生物传感器电路及智能穿戴设备的制作方法

文档编号:14477790
研发日期:2018/5/19

本发明属于电力电子技术领域,尤其涉及一种生物传感器电路及智能穿戴设备。



背景技术:

随着人们对自身健康意识的提高,智能穿戴设备得到越来越广泛的应用,。目前,智能穿戴设备通过生物传感器电路来获取采集人体的各项生理指标,如血压,血氧,脉搏等。现有的生物传感器电路主要利用光敏器件的电力特性,其光照强度与运行电流大小具有函数关系,并且人体血液在一定条件可以吸收少量的光粒子,通过生物传感器电路测量人体血液的情况进而判断人体的健康状况。

因此,现有的生物传感器电路存在以下问题:现有技术为光敏器件提供恒定电流时,采用了脉冲采样方式,导致光敏器件中的运行电流具有较大的波动,使光敏器件无法提供稳定的光照强度,测量的误差较大;并且现有技术中光敏器件的光照强度容易过高,导致人体血液吸收光粒子出现过饱和现象,从而导致生物传感器电路无法精确地测量出人体的生理指标,信噪比较低。



技术实现要素:

本发明提供一种生物传感器电路及智能穿戴设备,旨在解决现有技术中生物传感器电路具有很低的信噪比,对人体的生理指标测量具有较大误差的问题。

本发明第一方面,提供一种生物传感器电路,所述电路包括:

发光二极管,用于发射光粒子;

光电转换器,所述光电转换器包括光敏接收管和光电变换模块,其中所述光敏接收管用于接收被反射的光粒子;

稳流模块,所述稳流模块的第一端连接所述发光二极管的阴极,所述发光二极管的阳极接直流电源;

电流控制模块,连接在所述稳流模块的第二端和地之间,所述电流控制模块用于控制流经所述发光二极管的电流稳定。

进一步地,所述稳流模块为电阻器。

进一步地,所述电阻器的阻值与所述发光二极管的光波长相匹配。

进一步地,所述电流控制模块包括:连接在所述稳流模块的第二端和地之间的电子开关器件和与所述电子开关器件连接的主控芯片;

其中,所述主控制芯片用于向所述电子开关器件发送预设高频脉冲信号,所述电子开关器件在所述预设高频脉冲信号控制下通断。

进一步地,所述预设高频脉冲信号的频率在100kHz至200kHz的范围内。

进一步地,所述预设高频脉冲信号的宽度与所述发光二极管所发射的光粒子数量相匹配。

进一步地,电子开关器件为N沟道场效应管或者NPN三极管。

进一步地,所述发光二极管工作在非饱和状态。

进一步地,所述的发光二极管为单色发光二极管。

本发明第二方面,提供了一种智能穿戴设备,所述设备包括如前所述电路。

本发明与现有技术相比存在的有益效果是:在发光二极管与电流控制模块之间串接一个稳流模块,电流控制模块能够为发光二极管提供了极为稳定的恒定电流源,进而该发光二极管能够提供恒定的光源,从而提高了生物传感器电路的信噪比,降低了通过该生物传感器电路检测人体各项生理指标的误差;从而有效地解决了现有的生物传感器电路具有较低信噪比,无法准确地检测人体生理指标的问题。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案,下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍,显而易见地,下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例,对于本领域技术人员来讲,在不付出创造性劳动的前提下,还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明第一实施例提供的生物传感器电路的电路结构图;

图2是本发明实施例提供的电流控制模块的组成结构图;

图3是本发明实施例提供的发光二极管发出的光粒子数量与人体血液吸收的光粒子数量的关系图;

图4是本发明实施例提供的智能穿戴设备的结构图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白,以下结合附图及实施例,对本发明进行进一步详细说明。应当理解,此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明,并不用于限定本发明。

结合附图1-附图4,其中图1示出了本发明实施例提供的生物传感器电路的电路结构图,为了便于说明,仅示出了与本发明实施例相关的部分,详述如下:

