Top1? 可穿戴型下肢助力機器人感知系統傳感電路

　　電路原理： 電路由檢測電路、信號放大電路和穩壓電源電路組成。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的穩壓電源。而電阻 RH可以采用硅電阻，因為硅在25攝氏度時響應時間小于5S。 其中電路中采用了兩個TL431，TL431是一個有良好的熱穩定性能的三端可調分流基準源。它的輸出電壓用兩個電阻就可以任意地設置到從2.5V到 36V范圍內的任何值。該器件的典型動態阻抗為0.2Ω，在很多應用中可以用它代替齊納二極管，例如，數字電壓表，運放電路、可調壓電源，開關電源等等。

　　當傳感器穿戴身上時，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發射極電流，發射極的電流流經 R2，在R2上將發射極電流轉換成電壓，并將該電壓送到A1的同相輸入端，經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。

　　Top2 ?可穿戴式人體呼吸狀態監測系統前置放大電路

　　電路原理：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，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計中至關重要的環節，關 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，同樣可以把系統誤差控制在系統設計要求的范圍內，前置放大電路如圖。

　　由于正弦信號發生器的輸出信號峰峰值在1V左右，和網絡負載串聯的取樣電阻上的電壓降很小，要對取樣后的信號進行放大。運用兩級放大，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，同樣可以把系統誤差控制在系統設計要求的范圍內。

　　Top3? 基于MSP430便攜式心率測量系統電路

　　HRV測量系統與常見的健身設備心率測量系統相似。測量心率的常用技術有兩種：一種基于心電圖 （EKG），另一種則基于光脈沖拾波器（如同在脈搏血氧計系統中那樣）。EKG是最常用的技術，因為它在任何情況下都能夠為配戴者提供可靠的性能，不管用 戶處在何種狀態（例如：搖動或休息）都不受影響。這種系統需要將電極連接至用戶的胸部或手臂。EKG易于開發且能連續工作，主要是因為EKG信號的幅度通 常為1 mV。借助新式低成本電子器件，對該過程的操控已變得的相當簡單。在現用的EKG型心率測量設備中，胸帶運動手表是一個很好的例子。

　　一個采用MSP430G2452的EKG型心率測量系統的參考設計。

　　該電路可輕松擴展以執行HRV測量。計算HRV的另一種方法是采用常常和脈搏血氧計一起使用的技術來測量心率。為基于脈搏血氧計技術的光脈沖拾波器系統。
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　　Top4 穿戴式醫療監測智能系統與藍牙模塊電路圖

　　監測傳感器電路原理：在輸出端輸出經過放大和整形的電信號，這樣就直接將傳感器的輸出端接 入ADμC7024內部集成的12位ADC進行模數轉換。再經過軟件處理得到血壓值。該傳感器采用離子注入工藝，內部集成了放大器，濾波器等信號處理單元 電路，外部只需要很少的元件即可工作。考慮到本系統可穿戴式的特點，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品，這樣既能減少系統電路的 面積，便于穿戴，又能提高系統的穩定性和可靠性。

　　血壓采集模塊采用MPXV5050GP壓電傳感器，將其置于衣袖中部肘關節內側，這樣可以直接將動脈血液對血管壁的壓力轉換為輸出電信號，具體電路如圖所示。

　　藍牙模塊電路原理：本系統采用藍牙模塊實現與內嵌藍牙功能的外部設備的數據交換。為減小系統體積、減輕系統質量和降低功耗，本藍牙模塊采用Class-2設計方案，USB 輸出，傳輸距離為10 m，支持藍牙2．0版本協議能夠滿足系統的需求。藍牙芯片采用CSR公司的BC417413，芯片內部集成了8 MB 閃存，主要存放的是基帶、鏈路管理層和主機控制接口的軟件，還包括一些API，用于對芯片進行配置。前端射頻帶通濾波器選用MDR771F- CSR- T，巴倫采用TDK公司的HHM-1517完成系統的差分射頻信號和天線輸入輸出信號之間的轉換。具體設計方案原理圖如圖5所示。

