人體死后經(jīng)過(guò)的時(shí)間阻抗自動(dòng)測(cè)量?jī)x

測(cè)定人死后經(jīng)過(guò)的時(shí)間(PMI)推斷是法醫(yī)學(xué)者所面臨的重要問(wèn)題，準(zhǔn)確判斷PMI對(duì)于明確案件性質(zhì)、劃定偵察范圍、確定犯罪嫌疑人以及案件重建具有重要意義。目前雖有一些推斷PMI的方法，如尸體現(xiàn)象、尸體化學(xué)、法醫(yī)昆蟲(chóng)學(xué)等，其中最簡(jiǎn)單的方法是利用尸冷及其曲線來(lái)推斷PMI，但其準(zhǔn)確性不能令人滿意。本研究目的是通過(guò)實(shí)驗(yàn)獲得人體電阻抗與PMI的關(guān)系，研制出一種智能型人體電阻抗測(cè)定儀，它可以自動(dòng)測(cè)量案發(fā)現(xiàn)場(chǎng)的人體阻抗和環(huán)境溫度，通過(guò)計(jì)算機(jī)采集、處理大量數(shù)據(jù)，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行平均，然后判斷PMI。因此，該儀器在法醫(yī)學(xué)、生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景。

2 系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)

整個(gè)系統(tǒng)由電源、開(kāi)關(guān)選頻、正弦波信號(hào)發(fā)生器、五路恒流源電路、人體電阻、直流比例放大器、緩沖器、交流放大器、雙單片機(jī)、系統(tǒng)時(shí)鐘、存儲(chǔ)器、微型打印機(jī)、液晶屏、RS232串行通信、PC機(jī)等組成。其系統(tǒng)框圖如圖1所示。

2.1 開(kāi)關(guān)選頻電路設(shè)計(jì)

開(kāi)關(guān)選頻電路由NE555定周期多諧振蕩器、74LS38反相器、CD4066模擬開(kāi)關(guān)以及ICL8038函數(shù)發(fā)生器組成，如圖2所示。在上電初期，C3電容未突變，所以NE555的2引腳為低電平，3引腳輸出高電平；通過(guò)74LS38兩級(jí)倒相6引腳輸出高電平，同時(shí)使CD4066的5引腳和12引腳獲得高電平。此時(shí)CD4066的3、4引腳接通，C1電容接地，ICL8038的2引腳輸出第一種頻率輸出：f1=0.15／RCl，其中，R=VRl+R1。

另一路CD4066的11、10引腳接通，5 V電壓通過(guò)R4，W1右端，對(duì)C3充電，充電時(shí)間數(shù)學(xué)式E=E(1-et/τ)，當(dāng)充電到2E／3時(shí)，NE555的6引腳復(fù)位，3引腳輸出低電平，通過(guò)74IS38一級(jí)倒相3引腳輸出高電平，使CD4066的13引腳獲得高電平，此時(shí)CD4066的1、2引腳接通，C2電容接地，ICL8038輸出另一種頻率：f2=0.15／RC2，此時(shí)C3的電壓通過(guò)W1左端，R5對(duì)7引腳放電，當(dāng)放電到E／3時(shí)，NE555的3引腳輸出高電平，重復(fù)上述過(guò)程，完成一個(gè)周期。其開(kāi)關(guān)周期為：

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。調(diào)節(jié)W1，可使占空比在2％～98％范圍內(nèi)變化，而周期不變，開(kāi)關(guān)周期要求20 s，所以RC時(shí)間常數(shù)很大，本系統(tǒng)占空比要求50％，用示波器很難觀察到，為了能觀察到系統(tǒng)50％的占空比，在調(diào)試時(shí)應(yīng)接入一只小容量的C4，調(diào)節(jié)W1中點(diǎn)移動(dòng)頭，使波形達(dá)到50％的占空比，然后再用短接片接通C3。

2.2 恒流源電路設(shè)計(jì)

直流恒流源電路是由5路電流負(fù)反饋電路組成，根據(jù)三極管特性曲線。當(dāng)確定三極管基極電流IB，通過(guò)三極管的β值放大，可確定集電極電流IC，由其輸出特性曲線可知，當(dāng)UCE電壓變化時(shí)，ICQ電流基本維持不變，利用這一特性設(shè)計(jì)恒流源電路，如圖3所示。

