穿戴式血糖測試模塊電路 - 可穿戴醫(yī)療設(shè)備電子電路圖集錦TOP13

　　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(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。

　　Top10 采用MSP430單片機(jī)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(chǎn)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(wěn)壓通過電阻分壓而 產(chǎn)生的，大約在300mV左右，它能產(chǎn)生μA級別的定向電流。由于A/D轉(zhuǎn)換模塊測量的是電壓，所以需要將該定向電流轉(zhuǎn)換成電壓，并且進(jìn)行一定的放大。本 系統(tǒng)采用圖2所示的電路來實現(xiàn)電流到電壓的轉(zhuǎn)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(dāng)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(wěn)壓通過R2 和R3分壓，產(chǎn)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(zhuǎn)換范圍內(nèi)。 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(zhǔn)確，需要對測試電壓進(jìn)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(fù)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(jù)經(jīng)驗值取50Ω。

　　溫度檢測電路：由于血糖測試是利用生物電化學(xué)反應(yīng)，而影響 該反應(yīng)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(chǎn) 生的電流大小也不同。所以需要根據(jù)溫度進(jìn)行補(bǔ)償以獲得正確的血糖濃度值。當(dāng)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(jìn)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(fù)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(zhuǎn)換模塊輸出的 1.5V穩(wěn)壓，由 于該1.5V穩(wěn)壓也是 A/D轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(jù)ET833的特型曲線，推算出溫度值，以進(jìn)行溫度補(bǔ)償。

　　數(shù)據(jù)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(nèi)的血糖值的變化趨勢，根據(jù)血糖變化趨勢，制定正確的用藥方式，達(dá)到控制血糖濃度的目的。

　　本系統(tǒng)最多能夠存儲1000個歷史數(shù)據(jù)，每個歷史數(shù)據(jù)需要8B來保存，數(shù)據(jù)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(chǎn)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(jī)之間的具體接線方式如圖所示，P4.0～P4.3都是MSP430的數(shù)字I/O口。P4.1是寫保護(hù)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(jìn)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(tǒng)運行時的整體功耗，此外，還節(jié)省了電子開關(guān)，降低了成本，有利于布線。