　　Top5? 可穿戴腕式電子血壓計傳感電路

　　電路原理：本電路采用BP01型壓力傳感器和運放MAX4472。BP01型壓力傳感器是為檢測血壓而專門 設計的，主要用于便攜式電子血壓計。它采用精密厚膜陶瓷芯片和尼龍塑料封裝，具有高線性、低噪聲和外界應力小的特點；采用內部標定和溫度補償方式，提高了 測量精度、穩定性和重復性，在全量程范圍內，精度為±1%、零點失調不大于±300μV。MAX4472是MAXIM公司的一款集成了四個運算放大器的低 功耗放大芯片。本系統中內部集成運放A 接恒流源，為壓力傳感器提供恒定的電流，運放B和運放C，運放D組成差分輸入、單端輸出放大電路，直接輸入ADC0 監視血壓直流分量。

　　Top6 可穿戴醫療設備語音報警電路

　　電路原理： 電路如圖所示，主要由集成語音芯片ISD2560組成。ISD2560是Winbond公司生產的一款具有較強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，可重復錄放10萬次。該芯片采用多電平直接模擬量存儲專利技術，能夠非常真實、自然地再現語音。通過事先錄制好的聲音，實現 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，還會發揮報警，提醒使用者就醫。具體做法：經過一段時間（大概為正常人的一個月）的精確測 量，在電腦上處理數據，得到血壓的正常范圍，將其上下限設置為報警范圍，時時監控佩戴者的血壓值，如果血壓超出正常范圍，則開始計時，將日期時間等數據都 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，提示內容為：尊敬的用戶您好，此時您的血壓偏高低，建議您立即進行電壓測量，并服用相應 的藥物！

　　Top7? 常見可穿戴血壓計電路

　　電路原理：用 BP01構成的便攜式電子血壓計的原理電路如圖所示，它由偏置電源電路（A1、A2）、前置處理電路（A3～A6）、顯示電路（A7）和壓力傳感器 （BP01）組成，該血壓計的血壓測量范圍為0～200mmHg，分辨率為0．1mmHg，工作電源為一節9V迭層電池。現將血壓計中各主要電路的工作原 理分述如下：

　　偏置電源電路：電源電路由帶有內置參考電壓的雙運放LM10組成，A1構成同相放大器，A2構成跟隨器，它們的作用是將內置的參考電壓放大后用作壓力傳感器BP01的偏置 電壓Vs，其Vs的值由下式決定：Vs＝Vref（1＋R2／R3） 式中：Vref為LM10的內置參考電壓。其值為200mV，將此值連同電路中的R2和R3的值代入上式即可求得偏置電壓Vs的值為5V。

　　前置處理電路：前 置處理電路由A3～A6四個運算放大器組成，其中A3構成失調偏置電路以對電路失調進行補償;A5構成跟隨器，用于對壓力傳感器BP01的輸出信號進行隔 離緩沖;A4、A6構成放大電路，其增益 AV由下式決定AV＝1＋（R1／RT） 若忽略失調，前置處理電路的輸出電壓Vout為： Vout＝2（1＋R1／RT）VIN 式中：VIN為壓力傳感器BP01的輸出電壓。

　　顯示電路：顯示電路選用三位半的顯示驅動器。工作時，壓力傳感器BP01的輸出經前置處理電路放大后，由顯示驅動電路來驅動LCD，以讀出測量的血壓值。

　　Top8? 可穿戴脈搏測試儀模塊電路　

? 　? 有源濾波電路： 由于放大后的脈搏信號同時還含有雜波，須進行濾波。由于脈搏信號頻率約在1Hz左右，而干擾最大的信號為50Hz。可采用二階壓控有源低通濾波電路，其上限頻率設成為20Hz，電路如圖所示，其中R值均為24k，電容值為330pf。

　　整形電路： 利用555觸發器連接成整形電路，電路的上限頻率為8v，小限頻率為4v，電路如圖所示。

　　計數、譯碼、顯示電路： 本電路的作用是將整形電路得到的脈沖信號進行計數，以十進制的形式通過數碼管顯示出來，計數器用74ls160，鎖存器用74hc373，數碼管用7SEG—BCD，電路如圖所示。