圖3中，T1～T5是由晶體管9012組成的5路恒流源電路，每路恒流源電路通過(guò)上偏置電阻R4和下偏置電阻R5把基極偏置成2.5 V電壓，這時(shí)9012發(fā)射極得到3 V電壓，5 V電源減去發(fā)射極3 V電壓再除以發(fā)射極電阻可得到恒定電流。5路恒流源分別輸出0.1 mA、0.01 mA、0.001 mA、0.1μA、0.1μA的恒流。如果設(shè)置5檔：2.5 kΩ、25 kΩ、250 kΩ、2.5 MΩ、25 MΩ，也就是說(shuō)前4檔最大電阻產(chǎn)生最大直流電壓為250 mV、第5檔產(chǎn)生最大電壓為2.5 V，前4檔最大電壓250 mV通過(guò)A4放大10倍后為2.5 V，第5檔最大電壓2.5 V通過(guò)A3緩沖跟隨也產(chǎn)生了2.5 V電壓。

第6檔和第7檔為交流檔，ICL8038函數(shù)發(fā)生器的2引腳每隔10 s輪流輸出兩種頻率f1和f2，這兩種頻率主要用于實(shí)驗(yàn)人體兩點(diǎn)間阻抗的誤差，輸出正弦波電壓通過(guò)A1放大器7引腳輸出，施加到T6、T7的恒流源電路的基極。引起基極電流變化，從而導(dǎo)致IC集電極電流變化。如果將該電流施加到人體電阻R上，那么人體就會(huì)產(chǎn)生交變電壓，回饋至后續(xù)A2交流放大器。

2.3 交流電壓測(cè)量電路設(shè)計(jì)

由運(yùn)算放大器A2和二極管D5、D6組成線性整流電路。D1、D2、D3、D4接運(yùn)算放大器A2的輸入端，實(shí)現(xiàn)過(guò)壓保護(hù)功能。C9是輸入端耦合電容，R11是運(yùn)算放大器A2的負(fù)反饋電阻，用于穩(wěn)定工作點(diǎn)。C13是充放電電容，并有隔直流作用。R15、VR4與D5、R13構(gòu)成分壓器，調(diào)節(jié)VR5可改變輸出電壓，供校正時(shí)使用R14、C14組成平滑濾波器。其工作原理：當(dāng)輸入信號(hào)電壓UX為正極性時(shí)，首先經(jīng)過(guò)運(yùn)算放大器A2進(jìn)行放大，再通過(guò)C13、D5、R13、VR4、R15、模擬地對(duì)C13充電。D5整流后的電壓施加到負(fù)載R14。當(dāng)UX為負(fù)極性時(shí)，此時(shí)經(jīng)過(guò)模擬地、R15、VR4、R12、D6、C13、A2，C13緩慢放電。整流后的電壓通過(guò)B1、B2運(yùn)算放大器比例放大，可分別輸出交流兩檔正弦電壓平均值，從而轉(zhuǎn)換為在交變電壓下通過(guò)人體變化的電阻抗。

該電路有兩個(gè)特點(diǎn)：第一，當(dāng)輸入交流電壓UX=0時(shí)，運(yùn)算放大器A2的輸出電壓也是0 V；第二，由于A2的放大作用，即使輸入信號(hào)較弱，也能保證D5、D6在較強(qiáng)信號(hào)下工作，避免了二極管在小信號(hào)檢波時(shí)引起的非線性失真。

3 單片機(jī)控制電路設(shè)計(jì)

3.1 單片機(jī)控制電路

本系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用兩片單片機(jī)AT89S52和STC89C51、時(shí)鐘器件DS1307、EEPROM存儲(chǔ)器AT24C256、溫度傳感器DS18B20、模數(shù)轉(zhuǎn)換器TLC549CP以及8D三態(tài)鎖存器74LS573。單片機(jī)硬件控制電路如圖4所示。

