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基于 Arduino Nano R3 的小型便携测谎仪（接线图+代码）

来源：电路城

2021-11-23

类别：健康医疗

拍明

原标题：基于 Arduino Nano R3 的小型便携测谎仪（接线图+代码）

基于Arduino Nano R3的小型便携测谎仪：从原理到实践的深度解析

引言：测谎仪的科学基础与项目背景

测谎仪的核心原理基于人体皮肤电导性（Electrodermal Activity, EDA）的变化。当人类处于紧张、焦虑或情绪波动时，交感神经系统会激活汗腺分泌，导致皮肤电阻降低、导电性增强。这一生理现象为简易测谎仪提供了理论依据：通过测量皮肤电阻的瞬时波动，结合基线数据对比，可初步判断被测者是否存在情绪异常。

本项目旨在利用Arduino Nano R3开发板，结合低成本传感器与外围电路，构建一款便携式测谎仪。该设备通过采集手指与电极间的电压信号，经算法处理后以LED指示灯与蜂鸣器反馈结果。需强调的是，本设计仅为教育实验用途，其准确性受限于单一传感器与简易算法，无法替代专业测谎设备。

硬件设计：核心元器件选型与功能解析

1. 主控芯片：Arduino Nano R3

选型依据：

尺寸优势：Nano R3采用紧凑型设计（45mm×18mm），集成ATmega328P微控制器，具备14个数字I/O口与6个模拟输入口，适合便携式设备。
低功耗特性：工作电压5V，待机电流低于10mA，适合电池供电场景。
开发友好性：兼容Arduino IDE，支持快速原型开发。

核心功能：

读取模拟输入引脚（A0）的电压信号，通过ADC（模数转换器）将模拟量转换为数字量（0-1023）。
控制LED指示灯与蜂鸣器输出，实现结果可视化反馈。
通过串口通信将原始数据上传至计算机，供进一步分析。

2. 传感器模块：皮肤电导电极

选型依据：

材料选择：采用镀锡铜箔（厚度0.1mm）与魔术贴（维可牢尼龙搭扣）结合，确保电极与皮肤接触稳定且可重复使用。
接触电阻优化：铜箔表面镀锡可降低氧化风险，魔术贴的钩面结构增加皮肤接触面积，减少接触阻抗。

功能实现：

将人体手指与电极间的微弱电流信号转换为电压信号，通过分压电路接入Arduino模拟输入引脚。
电极设计需避免金属疲劳与皮肤过敏，建议采用医用级导电凝胶增强信号稳定性。

3. 信号调理电路：分压电阻与滤波电容

元器件选型：

分压电阻（2kΩ）：

作用：与人体电阻（通常为100kΩ-1MΩ）构成分压网络，将皮肤电导变化转换为Arduino可识别的电压范围（0-5V）。
选型依据：2kΩ阻值可平衡信号灵敏度与抗干扰能力，避免过高阻值导致信号衰减或过低阻值增加功耗。

滤波电容（0.1μF陶瓷电容）：

作用：并联于模拟输入引脚与地之间，滤除高频噪声（如电源纹波、电磁干扰）。
选型依据：0.1μF电容兼顾高频噪声抑制与信号响应速度，避免引入相位延迟。

4. 反馈模块：LED指示灯与无源蜂鸣器

LED指示灯选型：

绿色LED（D2）：指示设备就绪状态，低电平点亮。
橙色LED（D3）：表示基线数据采集完成，低电平点亮。
红色LED（D4）：检测到异常波动时闪烁，高电平驱动。

无源蜂鸣器选型：

型号：SMT-0540S25P（5V工作电压，频率2.7kHz）。
驱动方式：通过Arduino PWM引脚（D9）输出方波信号，控制蜂鸣器发声频率与持续时间。

5. 电源模块：移动电源与稳压电路

供电方案：

主电源：采用5V/2A移动电源，通过Micro-USB接口直接供电。
备用方案：若需独立供电，可选用AMS1117-5.0稳压芯片将9V电池降压至5V，输出电流可达1A。

稳压电路设计：

输入滤波：并联100μF电解电容与0.1μF陶瓷电容，抑制电源纹波。
输出保护：串联10Ω限流电阻，防止短路损坏稳压芯片。

电路设计：原理图与接线说明

1. 核心电路连接

模拟输入端：

A0引脚 → 2kΩ电阻 → GND（分压下端）。
2kΩ电阻与铜箔电极串联，构成分压网络。

数字输出端：

D2（绿色LED）→ 220Ω限流电阻 → GND。
D3（橙色LED）→ 220Ω限流电阻 → GND。
D4（红色LED）→ 220Ω限流电阻 → GND。
D9（PWM输出）→ 无源蜂鸣器 → GND。

电源端：

VIN引脚 → 移动电源5V输出。
GND引脚 → 移动电源地。

2. PCB布局优化

信号层：模拟信号线（A0）与数字信号线（D2-D4）分层布线，间距≥2mm，避免交叉干扰。
电源层：5V与GND采用大面积铺铜，降低阻抗。
接地设计：模拟地与数字地通过0Ω电阻单点连接，抑制地环路噪声。

软件设计：算法逻辑与代码实现

1. 核心算法流程

基线采集：

提问被测者姓名、年龄等中性问题，连续采集10秒数据，计算平均值作为基线电压（V_base）。

实时监测：

每100ms读取一次A0引脚电压（V_current），计算波动率：

若波动率超过阈值（如15%），触发红色LED闪烁与蜂鸣器报警。

复位机制：

按下复位按键后，重新采集基线数据。

2. 代码实现（Arduino IDE）

// 引脚定义
const int ledGreen = 2;    // 绿色LED（就绪）
const int ledOrange = 3;   // 橙色LED（基线完成）
const int ledRed = 4;      // 红色LED（异常）
const int buzzer = 9;      // 无源蜂鸣器
const int sensorPin = A0;   // 模拟输入引脚

// 全局变量
float V_base = 0.0;        // 基线电压
bool baselineReady = false; // 基线采集完成标志

void setup() {
pinMode(ledGreen, OUTPUT);
pinMode(ledOrange, OUTPUT);
pinMode(ledRed, OUTPUT);
pinMode(buzzer, OUTPUT);
Serial.begin(9600);      // 初始化串口通信
digitalWrite(ledGreen, HIGH); // 设备就绪指示灯
delay(2000);
}

void loop() {
if (!baselineReady) {
// 基线采集阶段
float sum = 0.0;
for (int i = 0; i < 100; i++) {
sum += analogRead(sensorPin);
delay(100);
}
V_base = sum / 100 * (5.0 / 1023.0); // 转换为实际电压
baselineReady = true;
digitalWrite(ledOrange, HIGH); // 基线完成指示灯
delay(2000);
} else {
// 实时监测阶段
int sensorValue = analogRead(sensorPin);
float V_current = sensorValue * (5.0 / 1023.0);
float fluctuation = abs(V_current - V_base) / V_base * 100.0;

if (fluctuation > 15.0) { // 阈值设为15%
digitalWrite(ledRed, HIGH);
tone(buzzer, 2700); // 2.7kHz蜂鸣声
delay(500);
digitalWrite(ledRed, LOW);
noTone(buzzer);
delay(500);
} else {
noTone(buzzer);
}

// 串口输出数据（调试用）
Serial.print("Current Voltage: ");
Serial.print(V_current);
Serial.print("V, Fluctuation: ");
Serial.print(fluctuation);
Serial.println("%");
}
}