王科 王云光 程海憑 王鑫

摘 要：為實(shí)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(jī)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(xì)介紹了軟件控制流程。經(jīng)過(guò)通電測(cè)試，儀器正常運(yùn)行，測(cè)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(jī)

DOI：10. 11907/rjdk. 181911

中圖分類號(hào)：TP319文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：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(zhǎng)為1～10m的超高頻交流電作用于人體組織以達(dá)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(chǎng)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(xì)胞繁殖，促進(jìn)血液循環(huán)，對(duì)消炎和傷口愈合治療效果明顯[3-5]。臨床實(shí)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(guó)制造2025”把高性能醫(yī)療器械列為未來(lái)重點(diǎn)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(guó)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(guó)外已經(jīng)基本實(shí)現(xiàn)了數(shù)字化控制，以美國(guó)DJO公司生產(chǎn)的1602超短波理療儀最為先進(jìn)，其由嵌入式控制，觸摸屏顯示，智能化程度相對(duì)較高。國(guó)內(nèi)超短波理療儀研究成果主要有：種曉晨[9]針對(duì)電源完整性和信號(hào)完整性對(duì)超短波理療儀進(jìn)行抗干擾和電磁兼容性設(shè)計(jì);程繼旺[10]基于dsPIC30F6010數(shù)字信號(hào)控制器設(shè)計(jì)了超短波理療儀的檢測(cè)系統(tǒng)，降低了輸出信號(hào)的信噪比;楊依華[11]對(duì)超短波理療儀系統(tǒng)設(shè)計(jì)進(jìn)行綜述并提出了4種測(cè)控系統(tǒng)性能指標(biāo);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(jìn)行硬件優(yōu)化設(shè)計(jì)，對(duì)超短波理療儀的數(shù)字化控制研究有限。本文設(shè)計(jì)一套基于單片機(jī)的超短波理療儀控制系統(tǒng)，實(shí)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(jì)

超短波理療儀控制系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)如圖1所示，該系統(tǒng)主要由單片機(jī)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(jī)微控制器控制各模塊的有效運(yùn)行。治療檔位和治療時(shí)間通過(guò)輸入按鍵輸入并由數(shù)碼管顯示，治療結(jié)束時(shí)會(huì)發(fā)出報(bào)警提醒。儀器開(kāi)始運(yùn)行后，調(diào)諧電路采樣模塊在超短波輸出端實(shí)時(shí)檢測(cè)功率，將采樣數(shù)據(jù)發(fā)送至單片機(jī)計(jì)算，判斷電路是否達(dá)到諧振狀態(tài)。如果沒(méi)有達(dá)到，單片機(jī)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(shí)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(gè)降壓變壓器，經(jīng)過(guò)半波整流和濾波，然后通過(guò)穩(wěn)壓芯片7805進(jìn)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(dòng)電壓[14]。低壓供電模塊主要給單片機(jī)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(jī)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(shí)現(xiàn)多個(gè)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(guò)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(gè)繼電器，繼電器通過(guò)驅(qū)動(dòng)芯片ULN2003和光偶隔離芯片TLP521-4與單片機(jī)連接。ULN2003是一種耐高壓、大電流的達(dá)林頓陣列，常應(yīng)用于步進(jìn)電機(jī)、繼電器等大電流驅(qū)動(dòng)元件[15]。TLP521-4主要應(yīng)用于隔離模擬電路對(duì)數(shù)字電路中單片機(jī)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(dāng)單片機(jī)輸出低電平“0”時(shí)，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(dòng)，變壓器輸出對(duì)應(yīng)的高壓。按此原理，單片機(jī)通過(guò)輸出高低電平控制繼電器的通斷，選擇不同的治療檔位。當(dāng)6組變壓器全部接通時(shí)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(fù)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(duì)輸入的市網(wǎng)電壓進(jìn)行檢測(cè)，使市網(wǎng)電壓穩(wěn)定在220V上下，避免短時(shí)過(guò)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(jìn)行電壓采集。ADC0832是一種8位D/A轉(zhuǎn)換器，最高分辨率可達(dá)256級(jí)，片內(nèi)有輸入數(shù)據(jù)寄存器，直接與單片機(jī)接口連接[18]。所選機(jī)床控制變壓器共有4個(gè)輸入端，分別為0V、12V、196V、220V，這4個(gè)輸入端分別連接一個(gè)繼電器，繼電器的驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)同高壓供電模塊。ADC0832芯片實(shí)時(shí)讀取轉(zhuǎn)換后的數(shù)值，并通過(guò)程序轉(zhuǎn)換成幅值顯示在數(shù)碼管上。當(dāng)ADC0832采集到的電壓值U>184V時(shí)，變壓器輸入端接入0～220V，當(dāng)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(chǎng)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(gè)三極電子管震蕩產(chǎn)生40.68MHz的高頻電場(chǎng)。發(fā)射線圈兩端接出兩塊電極板，振蕩的高頻高壓信號(hào)從發(fā)射線圈傳出，然后通過(guò)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(jī)可供選擇的高壓共有5種，分別對(duì)應(yīng)5種不同的治療強(qiáng)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(jī)采用改變調(diào)諧電容C的方法進(jìn)行調(diào)諧。超短波理療儀工作在諧振狀態(tài)時(shí)輸出效率最高[19]，因此必須進(jìn)行調(diào)諧。調(diào)諧模塊由功率檢測(cè)和阻抗調(diào)諧兩部分組成。功率檢測(cè)用于檢測(cè)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(dāng)檢測(cè)到的功率為最大值時(shí)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(gè)數(shù)碼管，顯示治療檔位和治療時(shí)間，治療檔位和治療時(shí)間通過(guò)4個(gè)微控按鍵，利用51單片機(jī)的外部中斷1進(jìn)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(dòng)芯片[20]，可同時(shí)驅(qū)動(dòng)8位共陰數(shù)碼管和連接多達(dá)64鍵的鍵盤(pán)矩陣。當(dāng)有按鍵按下時(shí)，外部中斷1被觸發(fā)，在中斷1程序中HD7279智能芯片檢測(cè)到按鍵值，判斷治療檔位大小和治療時(shí)間長(zhǎng)短。輸入模塊還包括啟動(dòng)按鍵和強(qiáng)制關(guān)閉按鍵，強(qiáng)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(jí)要高于外部中斷1。該控制系統(tǒng)的治療時(shí)間由定時(shí)器1控制，開(kāi)機(jī)預(yù)熱時(shí)間由定時(shí)器0控制。單片機(jī)中斷控制情況見(jiàn)表1。

