基于單片機的超短波理療儀控制系統(tǒng)

王科 王云光 程海憑 王鑫

摘 要：為實現(xiàn)超短波理療儀的數(shù)字化控制，提出一種超短波理療儀控制系統(tǒng)方案。該方案以單片機為控制中心，包含低壓模塊、高壓模塊、市網(wǎng)電壓穩(wěn)壓模塊、超短波發(fā)生模塊、調(diào)諧模塊、輸入和顯示模塊，詳細介紹了軟件控制流程。經(jīng)過通電測試，儀器正常運行，測試結(jié)果證明該控制系統(tǒng)可行。

關(guān)鍵詞：超短波理療儀;數(shù)字化控制;控制系統(tǒng);單片機

DOI：10. 11907/rjdk. 181911

中圖分類號：TP319文獻標識碼：A文章編號：1672-7800（2019）003-0118-03

0 引言

超短波理療儀是基于超短波療法研制的一種康復(fù)醫(yī)療設(shè)備，應(yīng)用波長為1～10m的超高頻交流電作用于人體組織以達到治療目的，是一種物理療法，稱為超短波療法，也稱超高頻電場療法[1]。超短波治療可使人體組織產(chǎn)生熱效應(yīng)[2]，熱效應(yīng)能夠加速細胞繁殖，促進血液循環(huán)，對消炎和傷口愈合治療效果明顯[3-5]。臨床實踐證明，超短波治療還可應(yīng)用于頸椎病、脊髓損傷等神經(jīng)系統(tǒng)疾病[6-7]。

“中國制造2025”把高性能醫(yī)療器械列為未來重點發(fā)展的十大領(lǐng)域之一[8]，智能化是今后醫(yī)療器械行業(yè)的發(fā)展方向。作為一種傳統(tǒng)的康復(fù)醫(yī)療設(shè)備，國內(nèi)生產(chǎn)的超短波理療儀主要由模擬電路控制，體積大、操作復(fù)雜、精確度較低，而國外已經(jīng)基本實現(xiàn)了數(shù)字化控制，以美國DJO公司生產(chǎn)的1602超短波理療儀最為先進，其由嵌入式控制，觸摸屏顯示，智能化程度相對較高。國內(nèi)超短波理療儀研究成果主要有：種曉晨[9]針對電源完整性和信號完整性對超短波理療儀進行抗干擾和電磁兼容性設(shè)計;程繼旺[10]基于dsPIC30F6010數(shù)字信號控制器設(shè)計了超短波理療儀的檢測系統(tǒng)，降低了輸出信號的信噪比;楊依華[11]對超短波理療儀系統(tǒng)設(shè)計進行綜述并提出了4種測控系統(tǒng)性能指標;肖洪[12]利用半導(dǎo)體固態(tài)源代替電子管作為高頻振蕩源。這些研究多基于模擬電路控制進行硬件優(yōu)化設(shè)計，對超短波理療儀的數(shù)字化控制研究有限。本文設(shè)計一套基于單片機的超短波理療儀控制系統(tǒng)，實現(xiàn)了超短波理療儀的數(shù)字化控制。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計

超短波理療儀控制系統(tǒng)總體設(shè)計如圖1所示，該系統(tǒng)主要由單片機控制單元、電源模塊、輸入模塊、顯示模塊、調(diào)諧模塊、超短波發(fā)生模塊組成，單片機微控制器控制各模塊的有效運行。治療檔位和治療時間通過輸入按鍵輸入并由數(shù)碼管顯示，治療結(jié)束時會發(fā)出報警提醒。儀器開始運行后，調(diào)諧電路采樣模塊在超短波輸出端實時檢測功率，將采樣數(shù)據(jù)發(fā)送至單片機計算，判斷電路是否達到諧振狀態(tài)。如果沒有達到，單片機就發(fā)出指令調(diào)節(jié)調(diào)諧電容使超短波諧振電路產(chǎn)生諧振[13]。

2 系統(tǒng)模塊

2.1 電源模塊

超短波理療儀的超短波由高壓供電產(chǎn)生，控制部分由低壓供電實現(xiàn)，系統(tǒng)電源模塊由低壓供電模塊和高壓供電模塊組成。

2.1.1 低壓供電

儀器控制部分所需供電電壓為直流5V電壓，為了將220V、50Hz的市網(wǎng)交流電轉(zhuǎn)化為穩(wěn)定的5V直流電，本方案接入一個降壓變壓器，經(jīng)過半波整流和濾波，然后通過穩(wěn)壓芯片7805進行穩(wěn)壓，從而給電路板上的控制芯片提供穩(wěn)定的驅(qū)動電壓[14]。低壓供電模塊主要給單片機芯片和電路中的其它芯片供電。

