中頻理療儀的控制系統(tǒng)

沈許龍

(南京信息職業(yè)技術(shù)學院，江蘇南京210046)

1 概述

中頻理療儀是根據(jù)高壓電界健康療法和負離子療效的原理，將交流電變換處理轉(zhuǎn)換成對人體有益的負電位能量或脈動超能量電場，具有活化細胞，促進新陳代謝，改善血液循環(huán)和增強人體免疫力的作用，可以預防疾病、延緩衰老的作用［1］。中頻理療儀是一種療效高、見效快、安全、使用方便和用途廣泛的醫(yī)療保健器械，其性能穩(wěn)定可靠，結(jié)構(gòu)簡單，操作方便，且價格低廉。

2 中頻理療儀的工作原理

中頻理療儀由五個部分組成，即電源部分、控制系統(tǒng)、負高壓產(chǎn)生部分、中頻能量產(chǎn)生部分和波形顯示部分，其原理框圖如圖1所示。

圖1 中頻理療儀原理框圖

圖1中，控制系統(tǒng)是利用單片機靈活的控制性能，采用硬、軟件結(jié)合的方式，完成中頻理療儀的各項控制、顯示和輸出等功能;中頻能量產(chǎn)生部分將輸出頻率為75 kHz，峰峰值為2 000 V，波形為正弦波或三角波、方波的中頻電壓;波形顯示部分以LED陣列顯示輸出中頻電壓波形，同時還以倒計時方式顯示剩余時間;負高壓產(chǎn)生部分則輸出－10 000 V的直流電壓;電源部分則向上述各部分提供所需的電源。

在使用中頻理療儀時，用戶可以通過面板上的按鍵來選擇功能和設(shè)定參數(shù)。當用戶根據(jù)需要按下能量輸出和時間設(shè)定的按鍵時，單片機控制相應(yīng)的部分通電工作，用戶得到設(shè)定的理療能量，同時，波形顯示部分顯示相應(yīng)的波形、數(shù)碼管顯示剩余的時間。到了設(shè)定的時間，理療儀將自動切斷中頻能量產(chǎn)生部分或負高壓產(chǎn)生部分的輸出，且響起蜂鳴器的響聲以提醒用戶。

顯然，中頻理療儀是依靠控制系統(tǒng)來控制和協(xié)調(diào)其他部分工作的，因此控制系統(tǒng)是中頻理療儀的關(guān)鍵部件。本文只對控制系統(tǒng)作簡單的介紹。

3 控制系統(tǒng)

針對控制內(nèi)容多與顯示形式多的特點，中頻理療儀的控制系統(tǒng)采用以單片機最小系統(tǒng)構(gòu)成的硬件電路，并配合軟件完成各項功能［2］。

3.1 硬件電路

控制系統(tǒng)的硬件電路框圖如圖2所示?？梢钥闯觯娐芬詥纹瑱C最小系統(tǒng)為核心，實現(xiàn)人機對話，并對各個電路進行控制。其中，單片機采用自帶E2PROM的89C52芯片，鍵盤輸入電路主要由多個按鍵開關(guān)組成，顯示電路由雙數(shù)碼管及驅(qū)動電路組成，接口電路使控制輸出等電路與單片機之間的電平匹配，看門狗電路由專用看門狗芯片MAX813L組成。

圖2 系統(tǒng)硬件電路框圖

當程序運行正常時，看門狗電路不斷地接收到顯示電路送來的信號，此時它不輸出信號，即不干涉單片機工作;當程序運行出現(xiàn)異常時，顯示電路沒有信號送出，看門狗電路在1秒鐘內(nèi)接收不到信號時，立即給單片機一個復位信號，使理療儀復位，切斷各種形式的輸出，使其處于等待狀態(tài)。

3.2 軟件編程

控制系統(tǒng)的軟件編程框圖如圖3所示。理療儀接通電源后，程序首先對各部分進行初始化，初始化結(jié)束后，時間顯示為默認值“30”分鐘，且單片機不斷地檢查有沒有鍵被按下(即儀器處于“等待”狀態(tài))。當單片機確認有鍵按下時，它將判斷是什么鍵，并將分別作出不同的反應(yīng)。

若按下的是“參數(shù)設(shè)定類”鍵，則單片機按照該鍵的定義進行相應(yīng)的參數(shù)設(shè)定，顯示新設(shè)定的參數(shù)，設(shè)定結(jié)束后，程序返回等待狀態(tài)，(圖3中的左下部分)。

若按下的是“執(zhí)行類”鍵，單片機進一步判別是“光波(即波形)啟動”鍵還是“電位啟動”鍵。若按下的是“光波啟動”鍵，則單片機控制“光波”按照設(shè)定的頻率“高或低”輸出，并顯示所輸出的波形(正弦波或方波、三角波)，顯示所剩的時間(即倒計時)，一旦倒計時結(jié)束，單片機切斷“光波”輸出，同時蜂鳴器報警15秒鐘，程序返回到等待狀態(tài)。若按下的是“電位啟動”鍵，則單片機控制“負電位”按照設(shè)定的“高或低”輸出，并顯示“負電位”輸出所剩的時間(即倒計時)，一旦倒計時結(jié)束，單片機切斷“負電位”輸出，同時蜂鳴器報警15秒鐘，程序返回到等待狀態(tài)(圖3中的右下部分)。

