剖析可穿戴精密設(shè)計(jì)電路圖集錦

可穿戴在電子行業(yè)掀起爆炸性狂潮已是不爭(zhēng)的事實(shí)，而可穿戴醫(yī)療將是最先突圍的應(yīng)用之一。

更多你感興趣的醫(yī)療設(shè)計(jì)方案及熱點(diǎn)技術(shù)、高層觀點(diǎn)，以及新奇好玩的技術(shù)、工程師經(jīng)驗(yàn)談，盡在9月《智能醫(yī)療特刊》!

鑒于此，電子發(fā)燒友網(wǎng)專(zhuān)門(mén)整合了用于可穿戴醫(yī)療的設(shè)計(jì)電路圖，從MCU、傳感器、無(wú)線模塊、電源、語(yǔ)音報(bào)警系統(tǒng)幾個(gè)方面，剖析可穿戴哪些精密設(shè)計(jì)!

精密設(shè)計(jì)之MCU

基于EFM32TG840的便攜式心率計(jì)的設(shè)計(jì)

在消費(fèi)電子領(lǐng)域，便攜式電子產(chǎn)品由于體積小、質(zhì)量輕的特點(diǎn)越來(lái)越受到消費(fèi)者的喜愛(ài)，已成為人們生活中不可缺少的部分?；谶@個(gè)思路，我們?cè)O(shè)計(jì)了一款便攜式心率計(jì)，它可以替代用脈搏聽(tīng)診器等進(jìn)行測(cè)量的傳統(tǒng)方法，使用非常方便。該產(chǎn)品主要包括三個(gè)部分：信號(hào)的采集、數(shù)據(jù)處理以及LCD顯示和報(bào)警電路。

電壓跟隨器的輸入信號(hào)，即脈搏傳感器信號(hào)從V+端輸入，反饋電阻置零，構(gòu)成一個(gè)同相跟隨器，起到緩沖作用，隔離前后級(jí)的影響。心音脈搏放大器的功能是將mV級(jí)的心音信號(hào)放大到V級(jí)，以供顯示和記錄使用。

由于在實(shí)際應(yīng)用中，外界信號(hào)的干擾，以及考慮到放大器的穩(wěn)定性，一級(jí)放大器不能實(shí)現(xiàn)如此大的增益，所以電壓放大器一般由兩級(jí)組成。其中，前級(jí)采用負(fù)反饋 差動(dòng)放大電路，以提高共模信號(hào)抑制比。此部分的關(guān)鍵是如何抑制各種噪聲，避免讓噪聲竄入后級(jí)電路。因此在系統(tǒng)中，采用基于雙運(yùn)放電路的微功耗儀表放大器 LM358作為心音脈搏信號(hào)的前級(jí)放大器。為防止產(chǎn)生非線性失真以致?lián)p害電路的共模抑制比，該部分的放大倍數(shù)不宜過(guò)高，選擇為1000倍左右。

下面的部分主要包括單片機(jī)控制顯示電路以及驅(qū)動(dòng)蜂鳴器的報(bào)警，具體電路如圖4所示。

Elecfans技術(shù)編輯點(diǎn)評(píng)：本設(shè)計(jì)通過(guò)數(shù)?；旌想娐方Y(jié)合單片機(jī)控制的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了對(duì)心率信號(hào)的實(shí)時(shí)測(cè)定，并能發(fā)出警告。整個(gè)電路盡量考慮到各方面的因素，做到線路簡(jiǎn)單，減小電磁場(chǎng)干擾，充分利用軟件編程，彌補(bǔ)元器件的精度不足，另外由于引入了世界上超低功耗的ARM—EFM32，使得待機(jī)時(shí)間超長(zhǎng)，功能升級(jí)空間也很大，還可以以該設(shè)計(jì)為基礎(chǔ)加載其他功能，使其功能和結(jié)構(gòu)更加完善，擴(kuò)展至對(duì)人體其他生理狀態(tài)的測(cè)定。

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關(guān)注可穿戴醫(yī)療設(shè)計(jì)秘密，值得你花時(shí)間閱讀的設(shè)計(jì)攻略!