電路簡(jiǎn)述：AT89S52的P0口用于打印測(cè)量數(shù)據(jù)；TLC549用于模數(shù)轉(zhuǎn)換輸入，分別接AT89S52單片機(jī)P2.3、P2.4、P2.5；AT89S52單片機(jī)的：P3.3、P3.5作為模擬I2C總線接口與存儲(chǔ)器AT24C256連接；P3.4作為外部計(jì)數(shù)器輸入，用于頻率測(cè)量；AT89S52單片機(jī)的P3.0、P3.1用于與AT89S52之間的內(nèi)部通信并將數(shù)據(jù)通過(guò)RS-232接口傳輸給PC機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。

STC89C51單片機(jī)的P0和P1口用于液晶屏的驅(qū)動(dòng)信號(hào)；P1.6、P1.7、P3.2接時(shí)鐘器件DS1307；P2口作為鍵盤(pán)掃描輸入輸出口；P3口中的P3.0、P3.1用于與AT89S52之間的內(nèi)部通信；P3.6接溫度傳感器DS18B20，用于溫度測(cè)量；P3.7接蜂鳴器作為達(dá)到測(cè)量時(shí)間時(shí)報(bào)警。

3.2 單片機(jī)程序控制過(guò)程

本系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)采用模塊化設(shè)計(jì)方法。整個(gè)系統(tǒng)由初始化模塊、顯示模塊、菜單處理模塊、串口通信模塊、溫度測(cè)量模塊、時(shí)間處理模塊等模塊組成。上電后進(jìn)入系統(tǒng)初始化模塊，初始化完成后開(kāi)始運(yùn)行系統(tǒng)軟件。在執(zhí)行過(guò)程中，根據(jù)運(yùn)行流程分別調(diào)用各個(gè)功能模塊完成界面顯示、阻抗測(cè)量、時(shí)間測(cè)量、溫度測(cè)量、串口通信、計(jì)時(shí)等功能。其軟件設(shè)計(jì)流程圖如圖5所示。

系統(tǒng)啟動(dòng)后，首先初始化，初始化完成后系統(tǒng)處于鍵盤(pán)掃描狀態(tài)，當(dāng)掃描到有鍵按下時(shí)，執(zhí)行相關(guān)功能鍵程序。

定時(shí)測(cè)量時(shí)，程序按設(shè)定的時(shí)間間隔采樣，時(shí)鐘源由DS1307提供。采樣時(shí)間到達(dá)時(shí)，單片機(jī)讀取TLC549中的數(shù)據(jù)，讀出的數(shù)據(jù)先保存到外部存儲(chǔ)器AT24C256進(jìn)行相應(yīng)處理后送到液晶屏顯示。根據(jù)設(shè)定的時(shí)間循環(huán)采樣，當(dāng)定時(shí)時(shí)間到達(dá)時(shí)打開(kāi)蜂鳴器并返回定時(shí)測(cè)量起始入口，等待下一步操作。

打印機(jī)部分，當(dāng)相關(guān)測(cè)量操作結(jié)束后。需要打印測(cè)得數(shù)據(jù)時(shí)，按打印功能鍵進(jìn)入打印子程序。在打印時(shí)單片機(jī)先從AT24C256讀取數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)處理后，再送到打印機(jī)打印。

4 結(jié)束語(yǔ)

準(zhǔn)確判斷人體死亡時(shí)間是法醫(yī)界一個(gè)難題。通過(guò)多年法醫(yī)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐，有各種各樣的解決方案，但都不是十分準(zhǔn)確。本儀器是一種能夠迅速判斷人體死亡時(shí)間的新解決方案。通過(guò)對(duì)各種溫度下的尸體測(cè)量，準(zhǔn)確測(cè)量人體死后的各部位的電阻抗和阻抗變化率，建立尸體在不同溫度下隨時(shí)間變化的阻抗和阻抗變化率，從而采集大量數(shù)據(jù)。采集的數(shù)據(jù)通過(guò)統(tǒng)計(jì)、平均，建立標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)庫(kù)，并將現(xiàn)場(chǎng)采集數(shù)據(jù)與標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)。因此，本儀器為現(xiàn)場(chǎng)法醫(yī)迅速判斷人體死亡時(shí)間、明確案件性質(zhì)、劃定偵察范圍、確定犯罪嫌疑人以及案件重建。具有其重要價(jià)值。