基于AT89S52的野戰(zhàn)便攜式中頻治療系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

劉 琳 蔡雪花

戰(zhàn)傷救護(hù)是為戰(zhàn)時(shí)減少傷亡、迅速恢復(fù)戰(zhàn)斗力以保持戰(zhàn)爭(zhēng)實(shí)力而必須采取的一項(xiàng)重要措施[1]。在戰(zhàn)傷救護(hù)過程中，出現(xiàn)的貫通傷、盲管傷、擦傷、骨折等各種創(chuàng)傷，在急救處理和手術(shù)后仍需要漫長(zhǎng)的治療和理療過程，才能促進(jìn)傷員康復(fù)的進(jìn)程，而中頻治療系統(tǒng)在傷員的治療和理療過程中能夠起到重要的作用[2]。

中頻治療系統(tǒng)的中頻電流不僅能夠改善后局部組織的血液循環(huán)，組織水腫減輕，炎癥產(chǎn)物的吸收和排除加速，局部組織的營養(yǎng)和代謝增強(qiáng)，免疫防御機(jī)能提高；而且能夠刺激擴(kuò)大細(xì)胞與組織的間隙，使粘連的結(jié)締組織纖維、肌纖維、神經(jīng)纖維等活動(dòng)而得到分離，達(dá)到軟化疤痕、松解粘連[3]。除上述治療作用外，中頻治療系統(tǒng)還有刺激運(yùn)動(dòng)神經(jīng)和肌肉引起正常骨骼肌和神經(jīng)肌肉收縮、鍛煉肌肉、防止肌肉萎縮的作用，并提高平滑肌張力、引起平滑肌收縮和調(diào)整植物神經(jīng)功能的作用[6]。傳統(tǒng)的中頻治療系統(tǒng)采用市電供電，結(jié)構(gòu)笨重，設(shè)備功耗較大，在面對(duì)野戰(zhàn)醫(yī)療和機(jī)動(dòng)醫(yī)療的特殊環(huán)境下，不便于攜帶操作；由于內(nèi)置電池的使用時(shí)間問題，有些傷員需在戶外做康復(fù)理療，幾乎不可能[7]。為此，本研究設(shè)計(jì)野戰(zhàn)便攜式中頻治療系統(tǒng)，不僅能夠滿足醫(yī)院門診、康復(fù)理療的運(yùn)用，還能夠適合野戰(zhàn)醫(yī)療條件下，戰(zhàn)時(shí)傷員的治療康復(fù)的運(yùn)用。

1 中頻治療系統(tǒng)設(shè)計(jì)路線和實(shí)現(xiàn)

系統(tǒng)采用AT89S52為主控芯片，通過振動(dòng)電路產(chǎn)生各種治療波，運(yùn)用于各級(jí)戰(zhàn)時(shí)疾病的治療作用，整個(gè)控制模塊集成化設(shè)計(jì)，盡可能降低功耗；該設(shè)備不僅可以采用市電供電還內(nèi)置以串聯(lián)的方式連接兩個(gè)12 V、7 Ah的鉛酸電池供電，可以采用市電充電，也可以采用光伏充電，可以在野外或者戶外調(diào)節(jié)下，完全擺脫市電的束縛，實(shí)現(xiàn)野外或戶外治療康復(fù)運(yùn)行[8]。

系統(tǒng)主要包括中頻信號(hào)設(shè)計(jì)模塊、供電模塊，通過中頻信號(hào)設(shè)計(jì)模塊輸出各種治療波形作用在電極片上；供電模塊采用內(nèi)置蓄電池供電，一種可以采用市電充電模塊，一種采用光伏充電模塊，光伏充電模塊主要包括太陽能電池板、太陽能充電器，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 中頻治療系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