精密設(shè)計(jì)之傳感器

穿戴式多參數(shù)監(jiān)測(cè)智能系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)

傳感器負(fù)責(zé)測(cè)量心率、體溫等生命體征參數(shù)的采集?？紤]到本系統(tǒng)可穿戴式的特點(diǎn)，在傳感器的選型方面，盡量選用集成化，靈敏度和精度高的產(chǎn)品，這樣既能減少系統(tǒng)電路的面積，便于穿戴，又能提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。

血壓采集模塊采用Freescal公司生產(chǎn)的 MPXV5050GP壓電傳感器，將其置于衣袖中部肘關(guān)節(jié)內(nèi)側(cè)，這樣可以直接將動(dòng)脈血液對(duì)血管壁的壓力轉(zhuǎn)換為輸出電信號(hào)，具體電路如圖2所示。該傳感器采用離子注入工藝，內(nèi)部集成了放大器，濾波器等信號(hào)處理單元電路，外部只需要很少的元件即可工作。在輸出端輸出經(jīng)過(guò)放大和整形的電信號(hào)，這樣就直接將傳感器的輸出端接入ADμC7024內(nèi)部集成的12位ADC進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換。再經(jīng)過(guò)軟件處理得到血壓值。

體溫采集模塊采用Maxim公司的模擬溫度傳感器MAX6612檢測(cè)體表溫度。MAX6612采用5 PIN的SC70封裝，最大工作電流僅為35μA，具有功耗低、精度高、體積小的特點(diǎn)，并對(duì)ADC做了電路上的優(yōu)化，適合本系統(tǒng)的應(yīng)用。具體的體溫采集電路如圖4所示。

本系統(tǒng)采用藍(lán)牙模塊實(shí)現(xiàn)與內(nèi)嵌藍(lán)牙功能的外部設(shè)備的數(shù)據(jù)交換。為減小系統(tǒng)體積、減輕系統(tǒng)質(zhì)量和降低功耗，本藍(lán)牙模塊采用Class-2設(shè)計(jì)方案，USB輸出，傳輸距離為10 m，支持藍(lán)牙2.0版本協(xié)議能夠滿足系統(tǒng)的需求。藍(lán)牙芯片采用CSR公司的BC417413，芯片內(nèi)部集成了8 MB閃存，主要存放的是基帶、鏈路管理層和主機(jī)控制接口的軟件，還包括一些API，用于對(duì)芯片進(jìn)行配置。前端射頻帶通濾波器選用MDR771F-CSR- T，巴倫采用TDK公司的HHM-1517完成系統(tǒng)的差分射頻信號(hào)和天線輸入輸出信號(hào)之間的轉(zhuǎn)換。具體設(shè)計(jì)方案原理圖如圖5所示。

Elecfans技術(shù)編輯點(diǎn)評(píng)：系統(tǒng)將傳感器、織物電纜和柔性電路板有機(jī)結(jié)合到服裝中，實(shí)現(xiàn)了在日常生活以及作業(yè)環(huán)境下對(duì)多生理參數(shù)的動(dòng)態(tài)、協(xié)同監(jiān)測(cè)，具有生理信號(hào)檢測(cè)、信號(hào)特征提取功能，并利用藍(lán)牙技術(shù)完成數(shù)據(jù)的備份，以便于進(jìn)一步分析，也可以利用具有藍(lán)牙功能的通信設(shè)備，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程醫(yī)療服務(wù)等功能。

可穿戴腕式電子血壓計(jì)傳感電路設(shè)計(jì)圖

電路原理：本電路采用BP01型壓力傳感器和運(yùn)放MAX4472。BP01型壓力傳感器是為檢測(cè)血壓而專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)的，主要用于便攜式電子血壓計(jì)。它采用精密厚膜陶瓷芯片和尼龍塑料封裝，具有高線性、低噪聲和外界應(yīng)力小的特點(diǎn);采用內(nèi)部標(biāo)定和溫度補(bǔ)償方式，提高了測(cè)量精度、穩(wěn)定性和重復(fù)性，在全量程范圍內(nèi)，精度為±1%、零點(diǎn)失調(diào)不大于±300μV。MAX4472是MAXIM公司的一款集成了四個(gè)運(yùn)算放大器的低功耗放大芯片。本系統(tǒng)中內(nèi)部集成運(yùn)放 A接恒流源，為壓力傳感器提供恒定的電流，運(yùn)放B和運(yùn)放C，運(yùn)放D組成差分輸入、單端輸出放大電路，直接輸入ADC0監(jiān)視血壓直流分量。