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

3 控制系統(tǒng)軟件流程

本機(jī)選用STC89C54RD+芯片作為系統(tǒng)控制核心。STC89C54RD+支持最高時(shí)鐘達(dá)到80M，并且支持6時(shí)鐘周期模式運(yùn)行，具有ISP在線系統(tǒng)編程功能，擁有16K ROM和1k RAM以及20個(gè)管腳[21]。該儀器需要控制6個(gè)模塊，每個(gè)模塊需要控制的端口不要求運(yùn)算高速度和大內(nèi)存，價(jià)格相對(duì)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(guò)程如下：機(jī)器上電運(yùn)行，初始化單片機(jī)，打開(kāi)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(shí)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(guò)數(shù)碼管顯示，單片機(jī)根據(jù)采集到的電壓值控制機(jī)床變壓器4個(gè)輸入端的通斷進(jìn)行穩(wěn)壓;開(kāi)啟定時(shí)器T0，儀器預(yù)熱1min;通過(guò)按鍵觸發(fā)外部中斷1，輸入治療檔位和治療時(shí)間并在數(shù)碼管上顯示;按下開(kāi)始按鍵，單片機(jī)根據(jù)輸入鍵值開(kāi)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(kāi)始按鍵之后，自動(dòng)調(diào)諧程序?qū)崟r(shí)采集檢波電路電壓并調(diào)節(jié)調(diào)諧電容，同時(shí)開(kāi)啟定時(shí)器中斷T1，治療計(jì)時(shí)程序開(kāi)啟;當(dāng)計(jì)時(shí)結(jié)束或按下強(qiáng)制關(guān)閉按鍵觸發(fā)外部中斷0（高優(yōu)先級(jí)）后，儀器停止工作，數(shù)碼管顯示初始治療檔位和治療時(shí)間，此時(shí)程序結(jié)束。

4 結(jié)語(yǔ)

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

超短波療法在炎癥治療方面應(yīng)用較廣泛，對(duì)軟組織受傷治療效果更佳，已經(jīng)被廣泛使用。單片機(jī)功耗較低，價(jià)格便宜，速度快，在康復(fù)醫(yī)療設(shè)備中的應(yīng)用越來(lái)越廣。本文介紹了以單片機(jī)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(jì)方案，超短波發(fā)生模塊、調(diào)諧模塊、輸入和顯示的實(shí)現(xiàn)以及詳細(xì)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(jī)和嵌入式將會(huì)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(kuò)展性高，在輸入、顯示、自動(dòng)調(diào)諧等方面可向更智能化和多樣化方向擴(kuò)展。

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（責(zé)任編輯：杜能鋼）