　　定時器電路： 電路采用555定時器構成單穩態觸發器，產生1min基準時間。電路如圖5 所示，其中R1=3M，R31=10k，C2=0.01uF，C1=17.7uF。

　　電路運行正常，能測試出一分鐘的脈搏數。由于此電路的基準時間是1min，測試時間較長，可以在電路中加入倍頻器，在較短的時間內完成測試，但是這樣測 量誤差較大。脈搏測試儀主要是由兩個大的部分組成，模擬的信號放大濾波整形部分和數字的計數譯碼顯示部分，數字部分需要對每個集成塊的功能要有明確的認 識，這樣才不會把電路連錯同時也會為電路的簡化和設計有很大的幫助。相比之下模擬部分除了要對電路的功能熟悉和理解以為還需要結合實際的情況來確定各個元 器件的參數，同時要避免失真。 在做運放的時候，若開始選的是AD620這個運放器很難實現運放，用LM324構成了方向比例放大電路，才比較好。

　　Top9? 穿戴式血糖測試模塊電路圖

　　電路原理：為了檢測葡萄糖氧化酶和葡萄糖反應所生成的自由電子數，需要在電極兩端施加一固定偏壓， 而后檢測該偏壓驅動自由電子產生的電流來計算血糖質量濃度值。根據測試片上所涂化學材質的不同，所需要的偏置電壓也不相同，本設計中該偏置電壓是由液晶驅 動模塊的VLL1引腳輸出的1V穩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后生成的電流大小為nA至μA級別，為 了能將該電流量轉換成電壓量并且準確測量出來，需要信號變換及電壓放大電路。 圖2所示是由比較器實現的放大電路，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定。比較器的負端連接試紙 的酶電極，即四號引腳，電極上的自由電子在偏置電壓的驅動下定向流動，等效于一個電阻Rx，Rx阻值越小，血糖質量濃度越高，計算出該等效電阻阻值同樣可 以計算出血糖質量濃度值。

　　數據深入分析：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不能過大，所以取R3為 120k Ω，這樣當待測電阻為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，那么比較器負端就會有幅度比較大的紋波。經過實際測試，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對比較器的輸出信號進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 量濃度測量值的準確度和一致性，R2和C2再一次對放大電路的輸出信號進行濾波，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。

　　Top10 采用MSP430單片機的可穿戴式血糖儀電路

　　血糖測試電路原理：在酶電極兩端滴入血液后，會產生自由電子。由于電極兩端存在激勵電壓，就會有定向電流流過電極。該激勵電壓是由ADC模塊提供的1.5V穩壓通過電阻分壓而 產生的，大約在300mV左右，它能產生μA級別的定向電流。由于A/D轉換模塊測量的是電壓，所以需要將該定向電流轉換成電壓，并且進行一定的放大。本 系統采用圖2所示的電路來實現電流到電壓的轉換和放大。運算放大器LM358的反相端連接血糖試紙上的 酶電極，當有血液滴入時，該電極與地之間為等效電阻 Rx，流過該電阻的電流正比于血液中的血糖濃度值。

　　MSP430的A/D模塊輸出1.5V的穩壓通過R2 和R3分壓，產生300mV的激勵電壓，該電壓通過運放的正端加到電極兩端。R4起到反饋放大的作用，它將運放的輸出范圍限定在A/D模塊的轉換范圍內。 在PCB板布線時，由于運放輸出和MSP430的ADC模塊輸入I/O口之間的走線比較長，為了確保測量值的準確，需要對測試電壓進行濾波，C21就是用 來起濾波作用的，以減少走線過長所引入的外來干擾對血糖測試的影響。而運放直接接電容負載容易引起輸出震蕩，R14的作用就是隔離運放和電容。由于電阻 R14上會有電流流過，這樣電阻兩端就有壓降存在，電壓信號會受此影響而變化，為了不影響血糖測試的精度，R14 的值不能取得過大。跟據經驗值取50Ω。