Elecfans技術(shù)編輯點(diǎn)評(píng)：電子血壓計(jì)手掌大小，外形與手腕間隙更小的碗帶，抗菌材料制作，數(shù)字顯示血壓及脈搏數(shù)。可穿戴腕式血壓計(jì)由于所測(cè)的壓力值為腕動(dòng)脈“脈搏壓力值”，對(duì)于大多數(shù)中、老年人，特別是血液粘稠度高者、微循環(huán)不佳者、血管硬化癥患者等較特殊的人群，用可穿戴腕式血壓計(jì)與用上臂式血壓計(jì)多次測(cè)量的平均值之間，會(huì)有較大的差別——相差±1·3kPa(10mmHg)以上是很常見(jiàn)的。

精密設(shè)計(jì)之電源

555 定時(shí)器是一種模擬和數(shù)字功能相結(jié)合的中規(guī)模集成器件。用雙極性工藝制作的稱(chēng)為 555，用 CMOS 工藝制作的稱(chēng)為7555，除單定時(shí)器外，還有對(duì)應(yīng)的雙定時(shí)器 556/7556。555 定時(shí)器的電源電壓范圍寬，可在 4.5V~16V 工作，7555 可在3~18V 工作，輸出驅(qū)動(dòng)電流約為 200mA，因而其輸出可與 TTL、CMOS 或者模擬電路電平兼容。 555 定時(shí)器成本低，性能可靠，只需要外接幾個(gè)電阻、電容，就可以實(shí)現(xiàn)多諧振蕩器、單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器及施密特觸發(fā)器等脈沖產(chǎn)生與變換電路。它也常作為定時(shí)器廣泛應(yīng)用于儀器儀表、家用電器、電子測(cè)量及自動(dòng)控制等方面。它內(nèi)部包括兩個(gè)電壓比較器，三個(gè)等值串聯(lián)電阻，一個(gè) RS 觸發(fā)器，一個(gè)放電管 T 及功率輸出級(jí)。

Elecfans技術(shù)編輯點(diǎn)評(píng)：電路能自動(dòng)檢測(cè)有無(wú)接收部分工作，只有檢測(cè)到確有接收器在工作，它才會(huì)連續(xù)輻射無(wú)線電能，否則就始終只工作在低能耗的檢測(cè)狀態(tài)。發(fā)射部分采用CMOS電路與場(chǎng)效應(yīng)管的組合，這種組合不僅效率高，而且控制也簡(jiǎn)單易行。發(fā)射線圈采用李茲線和蛛網(wǎng)式繞法，以取得較高的變換效率。

精密設(shè)計(jì)之語(yǔ)音報(bào)警系統(tǒng)

語(yǔ)音報(bào)警電路：主要由集成語(yǔ)音芯片ISD2560組成。一款具有較強(qiáng)功能的語(yǔ)音錄放芯片，是一種永久記憶型語(yǔ)音錄放電路，錄音時(shí)間為60s，可重復(fù)錄放10萬(wàn)次。該芯片采用多電平直接模擬量存儲(chǔ)專(zhuān)利技術(shù)，能夠非常真實(shí)、自然地再現(xiàn)語(yǔ)音。通過(guò)事先錄制好的聲音，實(shí)現(xiàn)血壓測(cè)量值的自動(dòng)聲音提示，如果血壓高出正常血壓的上下限值，還會(huì)發(fā)揮報(bào)警，提醒使用者就醫(yī)。具體做法：經(jīng)過(guò)一段時(shí)間(大概為正常人的一個(gè)月)的精確測(cè)量，在電腦上處理數(shù)據(jù)，得到血壓的正常范圍，將其上下限設(shè)置為報(bào)警范圍，時(shí)時(shí)監(jiān)控佩戴者的血壓值，如果血壓超出正常范圍，則開(kāi)始計(jì)時(shí)，將日期時(shí)間等數(shù)據(jù)都要記錄下來(lái)，如果超出正常范圍的時(shí)間超出五分鐘，則開(kāi)始報(bào)警提醒，提示內(nèi)容為：尊敬的用戶您好，此時(shí)您的血壓偏高低，建議您立即進(jìn)行電壓測(cè)量，并服用相應(yīng)的藥物!