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人体死后经过的时间阻抗自动测量仪

作者：熊小民，郭萍，熊平来源：国外电子元器件点击数：358 更新时间：2007-11-16

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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电阻抗与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

　　由运算放大器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。