如图1所示,该生物传感器电路401包括:发光二极管101、光电转换器102、稳流模块103和电流控制模块104。其中发光二极管101用于发射光粒子;光电转换器102包括光敏接收管1021和光电变换模块1022,所述光敏接收管1021用于接收被反射回来的光粒子;其中光电转换器102还可分为:1)光—频率转换器,2)光—电压转换器;所述光—频率转换器将光粒子数量转化为一定频率的方波脉冲电信号,所述光—电压转换器将光粒子数量转化为一定数值的电压;稳流模块103的第一端连接发光二极管101的阴极,发光二极管101的阳极接直流电源+Vcc;电流控制模块104连接在稳流模块103的第二端和地GND之间,电流控制模块104用于控制流经发光二极管101的电流恒定。

具体的,所述光电变换模块1022用于将光信号转换为电信号,光电变换模块102根据光敏接收管1021所接收的光粒子变化量得到相应的电信号的变化量,进一步地,当所述光敏接收管1021所接收的光粒子数量发生变化,则光电变换模块102所输出电信号的频率或者电压也会发生相应改变,因此可以通过光电变换模块102实时监控光敏接收管1021所接收光粒子的变化量。

需要说明的是,如图1所示,光敏接收管1021作为一种独特的光敏元件,光敏接收管1021的阳极接负极,光敏接收管1021的阴极接正极,从而光敏接收管1021可以将依照光照强度的变化而改变自身的电力特性。

需要说明的是,光粒子是一种传递电磁相互作用的基本粒子,根据量子场理论,在微观世界中,光具有粒子性和波动性,即“波粒二象性”,由于光具有波和粒子的双重属性,在一定条件下表现为质量、动量、能量,由于物质的原子都具有分立的,处于不连续的能量状态,其中基态能量最低、最稳定,由于外界原因处于较高能量状态的源自不稳定,稍微受到扰动就会回到基态,实现原子的跃迁,多余的能量转化为光粒子释放出来,即为发光现象。

人体皮肤是指身体表面包在肌肉外面的组织,隐藏在人体皮肤下毛细血管里存在着流动的血液,当发光二极管101向人体皮肤发射光粒子,则毛细血管里的血液接收到光粒子,由于人体血液的特殊化学组成成分,血液就会吸收部分光粒子,而其余不能被吸收的光粒子由人体皮肤重新反射至外界,从而被光敏接收管1021接收。光敏接收管1021连续接收光粒子,通过光电变换模块1022可将光敏接收管1021所接收的光粒子变化量直接转化为电信号频率变化量,该电信号频率变化量将实时呈现人体生理指标的变化。

可选的,稳流模块103为电阻器,电阻器可以采用可变电阻器,通过稳流模块103可以使电压信号转换为电流信号,从而可以驱动发光二极管101工作。

具体的,电阻器的阻值与发光二极管101的光波长相匹配;通过调节电阻器的阻值能够改变发光二极管101中的运行电流大小,从而确保发光二极管101的光波长符合人体血液吸收率较佳的一定范围;若电阻器的阻值增大或减少,都会使发光二极管101中的运行电流发生变化,使发光二极管101的光波长偏离最佳吸收波长。

优选的,发光二极管101为单色发光二极管,发光二极管101作为光敏元件,当通过发光二极管101中的运行电流发生变化时,发光二极管101发射的光粒子数量就会发生变化;该单色发光二极管既可以发出可见光,也可以发出不可见光,由于单色发光二极管发出的光波长更稳定、更高,发射的光粒子波长与运行电流的大小具有准确的函数关系,通过生物传感器电路401测量人体生理指标具有更高的精确度,降低了外界扰动因素所引起的测量误差。

