人体死后经过的时间阻抗自动测量仪

2011-05-24 19:18:28来源: 互联网
1 引言

测定人死后经过的时间(PMI)推断是法医学者所面临的重要问题,准确判断PMI对于明确案件性质、划定侦察范围、确定犯罪嫌疑人以及案件重建具有重要意义。目前虽有一些推断PMI的方法,如尸体现象、尸体化学、法医昆虫学等,其中最简单的方法是利用尸冷及其曲线来推断PMI,但其准确性不能令人满意。本研究目的是通过实验获得人体阻抗与PMI的关系,研制出一种智能型人体电阻抗测定仪,它可以自动测量案发现场的人体阻抗和环境温度,通过计算机采集、处理大量数据,对数据进行平均,然后判断PMI。因此,该仪器在法医学、生物医学等领域有着广泛的应用前景。

2 系统电路设计

整个系统由电源、开关选频、正弦波信号发生器、五路恒流源电路、人体电阻、直流比例放大器、缓冲器、交流放大器、双单片机、系统时钟、存储器、微型打印机、液晶屏、RS232串行通信、PC机等组成。其系统框图如图1所示。

2.1 开关选频电路设计

开关选频电路由NE555定周期多谐振荡器、74LS38反相器、CD4066模拟开关以及ICL8038函数发生器组成,如图2所示。在上电初期,C3电容未突变,所以NE555的2引脚为低电平,3引脚输出高电平;通过74LS38两级倒相6引脚输出高电平,同时使CD4066的5引脚和12引脚获得高电平。此时CD4066的3、4引脚接通,C1电容接地,ICL8038的2引脚输出第一种频率输出:f1=0.15/RCl,其中,R=VRl+R1。

另一路CD4066的11、10引脚接通,5 V电压通过R4,W1右端,对C3充电,充电时间数学式E=E(1-et/τ),当充电到2E/3时,NE555的6引脚复位,3引脚输出低电平,通过74IS38一级倒相3引脚输出高电平,使CD4066的13引脚获得高电平,此时CD4066的1、2引脚接通,C2电容接地,ICL8038输出另一种频率:f2=0.15/RC2,此时C3的电压通过W1左端,R5对7引脚放电,当放电到E/3时,NE555的3引脚输出高电平,重复上述过程,完成一个周期。其开关周期为:

t1=0.693(R4+W1右)C3,t2=0.693(R5+W1左)C3,T=t1+t2=0.693(R4+R5+W1)C3,占空比D=t1/T。调节W1,可使占空比在2%~98%范围内变化,而周期不变,开关周期要求20 s,所以RC时间常数很大,本系统占空比要求50%,用示波器很难观察到,为了能观察到系统50%的占空比,在调试时应接入一只小容量的C4,调节W1中点移动头,使波形达到50%的占空比,然后再用短接片接通C3。

2.2 恒流源电路设计

直流恒流源电路是由5路电流负反馈电路组成,根据三极管特性曲线。当确定三极管基极电流IB,通过三极管的β值放大,可确定集电极电流IC,由其输出特性曲线可知,当UCE电压变化时,ICQ电流基本维持不变,利用这一特性设计恒流源电路,如图3所示。

图3中,T1~T5是由晶体管9012组成的5路恒流源电路,每路恒流源电路通过上偏置电阻R4和下偏置电阻R5把基极偏置成2.5 V电压,这时9012发射极得到3 V电压,5 V电源减去发射极3 V电压再除以发射极电阻可得到恒定电流。5路恒流源分别输出0.1 mA、0.01 mA、0.001 mA、0.1μA、0.1μA的恒流。如果设置5档:2.5 kΩ、25 kΩ、250 kΩ、2.5 MΩ、25 MΩ,也就是说前4档最大电阻产生最大直流电压为250 mV、第5档产生最大电压为2.5 V,前4档最大电压250 mV通过A4放大10倍后为2.5 V,第5档最大电压2.5 V通过A3缓冲跟随也产生了2.5 V电压。

第6档和第7档为交流档,ICL8038函数发生器的2引脚每隔10 s轮流输出两种频率f1和f2,这两种频率主要用于实验人体两点间阻抗的误差,输出正弦波电压通过A1放大器7引脚输出,施加到T6、T7的恒流源电路的基极。引起基极电流变化,从而导致IC集电极电流变化。如果将该电流施加到人体电阻R上,那么人体就会产生交变电压,回馈至后续A2交流放大器。

