個(gè)以上。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的衣內(nèi)微氣候測(cè)量裝置，其特征在于，裝置的溫度傳感器及溫度信號(hào)測(cè)試通道有兩個(gè)以上。
專(zhuān)利摘要本實(shí)用新型涉及一種衣內(nèi)微氣候測(cè)量裝置,由包括溫度、濕度及心率等傳感器(1、2、3)、預(yù)處理電路(4、5、6)、單片機(jī)(10)、存儲(chǔ)器(7)、附設(shè)(11、12、13、14、15)等部分組成,它主要解決了信號(hào)傳感、采集和處理的問(wèn)題,并實(shí)現(xiàn)信號(hào)的多點(diǎn)采集。測(cè)試精度高,抗干擾性能好,操作方便。體積小,重量輕,測(cè)量系統(tǒng)自成一體,也可與微機(jī)相連,可用于實(shí)驗(yàn)室又能用于野外環(huán)境。
文檔編號(hào)G01N33/00GK2374859SQ9920542
公開(kāi)日2000年4月19日 申請(qǐng)日期1999年3月18日 優(yōu)先權(quán)日1999年3月18日
發(fā)明者唐世君, 諶玉紅, 畢景江, 孫本亮, 夏鵬澤 申請(qǐng)人:中國(guó)人民解放軍總后勤部軍需裝備研究所, 北京地平線技貿(mào)公司