經(jīng)典可穿戴醫(yī)療電路錦集！電子工程師設(shè)計必備

在智能硬件浪潮的推動下，可穿戴醫(yī)療設(shè)備成為各半導(dǎo)體廠商爭相追逐的藍(lán)海，并且隨著國內(nèi)醫(yī)患關(guān)系的緊張，醫(yī)務(wù)資源的短缺，發(fā)展可穿戴醫(yī)療設(shè)備的重要性越發(fā)凸顯出來。一款優(yōu)秀的可穿戴醫(yī)療電子產(chǎn)品必須在功耗、尺寸、性能等因素上有獨(dú)到的平衡方法，那具體到其內(nèi)部細(xì)節(jié)又如何去設(shè)計呢?小編特意整理了六篇可穿戴醫(yī)療電子電路圖，為工程師們提供有價值的參考方案。如要詳細(xì)了解更多可穿戴醫(yī)療電子方案，請關(guān)注電子發(fā)燒友《物聯(lián)網(wǎng)核心技術(shù)之通信》專題。

可穿戴型下肢助力機(jī)器人感知系統(tǒng)傳感電路設(shè)計

電路說明： 電路由檢測電路、信號放大電路和穩(wěn)壓電源電路組成。其中檢測電路由電阻RH、晶體管VT以及電阻R1、R2組成;信號放大電路由A1、RP1、RP2、 R3、R4、R6、R5、R8、VD3組成;穩(wěn)壓電源電路由VD1、VD2、R7、R9、R10、R11組成，為檢測電路提供2.5V的穩(wěn)壓電源。而電阻 RH可以采用硅電阻，因?yàn)楣柙?5攝氏度時響應(yīng)時間小于5S。 其中電路中采用了兩個TL431，TL431是一個有良好的熱穩(wěn)定性能的三端可調(diào)分流基準(zhǔn)源。它的輸出電壓用兩個電阻就可以任意地設(shè)置到從2.5V到 36V范圍內(nèi)的任何值。該器件的典型動態(tài)阻抗為0.2Ω，在很多應(yīng)用中可以用它代替齊納二極管，例如，數(shù)字電壓表，運(yùn)放電路、可調(diào)壓電源，開關(guān)電源等等。

電路原理： 當(dāng)傳感器穿戴身上時，由于溫度不同，使得傳感器的RH阻值也不同，這個電阻成為VT的基極偏流電阻。偏流電阻的不同，使基級的電流也不同，從而改變了VT 的集電極電流，也就改變了VT發(fā)射極電流，發(fā)射極的電流流經(jīng) R2，在R2上將發(fā)射極電流轉(zhuǎn)換成電壓，并將該電壓送到A1的同相輸入端，經(jīng)A1放大后輸出，并由VD3控制輸出電壓，使得輸出電壓在5V以內(nèi)。

可穿戴式心率信號采集預(yù)處理電路設(shè)計

心率信號采集預(yù)處理電路：脈搏信號采集預(yù)處理電路主要是將脈搏波轉(zhuǎn)換成電信號，并進(jìn)行初步高頻濾波預(yù)處理。其關(guān)鍵部分就是光電式脈搏傳感器。光電式脈搏傳感器按光的接收方式可分為透射式和反射式兩種。反射式不僅可以精確測得血管內(nèi)容積變化，而且在實(shí)際應(yīng)用中反射式 只需將傳感器接觸身體任何部位，當(dāng)照射部位的血流量隨心臟跳動而改變時，紅外線接收探頭便接收到隨心臟周期性地收縮和舒張的動脈搏動光脈沖信號，從而采集到心臟搏動信號。

分析：本設(shè)計采用了反射式紅外傳感器。光電式脈搏傳感器采用紅外對管KP-2012F3C和KP- 2012P3C，反射式排列。KP-2012F3C 具有良好的表皮照明度，電流一般設(shè)在20mA，亮度由軟件通過PWM電流來進(jìn)行控制，這樣能夠使紅外LED工作在飽和區(qū)域，發(fā)出穩(wěn)定光強(qiáng)的光。

脈搏信號采集預(yù)處理電路

KP-2012P3C晶體管采用交流耦合結(jié)構(gòu)來增強(qiáng)對微弱信號放大。經(jīng)晶體管檢測出來的信號采樣時分兩路。一路是直流信號線路。它是晶體管輸出經(jīng)射隨輸入單片機(jī)的A/D轉(zhuǎn)換通道口0，可用來檢測晶體管是否處于有效工作狀態(tài);另一路是交流信號線路。它是先經(jīng)一射極跟隨器輸入到兩級濾波成形電路然后再輸入單片機(jī)的A/D轉(zhuǎn)換通道1.該濾波電路為兩級帶通濾波電路，由于脈搏波的頻譜蘊(yùn)含豐富病理信息，特別是在5~40Hz這個區(qū)間的頻譜攜帶了大量與冠心病病 變有關(guān)的信息，故考慮到今后功能的擴(kuò)展，預(yù)處理電路的上下限頻率設(shè)計為48Hz和0.86Hz。