2.1.2 高壓供電

為產(chǎn)生多種輸出功率，滿足不同治療劑量需求，儀器采用機床控制變壓器供電。該變壓器共有6組交流電輸出端，每組輸出168V交流電，可實現(xiàn)多個檔位的切換。168V交流電同樣需要整流濾波，其原理和低壓模塊整流濾波原理類似，經(jīng)過整流橋和濾波電路后輸出的直流電為：

變壓器的每組輸出端分別連接一個繼電器，繼電器通過驅(qū)動芯片ULN2003和光偶隔離芯片TLP521-4與單片機連接。ULN2003是一種耐高壓、大電流的達林頓陣列，常應(yīng)用于步進電機、繼電器等大電流驅(qū)動元件[15]。TLP521-4主要應(yīng)用于隔離模擬電路對數(shù)字電路中單片機的電磁干擾[16]。TLP521-4芯片除了能隔離電磁干擾還能控制ULN2003芯片輸入電壓。當單片機輸出低電平“0”時，TLP521-4芯片CE不通，輸出為高電平“1”，即ULN2003芯片輸入端為高電平，繼電器被驅(qū)動，變壓器輸出對應(yīng)的高壓。按此原理，單片機通過輸出高低電平控制繼電器的通斷，選擇不同的治療檔位。當6組變壓器全部接通時為最高檔位，最大輸出電壓約為1 425.53V。

2.2 市網(wǎng)電壓穩(wěn)壓

由于受負荷增加等影響，市網(wǎng)電壓并不完全穩(wěn)定在220V，有可能激增到240V，也有可能降低到180V[17]。為了使輸出功率更加穩(wěn)定，在高壓電源模塊中必須對輸入的市網(wǎng)電壓進行檢測，使市網(wǎng)電壓穩(wěn)定在220V上下，避免短時過高的電壓損壞元器件。本系統(tǒng)選用ADC0832數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片進行電壓采集。ADC0832是一種8位D/A轉(zhuǎn)換器，最高分辨率可達256級，片內(nèi)有輸入數(shù)據(jù)寄存器，直接與單片機接口連接[18]。所選機床控制變壓器共有4個輸入端，分別為0V、12V、196V、220V，這4個輸入端分別連接一個繼電器，繼電器的驅(qū)動設(shè)計同高壓供電模塊。ADC0832芯片實時讀取轉(zhuǎn)換后的數(shù)值，并通過程序轉(zhuǎn)換成幅值顯示在數(shù)碼管上。當ADC0832采集到的電壓值U>184V時，變壓器輸入端接入0～220V，當172V

2.3 超短波發(fā)生模塊

熱效應(yīng)是人體組織在高頻電場中產(chǎn)生的，本系統(tǒng)的超短波發(fā)生模塊采取推挽式自激振蕩電路，利用兩個三極電子管震蕩產(chǎn)生40.68MHz的高頻電場。發(fā)射線圈兩端接出兩塊電極板，振蕩的高頻高壓信號從發(fā)射線圈傳出，然后通過這兩塊電極板以電磁波的形式輸出高壓高頻能量。超短波的產(chǎn)生需要高壓環(huán)境，本機可供選擇的高壓共有5種，分別對應(yīng)5種不同的治療強度。

2.4 調(diào)諧模塊

由振蕩電路頻率[f=12πLC]可知，調(diào)諧有兩種方法：①改變電感L;②改變電容C，本機采用改變調(diào)諧電容C的方法進行調(diào)諧。超短波理療儀工作在諧振狀態(tài)時輸出效率最高[19]，因此必須進行調(diào)諧。調(diào)諧模塊由功率檢測和阻抗調(diào)諧兩部分組成。功率檢測用于檢測電感線圈的輸出功率，阻抗調(diào)諧用于調(diào)節(jié)功率輸出電路中調(diào)諧電容大小，當檢測到的功率為最大值時停止調(diào)節(jié)調(diào)諧電容。

