摘 要：介紹一種基于C8051F020單片機控制的低溫冷凍治療儀，重點闡述低溫冷凍治療儀的溫度測量電路、報警電路、通信接口電路以及LCD與單片機的接口顯示電路結構及原理。結果表明該低溫冷凍治療儀使用方便、結構簡單、成本較低、可靠性高，可顯示、可報警；治療儀性能可靠，使用方便，對研究低溫冷凍治療具有重要的臨床應用價值。

關鍵詞：低溫治療；溫度測量；熱電偶；非線性

中圖分類號：TP368.1 文獻標識碼：B

文章編號：1004-373X(2008)06-040-03

Development of a Low Temperature Cryosurgical Equipment Based on C8051F020

ZENG Shan 2，LU Yaosheng2，LIN Qitao2，DAI Jundi2，ZHANG Maojun2，SONG Liguo2

(1.Institute of Tissue Transplantation and Immunology，Jinan University，Guangzhou，510632，China；

2.Jinan University，Guangzhou，510632，China)

Abstract：A cryotherapeutic instrument controlled by C8051F020 single chip is introduced in this study.We mainly describe its electronic cycles for temperature measurement and for alarming，as well as the structure and principle of LCD and SCM interface electronic cycle.Having a simpler structure and lower costage，this instrument is easier to be handled，and it has great potential to be used clinically.

Keywords：cryotherapy；temperature measurement；thermocouple；nonlinear

低溫冷凍治療的醫(yī)學原理是一種利用低溫器械，利用局部超低溫或低溫冷凍促使病變組織快速降溫、凍結及復溫融化，從而產(chǎn)生一系列不可逆損傷而達到消除病灶的治療方法。他具有麻醉鎮(zhèn)痛、止血和減少出血、反應輕、安全性高以及有冷凍免疫等優(yōu)點，因而在臨床上逐漸引起關注。因此，研制出一種基于單片機控制的具有溫度測量與顯示、治療時間顯示、定時報警功能治療儀，且具備串行通信接口，可將冷凍治療手術數(shù)據(jù)輸出，便于病歷統(tǒng)計和回顧分析，以供臨床研究時參考。

1 系統(tǒng)硬件設計

系統(tǒng)構成如圖1所示。該儀器系統(tǒng)主要由5部分組成：熱電偶放大器測溫電路、低通濾波電路、治療時間報警電路、串行通信接口電路和C8051F020單片機與LCD接口顯示電路。

圖1 治療儀系統(tǒng)構成

測溫探針采用把熱電偶探針封裝在冷凍治療用的探頭中，測溫探針感知病灶中的治療溫度，通過測溫電路把溫度變化轉化為電壓變化，電壓經(jīng)AD595熱電偶放大器放大和冷端補償后，經(jīng)低通濾波接入C8051F020單片機中，利用單片機對信號進行處理、控制。采用液晶顯示器(LCD)顯示探頭溫度和治療時間以及對治療時間進行定時報警。測量范圍：-76 ℃～+40 ℃；測量精度為：±0.5 ℃。

1.1 測溫電路

熱電偶放大器選用帶具有冷端補償?shù)腁D595單片熱電偶放大器，AD595經(jīng)激光修整預調(diào)配合K型(鎳鉻-鎳鋁) 熱電偶工作，具有冷端自動補償功能；低阻抗電壓溫度線性輸出(10 mV/℃)，為實現(xiàn)10 mV/℃的線性輸出及進行準確的溫度補償，AD595經(jīng)激光修整預調(diào)，在25 ℃時匹配K型熱電偶的傳輸特性；在25 ℃處K型熱電偶存在40.44 μV/ ℃的溫度系數(shù)；因而AD595的增益為(10 mV/40.44 μV = 247.3)。由于激光修整引入11 μV 的靜態(tài)電位到輸出放大器，因此AD595實際輸出VO為：

VO=(VK+11 μV)×247.3

式中：VO為AD595 輸出電壓；VK為熱電偶輸出電勢。

在本系統(tǒng)的儀器設計過程中，為了提高精度，選用K型熱電偶作為測溫元器件， AD595熱電偶放大器采用±5 V雙電源供電，電路如圖2所示。其中+5 V電壓是通過SPX117-5芯片電壓轉換得到，他的電壓轉換電路如圖3所示。其中-5 V電源是由ICL7660芯片電壓轉換得到的，他的電壓轉換電路如圖4所示。

1.2 低通濾波電路

在測溫電路把溫度變化轉化為電壓變化，電壓經(jīng)熱電偶放大器放大和冷端補償后，經(jīng)過低通濾波，選擇低通濾波目的是消除外界干擾，并有較好的帶負載能力。

圖2 AD595測溫電路

圖3 9 V電源轉換為5 V電壓電路圖

圖4 5 V電壓轉換為-5 V電壓電路圖

1.3 定時報警電路

當設計的低溫冷凍治療儀治療時間到達整分鐘時，蜂鳴器響1次，持續(xù)時間為1 s，以提醒醫(yī)生治療時間，方便醫(yī)生進行手術判斷，提高治療儀的安全性和可靠性，報警電路如圖5所示。