2.3 交流电压测量电路设计

运算放大器A2和二极管D5、D6组成线性整流电路。D1、D2、D3、D4接运算放大器A2的输入端,实现过压保护功能。C9是输入端耦合电容,R11是运算放大器A2的负反馈电阻,用于稳定工作点。C13是充放电电容,并有隔直流作用。R15、VR4与D5、R13构成分压器,调节VR5可改变输出电压,供校正时使用R14、C14组成平滑滤波器。其工作原理:当输入信号电压UX为正极性时,首先经过运算放大器A2进行放大,再通过C13、D5、R13、VR4、R15、模拟地对C13充电。D5整流后的电压施加到负载R14。当UX为负极性时,此时经过模拟地、R15、VR4、R12、D6、C13、A2,C13缓慢放电。整流后的电压通过B1、B2运算放大器比例放大,可分别输出交流两档正弦电压平均值,从而转换为在交变电压下通过人体变化的电阻抗。

该电路有两个特点:第一,当输入交流电压UX=0时,运算放大器A2的输出电压也是0 V;第二,由于A2的放大作用,即使输入信号较弱,也能保证D5、D6在较强信号下工作,避免了二极管在小信号检波时引起的非线性失真。

3 单片机控制电路设计

3.1 单片机控制电路

本系统设计采用两片单片机AT89S52和STC89C51、时钟器件DS1307、EEPROM存储器AT24C256、温度传感器DS18B20、模数转换器TLC549CP以及8D三态锁存器74LS573。单片机硬件控制电路如图4所示。

电路简述:AT89S52的P0口用于打印测量数据;TLC549用于模数转换输入,分别接AT89S52单片机P2.3、P2.4、P2.5;AT89S52单片机的:P3.3、P3.5作为模拟I2C总线接口与存储器AT24C256连接;P3.4作为外部计数器输入,用于频率测量;AT89S52单片机的P3.0、P3.1用于与AT89S52之间的内部通信并将数据通过RS-232接口传输给PC机进行数据处理。

STC89C51单片机的P0和P1口用于液晶屏的驱动信号;P1.6、P1.7、P3.2接时钟器件DS1307;P2口作为键盘扫描输入输出口;P3口中的P3.0、P3.1用于与AT89S52之间的内部通信;P3.6接温度传感器DS18B20,用于温度测量;P3.7接蜂鸣器作为达到测量时间时报警。

3.2 单片机程序控制过程

本系统软件设计采用模块化设计方法。整个系统由初始化模块、显示模块、菜单处理模块、串口通信模块、温度测量模块、时间处理模块等模块组成。上电后进入系统初始化模块,初始化完成后开始运行系统软件。在执行过程中,根据运行流程分别调用各个功能模块完成界面显示、阻抗测量、时间测量、温度测量、串口通信、计时等功能。其软件设计流程图如图5所示。

系统启动后,首先初始化,初始化完成后系统处于键盘扫描状态,当扫描到有键按下时,执行相关功能键程序。

定时测量时,程序按设定的时间间隔采样,时钟源由DS1307提供。采样时间到达时,单片机读取TLC549中的数据,读出的数据先保存到外部存储器AT24C256进行相应处理后送到液晶屏显示。根据设定的时间循环采样,当定时时间到达时打开蜂鸣器并返回定时测量起始入口,等待下一步操作。

打印机部分,当相关测量操作结束后。需要打印测得数据时,按打印功能键进入打印子程序。在打印时单片机先从AT24C256读取数据进行相应处理后,再送到打印机打印。

4 结束语

准确判断人体死亡时间是法医界一个难题。通过多年法医现场实践,有各种各样的解决方案,但都不是十分准确。本仪器是一种能够迅速判断人体死亡时间的新解决方案。通过对各种温度下的尸体测量,准确测量人体死后的各部位的电阻抗和阻抗变化率,建立尸体在不同温度下随时间变化的阻抗和阻抗变化率,从而采集大量数据。采集的数据通过统计、平均,建立标准数据库,并将现场采集数据与标准数据进行比对。因此,本仪器为现场法医迅速判断人体死亡时间、明确案件性质、划定侦察范围、确定犯罪嫌疑人以及案件重建。具有其重要价值。

关键字:人体  时间

编辑:eeleader 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/gykz/2011/0524/article_6094.html
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