1.1 硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)采用的主芯片為AT89S52，是一款低功耗、高性能金屬氧化物半導(dǎo)體(complementary metaloxide semiconductor，CMOS)的8位微控制器。內(nèi)置8 K字節(jié)Flash，256字節(jié)隨機(jī)存儲(chǔ)器(random access memory，RAM)，32位I/O口線，看門狗定時(shí)器，2個(gè)數(shù)據(jù)指針，3個(gè)16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器，一個(gè)6向量2級(jí)中斷結(jié)構(gòu)，全雙工串行口，片內(nèi)晶振及時(shí)鐘電路。此外，AT89S52可降至0 Hz靜態(tài)邏輯操作，支持2種軟件可選擇節(jié)電模式，空閑模式下，中央處理器(central processing unit，CPU)停止工作，允許RAM、定時(shí)器和(或)計(jì)數(shù)器、串口、中斷繼續(xù)工作，在掉電保護(hù)方式下RAM內(nèi)容被保存，振蕩器被凍結(jié)，單片機(jī)一切工作停止，直到下一個(gè)中斷或硬件復(fù)位為止[9](如圖2所示)。

圖2 中頻治療系統(tǒng)控制電路系統(tǒng)框圖

1.1.1 電源電路設(shè)計(jì)

系統(tǒng)采用的供電電壓為+5 V電壓，市電通過變壓器降低+9 V，經(jīng)過D1、D2、D3及D4整流，通過C1、C2進(jìn)行濾波，再通過穩(wěn)壓芯片LM7805進(jìn)行穩(wěn)壓，最后輸出+5 V電壓給系統(tǒng)供電[10](如圖3所示)。

圖3 中頻治療系統(tǒng)市電電源電路圖

系統(tǒng)內(nèi)置2個(gè)12 V、7 Ah的鉛酸電池，便于傷員進(jìn)行戶外康復(fù)治療。該電池可以采用市電進(jìn)行充電，也可以采用太陽能進(jìn)行充電(如圖4所示)。

圖4 中頻治療系統(tǒng)市電充電電路圖

圖4 顯示，市電經(jīng)過變壓器，再整流后通過穩(wěn)壓芯片LM7824輸出+24 V給蓄電池充電，蓄電池可以通過R3限壓，再通過穩(wěn)壓芯片LM7805、C7濾波輸出+5 V給本系統(tǒng)供電[11]。鑒于野戰(zhàn)醫(yī)療的特殊環(huán)境，為了適應(yīng)野戰(zhàn)供電，系統(tǒng)可以采用光伏充電。光伏充電系統(tǒng)包括2塊光伏電池板、光伏充電器、蓄電池、中頻治療系統(tǒng)等(如圖5所示)。

圖5 中頻治療系統(tǒng)光伏充電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

光伏電池板接收陽光后產(chǎn)生的電壓經(jīng)過C1穩(wěn)壓，在經(jīng)過Q1、Q2開關(guān)管進(jìn)行調(diào)制，經(jīng)過變壓器變壓輸出+24 V電壓給電池供電，D1為穩(wěn)壓管，R5和R6進(jìn)行輸出電壓采樣，反饋到Q1上，進(jìn)而控制Q1的導(dǎo)通角，控制變壓器的初級(jí)電壓，光伏充電模塊電路如圖6所示。

圖6 中頻治療系統(tǒng)光伏充電器電路圖

1.1.2 系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)

中頻治療系統(tǒng)采用的波形頻率為1000～100000 Hz，通過1000～100000 Hz的中頻電路作用于人體，人體受到電刺激后神經(jīng)系統(tǒng)會(huì)釋放一些具有鎮(zhèn)痛效應(yīng)的物質(zhì)，達(dá)到鎮(zhèn)痛的作用。系統(tǒng)采用的主控制芯片為AT89S52，采用正弦波發(fā)生器產(chǎn)生正弦波，通過AT89S52調(diào)制電路，產(chǎn)生連續(xù)調(diào)制波、間隙調(diào)制波、變頻調(diào)制波三種波形，再通過功率放大電路、電壓器隔離電路、雙通道輸出電路作用在電極片上[12]。其信號(hào)調(diào)制電路結(jié)構(gòu)如圖7所示。