圖3 系統(tǒng)軟件編程框圖

3.3 主要技術(shù)指標

(1)電源要求:電壓 DC(5±0.25)V，電流不小于200 mA。

(2)定時時間:10～90分鐘任選，計時誤差不大于0.5%。

(3)輸出電平:標準TTL電平。

(4)輸出功能

理療儀有直流(負電位)和交流(正弦波或方波、三角波)輸出兩種，其中交流輸出又稱為光波動輸出，直流和交流可以單獨輸出，也可以同時輸出。在直流輸出時，其電位有高或低兩種選擇;在交流輸出時，其頻率也有高或低兩種選擇。

(5)顯示和指示功能

該理療儀有倒計時的時間顯示(單位為“分鐘”，同時“秒”閃爍指示)，波形顯示(正弦波、方波、三角波三種波形流水顯示)，光波動頻率高或低的指示，負電位高或低的指示。

4 控制系統(tǒng)的操作方法

由于中頻理療儀是依靠控制系統(tǒng)來控制和協(xié)調(diào)其他部分工作的，因此它的操作方法就是控制系統(tǒng)的操作方法。

4.1 接通電源

接通電源后，理療儀處于“定時30分鐘、正弦波，高電場、低光波動輸出”的默認狀態(tài)，它處于等待狀態(tài)。

4.2 設(shè)置

用戶根據(jù)需要，可以設(shè)定定時時間，選擇負電位的高低、輸出波形的類型和光波動頻率的高低。

(1) 設(shè)定定時時間:有10、20、30、40、50、60、70、80、90 分鐘9種。

(2)負電位高低的選擇:按“高”鍵則為高的“負電位”輸出，按“低”鍵則為低的“負電位”輸出，且高和低是互鎖的。

(3)輸出波形的選擇:有正弦波、方波、三角波3種輸出波形。

(4)光波動頻率高低的選擇:按“高”鍵則為高的“光波動頻率”輸出，按“低”鍵則為低的“光波動頻率”輸出。

以上設(shè)置可以不按照次序操作，且可以選其中的一項或幾項，也可以一項不選直接進入下一步的操作。

4.3 啟動

按“負電位”、“光波動”任何一個啟動鍵，儀器開始工作，此時秒顯示燈閃爍，定時顯示開始倒計時，輸出波形以流水燈形式顯示(負電位啟動時不顯示)。注意，負電位、光波動啟動鍵可以隨時操作;當?shù)褂嫊r為“00”時，儀器停止工作，且報警15秒鐘后恢復原設(shè)定的分鐘數(shù)顯示，儀器處于等待狀態(tài)。

5 研制過程中解決的主要問題

中頻理療儀在研制過程中，克服了許多困難，獲得了成功，研制人員體會最深的有下述幾點。

5.1 采用看門狗電路提高系統(tǒng)的可靠性

在中頻理療儀中頻控制系統(tǒng)中，由于其控制對象的高壓和頻率都很高，因此電路經(jīng)常有干擾信號串入，它可能使程序處于失控狀態(tài)。為了保證系統(tǒng)的正常工作，采用了看門狗電路，當干擾信號使程序運行出現(xiàn)異常時能夠自動復位，從而提高了系統(tǒng)的可靠性。

5.2 采用分壓、取樣和補償?shù)燃夹g(shù)來測試中頻高壓的性能指標

在測試中頻理療儀的性能指標時，中頻輸出的頻率為75 kHz、峰峰值為2 000 V這一指標很難直接測量。為此我們采取分壓、取樣和補償?shù)燃夹g(shù)，解決了這一測試難題。

為了降低測試時的電壓，可采用分壓和取樣技術(shù)，其測試原理如圖4所示，圖中，1為信號輸入端，2為測試端，R2為負載電阻，R1=1 MΩ為取樣電阻。由于中頻信號源的輸出電壓很高，但輸出的電流卻非常小，因此負載電阻 R2的阻值必須很大，可取1 000 MΩ，這樣R2兩端的分布電容C1會影響測試結(jié)果，故必須在R1兩端并接一個補償電容C2，由理論得知，當其電容量C2=R1C1/R2時，才能得到正確的測試結(jié)果。

圖4 測試原理圖

由于分布電容 C1的值很小，很難確定其正確的數(shù)值［3］，則補償電容 C2的值無法計算。為此，可采用調(diào)試的方法來得到。即在圖4中的1端加一個1 kHz的方波信號，再用示波器觀察2端的波形。改變C2的電容量，2端的波形有如圖5所示的三種情況，其中圖5(a)圖屬于過補償，說明C2的電容量大了;圖5(b)圖屬于欠補償，說明 C2的電容量小了;圖5(c)圖屬于臨界補償，此時C2的電容量滿足C2=R1C1/R2。

圖5 補償電容量不同時的波形

5.3 改進和完善了生產(chǎn)工藝

為了使中頻理療儀符合生產(chǎn)的要求，研制人員除了在儀器的性能指標上達到設(shè)計標準外，并改進和完善了許多生產(chǎn)工藝，例如，安裝LED陣列時，由于對其高度、位置精度要求很高，普通工藝很難做到，為此，我們制作了兩套專用的裝配夾具，這樣既保證了安裝精度，又提高了裝配效率。又如，由于連接線經(jīng)常受到拉扯而斷線，為此采用了打孔穿線的方法，加固了連接線的接點強度，解決了線頭常斷的問題，提高了產(chǎn)品的可靠性。

［1］張麗敏.基于FPGA的多頻電療儀的設(shè)計［J］.內(nèi)蒙古科技與經(jīng)濟，2008(1):93－94.

［2］何立民.單片機應(yīng)用技術(shù)選編［M］.北京航空航天大學出版社，2004.3.

［3］鄭應(yīng)光.模擬電子線路(二)［M］.東南大學出版社，2002.7.