　　溫度檢測電路：由于血糖測試是利用生物電化學反應，而影響 該反應的重要因素是溫度。在不同的溫度下，葡萄糖氧化酶的活性不同。即使是相同血糖濃度的血液，采用相同的激勵電壓，在不同溫度下，由葡萄糖氧化酶氧化產 生的電流大小也不同。所以需要根據溫度進行補償以獲得正確的血糖濃度值。當溫度過高或過低時，葡萄糖氧化酶就會完全失去活性，此時血糖儀需要給出報警，提 示用戶儀表不能在該溫度下進行操作，避免得出錯誤的檢測值。溫度測試電路如圖3所示。

　　圖中，R9是熱敏電阻ET833，該電阻具有負溫度特性。 R10是阻值為83k Ω的高精電阻。R9上 端接的是由MSP430的A/D轉換模塊輸出的 1.5V穩壓，由 于該1.5V穩壓也是 A/D轉換模塊的參考電壓，因此這種接法能夠消除A/D參考電壓抖動所引起的轉換誤差。血糖儀正常工作時，通過測得P6.1端口的電壓，計算出熱敏電阻 R9的大小，然后根據ET833的特型曲線，推算出溫度值，以進行溫度補償。

　　數據存儲電路：為了方便用戶能隨時查看血糖的變化情況，本血糖儀具有存儲血糖值的功能。用戶不僅能查詢每次測量的歷史值，還能夠查詢最近28d內的血糖值的變化趨勢，根據血糖變化趨勢，制定正確的用藥方式，達到控制血糖濃度的目的。

　　本系統最多能夠存儲1000個歷史數據，每個歷史數據需要8B來保存，數據包含血糖值濃度及測試日期這兩個信息，這樣就需要8000B的存儲空間。 24LC64是微芯公司出產的一片E2 PROM芯片，能夠存儲8KB，因此選取一塊24LC64芯片即足夠。E2 PROM和單片機之間的具體接線方式如圖所示，P4.0～P4.3都是MSP430的數字I/O口。P4.1是寫保護引腳，用來避免由于外部干擾或者程序 出錯對EPROM的誤寫操作。P4.2和P4.3是24LC64和MSP430進行通信的連接口。P4.0用于對24LC64供電，利用I/O口對該芯片 供電的目的是為了降低系統運行時的整體功耗，此外，還節省了電子開關，降低了成本，有利于布線。

　　Top11 可穿戴緊急呼叫器電路

　　當某一路有呼叫信號輸入時，該信號會被送到編碼器（74LS148）中進行編碼，編碼器信號經過反相器（74LS04），經驅動芯片 （CD4511）輸出到顯示電路，顯示這一路的編碼。同時觸發單穩態電路，產生2s的高電平，使多諧振蕩器工作，使LED和蜂鳴器產生2S警報信號，報警 狀態可以通過手動按鍵消除。 八路呼叫器的電路主要由編碼/鎖存/譯碼/顯示電路、單穩態電路、報警電路/手動控制電路組成。 其中，CD4511是自帶鎖存功能的七段數碼管驅動芯片。

　　編碼/鎖存/譯碼/顯示電路

　　電路原理： 電路由按鍵、8-3線優先編碼器74LS148、反相器 74LS04、驅動器CD4511、七段數碼管及保護電阻構成。 當J1至J8中某一個按鍵按下時，表明該路有呼叫。在74LS148的輸出端有相應的編碼（反碼）輸出。通過反相器輸入CD4511譯碼驅動數碼管顯示相 應的按鍵數。例如，當J3按鍵按下時，表明J3所在的這一路有呼叫，這時J3的低電平輸入74LS148進行編碼。經反相器74LS04反相后輸入 CD4511譯碼驅動，數碼顯示器顯示數碼2. 顯示電路只需要將CD4511鎖存端EL 連接到單穩態觸發器輸出端，即可實現顯示電路顯示相應時間（EL高電平鎖存）。注釋： 因為74LS148只能編碼0—7，而使用74LS30（8與非）經反相器連接CD4511 A4引腳，可將輸出的“0”的以“8”顯示在數碼管上。