具体的,结合图1,当该生物传感器电路401处于工作状态时,直流电源+Vcc输出电能,电流控制模块104使稳流模块103的两端电压恒定,此时通过发光二极管101的运行电流处于恒定状态,发光二极管101所发射的光粒子数量恒定,比如发光二极管101每秒发射的光粒子数量为10000个,而人体皮肤下的血液每秒吸收的光粒子数量为10个,则人体皮肤将剩余的9990个光粒子反射至光敏接收管1021,若该生物传感器电路401一直在处于工作状态,由于发光二极管101中的运行电流恒定,则光敏接收管1021所接收的光粒子的数量一直为9990个,相应的,当人体心脏泵出血液或回流血液,皮肤下的毛细血管中的血液量将呈现规律性的周期变化,这个周期时间内人体所吸收的光粒子数量的会发生变化,若人体血液每秒吸收的光粒子就会增至20个,则光敏接收管1021所接收的光粒子的数量为9980个,此时,光电变换模块1022所检测到的电信号也会发生相应变化;因此可以通过对光敏接收管1021所接收的光粒子变化量所对应并转化的电信号的复合计算,较为精确地反应出人体生理指标变化量。

需要说明的是,上述人体生理指标包括人体的血压,血氧,脉搏(心率)测量,在实际生活中,这些生理指标都为作为人体健康状况的判断依据。

通过本发明实施例,通过在发光二极管101以及电流控制模块104之间串接一个稳流模块103,从而使发光二极管101中的运行电流恒定,即通过该发光二极管101发出的光粒子的数量恒定,可以通过光敏接收管1021接收的光粒子实时监控人体的健康状况,对人体的各项生理指标测量具有极高的精确度;从而有效地克服了现有技术通过生物传感器电路对人体各项生理指标的测量具有较大的误差,以及具有极低信噪比的问题。

图2示出了电流控制模块104的组成结构图,如图2所示,电流控制模块104包括:主控芯片1041和电子开关器件1042,电子开关器件1042连接在稳流模块的第二端和地之间,主控芯片1041与电子开关器件1042连接;其中,主控制芯片1041用于向电子开关器件1042发送预设高频脉冲信号,电子开关器件1042在预设高频脉冲信号控制下通断,通过调节所述预设高频脉冲信号的脉冲宽度,使发光二极管101所发射的光粒子数量随之得到相应的调节以便满足该生物传感器电路401能够满足不同皮肤特质,不同肤色的差异对光照强度的不同要求。

具体的,预设高频脉冲信号的频率一般建议在100kHz至200kHz的范围内,但不限于此;其中kHz为频率的单位:千赫兹。

具体的,预设高频脉冲信号的宽度与发光二极管101所发射的光粒子数量相匹配;通过调节预设高频脉冲信号的宽度使发光二极管101的光强度相对于光敏接收管1021处于非饱和状态,可选的,若预设高频脉冲信号的频率为100kHz,则预设高频脉冲信号的宽度占空比的范围为8%-35%;若预设高频脉冲信号的频率更高,则可相应地减小预设高频脉冲信号的宽度;即预设高频脉冲信号的宽度占空比越大,则发光二极管101所发射的光粒子数量也就越多。

可选的,电子开关器件1042可以为N沟道场效应管或者NPN三极管,但并不限于此。

具体的,结合图1-2,主控制芯片1041通过发送预设高频脉冲信号来控制电子开关器件1042的导通与关断时间,由于该预设高频脉冲信号具有特定的频率和宽度,通过调节该预设高频脉冲信号的频率和宽度即可控制电流控制模块104的输出电流大小;进一步地,主控制芯片1041发送的预设高频脉冲信号为方波,当预设高频脉冲信号的幅值大于阀值时,电子开关器件1042输出低电平,此时电子开关器件1042导通;当调节预设高频脉冲信号频率和宽度,根据电路基本理论,发光二极管101的导通电流将维持在一个较恒定的范围,从而保证其发光波长的稳定和光照强度的恒定。