圖7 中頻治療系統(tǒng)信號(hào)調(diào)制結(jié)構(gòu)圖

正弦波發(fā)生器產(chǎn)生的正弦波通過主芯片進(jìn)行調(diào)制，經(jīng)過Q1、Q2、Q3、Q4進(jìn)行功率放大，通過變壓器T1進(jìn)行隔離輸出到兩個(gè)電極片上；輸出電流可以通過電位器R8進(jìn)行調(diào)節(jié)，控制輸出電流的大小，輸出電流的大小可以顯示在電流表A1上，其中頻治療系統(tǒng)輸出信號(hào)電路如圖8所示。

圖8 中頻治療系統(tǒng)輸出信號(hào)電路圖

1.2 軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)開機(jī)后進(jìn)行系統(tǒng)的初始化并掃描按鍵，在確定治療方案過程中，必須確定治療時(shí)間、治療功率和治療波形才能輸出電流。在治療過程中，顯示器顯示治療值，并計(jì)時(shí)治療時(shí)間，當(dāng)治療時(shí)間到時(shí)，報(bào)警電路報(bào)警，提示患者治療結(jié)束，其主程序如圖9所示。

圖9 中頻治療系統(tǒng)主程序流程圖

2 中頻治療系統(tǒng)臨床應(yīng)用

野戰(zhàn)便攜式中頻治療系統(tǒng)操作簡(jiǎn)單，便于攜帶，且有多種供電方式，患者可以根據(jù)自身要求選擇治療地點(diǎn)。系統(tǒng)通過100例門診治療和50例野戰(zhàn)醫(yī)療、機(jī)動(dòng)醫(yī)療治療測(cè)試，患者可以根據(jù)自身的傷病情況，選擇合適的治療時(shí)間、治療功率和治療波形，能夠滿足患者的治療要求。該系統(tǒng)配備光伏充電系統(tǒng)，可滿足戰(zhàn)時(shí)傷員野外治療的特殊要求[13]。中頻治療系統(tǒng)臨床應(yīng)用測(cè)試效果見表1。

表1 中頻治療系統(tǒng)臨床應(yīng)用測(cè)試效果

系統(tǒng)在野外治療過程中，通過光伏充電系統(tǒng)進(jìn)行充電，整個(gè)中頻治療系統(tǒng)可以完全離開市電的情況下，在野戰(zhàn)長(zhǎng)時(shí)間的運(yùn)用治療。在戶外治療過程中，采用光伏充電模塊充電，其充電曲線如圖8所示。

圖10 中頻治療系統(tǒng)光伏充電電壓曲線圖

系統(tǒng)的光伏充電系統(tǒng)采用2塊并聯(lián)的光伏電池板接收太陽光，這樣太陽能電池板輸出的電壓最大可達(dá)36 V，通過太陽能充電器輸出26 V給蓄電池充電，在野外充電測(cè)試中，從圖8的電壓曲線圖，充滿該系統(tǒng)的蓄電池需要的時(shí)間大約為3.5 h，可以滿足患者在野戰(zhàn)醫(yī)療或者戶外的治療使用[14]。

3 結(jié)語

中頻治療系統(tǒng)在治療過程中，對(duì)促進(jìn)患者局部血液循環(huán)、鍛煉肌肉、軟化疤痕、松解粘連、消炎、鎮(zhèn)痛等有著良好的療效。本系統(tǒng)針對(duì)目前大部分中頻治療系統(tǒng)依賴市電、功耗高、不方便攜帶等特點(diǎn)，面臨野戰(zhàn)醫(yī)療、機(jī)動(dòng)醫(yī)療等特殊環(huán)境和有些傷員想戶外治療的特殊要求，設(shè)計(jì)一種野戰(zhàn)便攜式中頻治療系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用內(nèi)置鉛酸電池供電，并可以采用光伏充電系統(tǒng)進(jìn)行充電，達(dá)到野外或者戶外治療的目的。整個(gè)系統(tǒng)功耗較低，不受物理環(huán)境的束縛，操作簡(jiǎn)單，自由度高，適合戰(zhàn)時(shí)傷員的野戰(zhàn)醫(yī)療和普通患者的戶外治療活動(dòng)[15]。