穿戴式血糖測試模塊電路分析

血糖測試電路分析：為了檢測葡萄糖氧化酶和葡萄糖反應(yīng)所生成的自由電子數(shù)，需要在電極兩端施加一固定偏壓，而后檢測該偏壓驅(qū)動自由電子產(chǎn)生的電流來計算血糖質(zhì)量濃度值。根據(jù)測試片上所涂化學(xué)材質(zhì)的不同，所需要的偏置電壓也不相同，本設(shè)計中該偏置電壓是由液晶驅(qū)動模 塊的VLL1引腳輸出的1V穩(wěn)壓通過電阻分壓而得，偏置電壓在273mV左右。正常人的血液與葡萄糖氧化酶反應(yīng)后生成的電流大小為nA至μA級別，為了能 將該電流量轉(zhuǎn)換成電壓量并且準(zhǔn)確測量出來，需要信號變換及電壓放大電路。 圖2所示是由比較器實(shí)現(xiàn)的放大電路，使用的是LL16芯片自身所帶的比較器模塊。比較器的正端接273mV的偏置電壓，該偏置電壓由LL16的LCD模塊 提供的VLL1通過R6、R5和R4三個電阻分壓而得，濾波電容C4是為了濾除VLL1自身帶有的高頻噪聲，以保證偏置電壓的穩(wěn)定。比較器的負(fù)端連接試紙 的酶電極，即四號引腳，電極上的自由電子在偏置電壓的驅(qū)動下定向流動，等效于一個電阻Rx，Rx阻值越小，血糖質(zhì)量濃度越高，計算出該等效電阻阻值同樣可 以計算出血糖質(zhì)量濃度值。

數(shù)據(jù)深入分析：待測電阻Rx的阻值范圍為18k Ω至300kΩ，3V電池供電最低電壓為2.3V左右，為了保證比較器的最大輸出不能超出最低供電電壓，要求放大電路的放大倍數(shù)不能過大，所以取R3為 120k Ω，這樣當(dāng)待測電阻為18kΩ時，放大電路的輸出電壓為2.1V，小于電池供電最低電壓。由于設(shè)計中放大電路的核心器件是比較器，此電路中比較器輸出為方 波信號，比較器輸出端的電阻R和電容C1就是一階低通濾波電路，可以將高頻方波中的諧波信號濾除，得到一個比較穩(wěn)定的直流信號;同樣為了避免比較器的輸出 不超過正端極限，R1取值不能過大，同時為了達(dá)到比較好的濾波效果，其取值也不能過小，所以取比較適中的15k Ω。為了盡可能的濾除高頻信號，C1的容值不能過小，但是如果C1取值過大，那么比較器負(fù)端就會有幅度比較大的紋波。經(jīng)過實(shí)際測試，C1取1 μF可以獲得比較好的整體效果。盡管R1和C1組成的濾波電路已經(jīng)對比較器的輸出信號進(jìn)行了一定程度的濾波，C1正端的信號仍有高頻紋波，為了保證血糖質(zhì)量濃度測量值的準(zhǔn)確度和一致性，R2和C2再一次對放大電路的輸出信號進(jìn)行濾波，由于是濾除高頻諧波，考慮到電容的最佳濾波頻率范圍，C2取10 μF，而R2取值10kΩ。

可穿戴醫(yī)療設(shè)備語音報警電路設(shè)計圖

語音報警電路： 電路如圖所示，主要由集成語音芯片ISD2560組成。ISD2560是Winbond公司生產(chǎn)的一款具有較強(qiáng)功能的語音錄放芯片，是一種永久記憶型語音 錄放電路，錄音時間為60s，可重復(fù)錄放10萬次。該芯片采用多電平直接模擬量存儲專利技術(shù)，能夠非常真實(shí)、自然地再現(xiàn)語音。通過事先錄制好的聲音，實(shí)現(xiàn)血壓測量值的自動聲音提示，如果血壓高出正常血壓的上下限值，還會發(fā)揮報警，提醒使用者就醫(yī)。具體做法：經(jīng)過一段時間(大概為正常人的一個月)的精確測 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)置為報警范圍，時時監(jiān)控佩戴者的血壓值，如果血壓超出正常范圍，則開始計時，將日期時間等數(shù)據(jù)都要記錄下來，如果超出正常范圍的時間超出五分鐘，則開始報警提醒，提示內(nèi)容為：尊敬的用戶您好，此時您的血壓偏高低，建議您立即進(jìn)行電壓測量，并服用相應(yīng) 的藥物!

可穿戴式人體呼吸狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)前置放大電路圖

人體呼吸信號具有生物電信號阻抗高、信號微弱、頻率低等特點(diǎn)，所以呼吸信號模擬測量電路中前置放大是整個信號放大電路設(shè)計中至關(guān)重要的環(huán)節(jié)，關(guān)系到 整個模擬采集部分的工作性能。前置放大器的選擇要考慮高輸入阻抗、低噪聲和低溫漂等要素。AD620是一種低功耗的儀用放大器，特別適合做小信號的前置放 大級，經(jīng)AD620放大后的小信號失真度很小，加一級AD620組成的前置放大，同樣可以把系統(tǒng)誤差控制在系統(tǒng)設(shè)計要求的范圍內(nèi)，前置放大電路如圖。

由于正弦信號發(fā)生器的輸出信號峰峰值在1V左右，和網(wǎng)絡(luò)負(fù)載串聯(lián)的取樣電阻上的電壓降很小，要對取樣后的信號進(jìn)行放大。運(yùn)用兩級放大，前置放大級使用 AD620。AD620是一種低功耗的儀用放大器，特別適合做小信號的前置放大級，經(jīng)AD620放大后的小信號失真度很小，加一級AD620組成的前置放 大，同樣可以把系統(tǒng)誤差控制在系統(tǒng)設(shè)計要求的范圍內(nèi)。