　　延時2S報警電路

　　電路原理： 電路由按鍵、8與非門74LS30、單穩態電路、與非門74LS04、反相器、多諧振蕩器、LED和蜂鳴器組成。 當J1至J8 中某一個按鍵按下時，表明該路有呼叫。使得74LS30輸出高電平，經反相器，產生低電平觸發單穩態電路，產生2S高電平延時，經兩個反相觸 發多諧振蕩器4 RST引腳，使其振蕩，從而控制LED和蜂鳴器工作，產生警報。 其中，手動消除警報電路，由鎖存器74LS374，與非門74LS00構成，在 2S期間可手動使多諧振蕩器4 RST引腳置低，從而不工作，即消除警報。

　　報警電路/手動控制電路

　　電路原理：電路由按鍵、2輸入四與門74LS00、六反相器74LS04、三極管、LED發光二級管以及保護電阻構成。 此處LED燈極為模擬的簡要報警裝置。當按鍵按下時低電平輸入經反相器使其清零，LED燈熄滅。 其中J9、R17、VCC、GND實際中被74LS374等效代替，實現 2S期間手動消除警報功能。

　　Top12 ?可穿戴立體眼鏡電路

　　立體眼鏡是一個穿透液晶鏡片，通過電路對液晶片開、關的控制，開可以控制眼鏡鏡片全黑，以便遮住一眼圖像；關可以控制眼鏡鏡片為透明的，以便另 一眼看到另一眼該看到的圖像。立體電視模仿真實的狀況，使左、右眼畫面連續互相交替顯示在屏幕上，并同步配合立體眼鏡，加上人眼視覺暫留的生理特性，就可 以看到較為真實的立體圖像。電路系統圖：

　　紅外接收電路：為了使系統更加穩定地接收和傳送信號，實際的電路中我們又外加了一系列保護措施，RM38A的最大接收距離約為15m，受控范圍-40～+40deg。

　　控制信號產生電路：控 制信號產生電路是本系統的核心電路。 立體電視的50Hz的同步信號通過紅外接收電路傳送至此單元后，要求本部分電路將其作為同步觸發信號（sClk）的同時，利用EPM1270T144C5 芯片和其外部50MHz有源晶振（MinClk）產生三個控制信號，即左眼控制信號（lCtrl）、右眼控制信號（rCtrl）和公共端控制信號 （comCtrl）。 其中的8位撥動開關用于改變延時時間和開關頻率，LED顯示則用于信號的輸出指示。

　　開關液晶片：本 次設計所用的液晶片是TN（扭曲向列型）液晶片，它的電光特性曲線。該類液晶片在沒有電場的情況下讓光透過，加上電場的時候光被關斷，因此叫做常通型光開 關，又叫做常白模式。若外加電場高于2V時，則構成常黑模式。 開關液晶片在這兩種模式之間的轉換是需要時間的，轉換為了不影響觀看時的效果這就體現在后面的延時程序中。

　　Top13 ?可穿戴式心率信號采集預處理電路

　　心率信號采集預處理電路：脈搏信號采集預處理電路主要是將脈搏波轉換成電信號，并進行初步高頻濾波預處理。 其關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容積變化，而且在實際應用中反 射式只需將傳感器接觸身體任何部位，當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。

　　電路原理：本設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，電流一般設在20mA，亮度由軟件通過PWM電流來進行控制，這樣能夠使紅外LED工作在飽和區域，發出穩定光強的光。

　　KP-2012P3C晶體管采用交流耦合結構來增強對微弱信號放大。經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。它是晶體管輸出經射隨輸 入單片機的A/D轉換通道口0，可用來檢測晶體管是否處于有效工作狀態；另一路是交流信號線路。它是先經一射極跟隨器輸入到兩級濾波成形電路然后再輸入單 片機的A/D轉換通道1.該濾波電路為兩級帶通濾波電路，由于脈搏波的頻譜蘊含豐富病理信息，特別是在5~40Hz這個區間的頻譜攜帶了大量與冠心病病變 有關的信息，故考慮到今后功能的擴展，預處理電路的上下限頻率設計為48Hz和0.86Hz。