具体的,发光二极管101工作在非饱和状态,其中该非饱和状态是发光二极管101所发出的光粒子数量n0与人体血液吸收的光粒子数量n1具有线性关系,如图4所示,图4示出了发光二极管101发出的光粒子数量与人体血液吸收的光粒子数量的关系图;在0~n3阶段,当发光二极管101所发出的光粒子数量n3增加时,人体血液吸收的光粒子数量n1也会随着线性增加,即在0~n3阶段内,发光二极管101工作在非饱和状态,在此阶段内,通过光敏接收管1021所接收的光粒子变化量可准确地反应出人体各项生理指标的变化情况;随着发光二极管101所发出的光粒子数量n0不断增加,当发光二极管101发射的光粒子增至n3,人体血液吸收的光粒子数量增至n2,此时人体血液吸收的光粒子数量n2已是最大值,若发光二极管101发射的光粒子n0继续增加,人体血液吸收的光粒子数量变不再增加,始终保持在n2,即当发光二极管101发射的光粒子n0大于n3时,当发光二极管101发射的光粒子n0与人体血液吸收的光粒子n1不再具有线性关系,当发光二极管101发射的光粒子n0大于n3时,发光二极管101工作在饱和状态,该饱和状态是指:人体血液所吸收的光粒子数量与发光二极管101发射的光粒子不再按比例增加;此时,就无法通过光敏接收管1021所接收的光粒子变化量检测人体各项生理指标的变化量,具有极大地测量误差。

具体的通过电流控制模块104控制发光二极管101的运行电流,使发光二极管101的运行电流始终低于极值点,保证发光二极管101工作在非饱和状态;一方面降低了该生物传感器电路401的电能损耗,而且提高测量精度,降低了误差。

通过图1-图3得出该生物传感器电路401对人体各项生理指标测量原理与过程,通过将稳流模块103连接在发光二极管101和电流控制模块104之间一方面能够将电路中的电压信号转换为恒定电流信号,从而驱动发光二极管101;另一方面,由于该恒定电流信号实际上为电路中的交流信号的平均值,当该恒定电流通过发光二极管101时,必然存在一个建立电流平衡动态反馈过程,稳流模块103能够降低交流信号在瞬时变化过程中的波动幅度,使得通过发光二极管101中的运行电流具有更高的稳定性、精确性。

通过本发明实施例,在电流控制模块和发光二极管之间串接稳流模块,使发光二极管中的运行电流保持恒定,发光二极管能够发射稳定的光粒子数量,提高了生物传感器电路的信噪比;同时,通过控制发光二极管中的运行电流,使发光二极管工作在非饱和状态,减少了生物传感器电路的测量误差,减低了生物传感器电路在工作中的电能损耗;从而有效地克服了现有的生物传感器电路无法精确地测量人体的各项生理指标以及具有较低信噪比的不足之处。

图4示出了本发明实施例提供的智能穿戴设备的结构图,如图4所示,智能穿戴设备40包括生物传感器电路401。

从本发明实施例可以看出,通过该生物传感器电路中的光敏接收管所接收的光粒子数量就可以检测出人体脉搏等生理指标的变化情况,过程简单、成本低廉,该生物传感器电路可以应用在不同的用户中,稳流模块提高了发光二极管中恒定电流的稳定性,降低了该生物传感器电路对于人体脉搏等生理指标的测量误差;从而有效地解决了现有技术中,生物传感器电路在各种类型用户中无法普遍适用、以及具有较高检测误差的问题。

需要说明的是,在本文中,诸如第一端和第二端等之类的关系术语仅仅为了将一个实体和另一个实体区分开来,而不一定要求或者暗示这些实体之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且术语“包括”、“包含”或者任何其他变体意在涵盖非排他性的包含,从而使得包括一系列要素的物品或者设备不仅仅包括那些要素,而且还包括没有明确列出的其他要素,或者是还包括为这些物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下,由语句“包括…”限定的要素,并不排除在包括要素的物品或者设备中还存在另外的相同要素。

以上仅为本发明的较佳实施例而已,并不用以限制本发明,凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等,均应包含在本发明的保护范围之内。

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