2.5 輸入與顯示

顯示模塊包含8個數(shù)碼管，顯示治療檔位和治療時間，治療檔位和治療時間通過4個微控按鍵，利用51單片機的外部中斷1進行輸入，按鍵和數(shù)碼管由HD7279芯片控制。HD7279具有串行接口的智能顯示驅(qū)動芯片[20]，可同時驅(qū)動8位共陰數(shù)碼管和連接多達64鍵的鍵盤矩陣。當有按鍵按下時，外部中斷1被觸發(fā)，在中斷1程序中HD7279智能芯片檢測到按鍵值，判斷治療檔位大小和治療時間長短。輸入模塊還包括啟動按鍵和強制關(guān)閉按鍵，強制關(guān)閉按鍵按下將觸發(fā)外部中斷0，在外部中斷0程序中關(guān)閉儀器，外部中斷0的優(yōu)先級要高于外部中斷1。該控制系統(tǒng)的治療時間由定時器1控制，開機預(yù)熱時間由定時器0控制。單片機中斷控制情況見表1。

治療檔位共有5檔，默認治療檔位為空擋，顯示為P0，檔位輸入包含P+、P-兩個按鍵，分別對應(yīng)檔位增加和檔位減小。最長治療時間設(shè)置為30min，默認治療時間是10min，最小時間單位精確到秒，時間輸入包含T+、T-兩個按鍵，分別對應(yīng)治療時間的增加和減小，每次增加或減小時間為1min。復(fù)位按鍵直接連接單片機的復(fù)位端口，當按下復(fù)位按鍵時，數(shù)碼管顯示初始治療時間和治療檔位。

3 控制系統(tǒng)軟件流程

本機選用STC89C54RD+芯片作為系統(tǒng)控制核心。STC89C54RD+支持最高時鐘達到80M，并且支持6時鐘周期模式運行，具有ISP在線系統(tǒng)編程功能，擁有16K ROM和1k RAM以及20個管腳[21]。該儀器需要控制6個模塊，每個模塊需要控制的端口不要求運算高速度和大內(nèi)存，價格相對便宜的STC89C54RD+芯片完全滿足要求?？刂葡到y(tǒng)軟件流程如圖3所示。

超短波理療儀工作過程如下：機器上電運行，初始化單片機，打開總中斷，設(shè)置外部中斷0、外部中斷1為下降沿觸發(fā)，定義定時器T0、T1均為工作方式1;模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片ADC0832采集市網(wǎng)電壓并通過數(shù)碼管顯示，單片機根據(jù)采集到的電壓值控制機床變壓器4個輸入端的通斷進行穩(wěn)壓;開啟定時器T0，儀器預(yù)熱1min;通過按鍵觸發(fā)外部中斷1，輸入治療檔位和治療時間并在數(shù)碼管上顯示;按下開始按鍵，單片機根據(jù)輸入鍵值開啟相應(yīng)的高壓控制繼電器，向超短波發(fā)生電路輸入電壓;按下開始按鍵之后，自動調(diào)諧程序?qū)崟r采集檢波電路電壓并調(diào)節(jié)調(diào)諧電容，同時開啟定時器中斷T1，治療計時程序開啟;當計時結(jié)束或按下強制關(guān)閉按鍵觸發(fā)外部中斷0（高優(yōu)先級）后，儀器停止工作，數(shù)碼管顯示初始治療檔位和治療時間，此時程序結(jié)束。

4 結(jié)語

基于單片機的超短波理療儀控制系統(tǒng)以數(shù)字化形式控制儀器運行，代替了傳統(tǒng)的模擬電路控制方式，更方便智能地實現(xiàn)了對儀器的控制。經(jīng)過上電測試，該控制系統(tǒng)可順利完成軟件流程，儀器運行正常。

超短波療法在炎癥治療方面應(yīng)用較廣泛，對軟組織受傷治療效果更佳，已經(jīng)被廣泛使用。單片機功耗較低，價格便宜，速度快，在康復(fù)醫(yī)療設(shè)備中的應(yīng)用越來越廣。本文介紹了以單片機為核心的超短波理療儀控制系統(tǒng)，以及該系統(tǒng)的低、高壓供電模塊，市網(wǎng)電壓穩(wěn)壓設(shè)計方案，超短波發(fā)生模塊、調(diào)諧模塊、輸入和顯示的實現(xiàn)以及詳細的軟件控制流程。智能化是今后康復(fù)理療設(shè)備的發(fā)展方向，單片機和嵌入式將會在智能理療設(shè)備領(lǐng)域扮演更重要的角色。該控制系統(tǒng)可擴展性高，在輸入、顯示、自動調(diào)諧等方面可向更智能化和多樣化方向擴展。

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（責任編輯：杜能鋼）