圖5 報警電路

圖5中電阻R11，R12及三極管Q₁組成放大電路。當BUZZER為“高”電平的時候Q₁導通，二極管反偏，蜂鳴器有電流流過，發(fā)出蜂鳴聲；當BUZZER為“低”電平的時候Q₁截止，蜂鳴器不工作。二極管用于保護蜂鳴器，防止其反向電壓過大。

1.4 串行通信接口電路

治療儀采用MAX202芯片實現(xiàn)C8051F020單片機與RS 232通信標準連接框圖如圖6所示，PC機與單片機之間進行通信時，也要考慮通信協(xié)議的問題，雙方應共同約定通信的波特率、數(shù)據(jù)通信格式、控制命令字和狀態(tài)格式等。在本治療儀設計中，雙方約定：波特率：115 200 Baud；信息格式：8個數(shù)據(jù)位，1個停止位。

圖6 串行通信接口電路

1.5 單片機與LCD接口電路

LCD具有體積、功耗低和可靠性高的優(yōu)點，在電子信息產(chǎn)品中得到廣泛應用，特別是在電池供電的單片機產(chǎn)品中，比較普遍使用。本治療儀采用ACM12864型的LCD模塊，他與帶A/D轉換的C8051F020單片機接口電路見圖7。

圖7 單片機與LCD接口電路

溫度電壓信號經(jīng)過低通濾波后信號進入單片機，經(jīng)A/D轉換，溫度顯示在LCD上，當溫度低于0 ℃時，開始計算治療時間，時間顯示在LCD上。

2 軟件設計

治療儀軟件的程序包括溫度測量、顯示、報警和通信等程序，其中熱電偶非線性校正是關鍵部分，非線性校正又稱線性化過程，是智能化測量儀表的一項重要功能，一般采用的線性方法大致有幾種：一種是計算方法，即先應用數(shù)學上的曲線擬合方法對熱電勢和對應溫度進行擬合，得出誤差最?。灰环N是直接查表法，對分度表不經(jīng)處理，直接按一定的排列形式存入，用測得的A/D轉換值靠軟件搜索查得相對應的溫度值。以上方法都的各自的優(yōu)點，但他們所占的字節(jié)數(shù)比較大，治療儀采用分段直線擬合方法就可以達到較高的精度，同時又不會消耗太多的系統(tǒng)資源。其基本原理是，預先根據(jù)分度值表計算出A/D轉換值對應折點的溫度值T0 ，T1，…，TN，形成數(shù)據(jù)表，單片機進行修正時，根據(jù)測量值的大小，找到合適的修正直線段兩個端點溫度值，通過簡單計算求出被測溫度。

3 結 語

基于單片機C8051F020控制的低溫冷凍治療儀，運用單片機技術，采用分段直線擬合方法作為線性化處理，既能保證測量精度，又能提高了測量效率。該治療儀使用方便、結構簡單、成本較低、運行穩(wěn)定、可靠性高等優(yōu)點，對研究低溫冷凍治療具有重要的臨床應用價值。

參考文獻

[1]李喆，陳光杰，樊英杰，等.低溫冷凍治療儀的研制[J].醫(yī)療衛(wèi)生裝備，1999(1)：1-3.

[2]錢進.熱電偶溫度傳感器冷端補償和信號線性化\\[J\\].長江工程職業(yè)技術學院學報，2004(2)：32-34.

[3]陳浩，鄧忠華，余紅梅.熱電偶測溫系統(tǒng)原理及應用\\[J\\].制造業(yè)自動化，2004(9)：68-71.

[4]卜英勇，王紀嬋，趙海鳴，等.基于單片機的高精度超聲波測距系統(tǒng)\\[J\\].儀表技術與傳感器，2007(3)：66-68.

[5]姜忠良，陳秀云.溫度的測量與控制\\[M\\].北京：清華大學出版社，2005.

[6]Lee F，Bahn D K，Badalament R A，et al.Cryosurgery for Prostatecancer：Improved Glandular Ablation by Use of 6 to 8 Cryoprobes.Urology，1999，54：135-140.

[7]華新.帶冷端補償?shù)膯纹瑹犭娕挤糯笃鰽D594/ AD595 及其應用\\[J\\].國外電子元器件，1996(12)：17-18.

[8]張迎新，雷文.C8051F系列SoC單片機原理及應用\\[M\\].北京：國防工業(yè)出版社，2005.

[9]章崧英，王澤時，鄭斯涌.實用低溫醫(yī)學\\[M\\].北京：科學出版社，1994.

[10]胡鴻才，賀貴明.基于C8051F的電量測量與傳輸系統(tǒng)\\[J\\].現(xiàn)代電子技術，2006，29(9)：83-85.

作者簡介 曾 山 1974年出生，實驗師。主要從事虛擬儀器與儀表儀器的研究工作。

注：本文中所涉及到的圖表、注解、公式等內(nèi)容請以PDF格式閱讀原文。