孫 英，趙丹楓，李 雪，管尚書，陳朋宇

(河北工業(yè)大學(xué) 電氣工程學(xué)院,天津 300130)

0 引 言

下肢靜脈曲張是一種外科疾病，患病原因在于長(zhǎng)時(shí)間站立及運(yùn)動(dòng)，可對(duì)患者正常的生活帶來嚴(yán)重影響[1-2]。我國目前大約有一億人患有不同程度的靜脈曲張。臨床表現(xiàn)常見為表層血管像蚯蚓一樣曲張，明顯凸出皮膚，曲張呈團(tuán)狀或結(jié)節(jié)狀，下肢會(huì)出現(xiàn)疼痛，局部紅腫，行走困難[3]。近年來，靜脈曲張患者成上升趨勢(shì)，為此設(shè)計(jì)了靜脈曲張預(yù)防儀，希望可以有效緩解這一趨勢(shì)。

靜脈曲張預(yù)防儀利用薄膜壓力傳感器、MSP430單片機(jī)、NRF24L01單片射頻收發(fā)器件、藍(lán)牙等先進(jìn)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)用戶在工作時(shí)可以自動(dòng)進(jìn)行按摩的功能。通過手機(jī)藍(lán)牙串口APP設(shè)置站立時(shí)間和按摩時(shí)間來進(jìn)行調(diào)控，給用戶更好地體驗(yàn)。本項(xiàng)目是學(xué)生根據(jù)生活中的實(shí)際問題，在學(xué)習(xí)了單片機(jī)基礎(chǔ)知識(shí)[4-5]及相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)[6-7]以后，開始研究、申請(qǐng)立項(xiàng)、參加科技競(jìng)賽。在2018年第四屆全國大學(xué)生生物醫(yī)學(xué)工程創(chuàng)新設(shè)計(jì)競(jìng)賽自選組獲得一等獎(jiǎng)的好成績(jī)[8]，希望項(xiàng)目成果能應(yīng)用于實(shí)際生活中，為人們的健康生活服務(wù)。

1 系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

靜脈曲張預(yù)防儀的方案整體設(shè)計(jì)框圖如圖1所示。靜脈曲張預(yù)防儀工作原理示意圖如圖2所示，靜脈曲張預(yù)防儀可分為主機(jī)、從機(jī)兩個(gè)模塊，兩個(gè)模塊之間用NRF24L01無線收發(fā)模塊相連，用普通I/O模擬SPI通信方式實(shí)現(xiàn)單片機(jī)MSP430的串口通信。主機(jī)部分利用壓力傳感器的壓力大引起電阻值增大的特點(diǎn)，分得相應(yīng)的電壓，將該電壓輸入比較器LM393的IN1端口，與設(shè)置好的閾值電壓相比較，在LM393OUT端口得到高低電平，將其輸入單片機(jī)的pin2、7，單片機(jī)利用外部晶振對(duì)高低電平進(jìn)行計(jì)時(shí)，實(shí)現(xiàn)人在站立時(shí)實(shí)時(shí)秒數(shù)增加，坐下休息時(shí)實(shí)時(shí)秒數(shù)減少的功能。實(shí)時(shí)秒數(shù)最小減到0，最大增加到用戶在手機(jī)藍(lán)牙串口APP端設(shè)置的站立檢測(cè)時(shí)間，當(dāng)站立檢測(cè)的實(shí)時(shí)秒數(shù)時(shí)間達(dá)到此設(shè)定時(shí)間時(shí)，NRF24L01發(fā)送指令給從機(jī)。從機(jī)部分利用NRF24L01接收該指令，復(fù)合晶體管ULN2003發(fā)出指令啟動(dòng)振動(dòng)電機(jī)，達(dá)到設(shè)置時(shí)間電機(jī)停止振動(dòng)。設(shè)置時(shí)間是由手機(jī)利用藍(lán)牙發(fā)送給主機(jī)MSP430，主機(jī)再發(fā)送給從機(jī)。

圖1 方案整體設(shè)計(jì)框圖

圖2 工作原理示意圖

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 主機(jī)硬件電路

主機(jī)硬件電路如圖3所示，由足底壓力檢測(cè)模塊、單片機(jī)復(fù)位電路模塊、單片機(jī)晶振模塊、單片機(jī)、指示燈、電源指示燈、NRF24L01無線收發(fā)模塊、藍(lán)牙模塊和電源電路等模塊組成。

2.2 從機(jī)硬件電路

從機(jī)硬件電路如圖4所示，由電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、單片機(jī)復(fù)位電路模塊、單片機(jī)晶振電路模塊、單片機(jī)、指示燈、電源指示燈、NRF24L01無線收發(fā)模塊和電源電路模塊等8個(gè)模塊組成。

2.3 主要模塊介紹

(1)MSP430單片機(jī)。近年來MSP430 單片機(jī)以其超低功耗、強(qiáng)大處理能力等特點(diǎn)[9]，已經(jīng)逐步取代其他型號(hào)的單片機(jī)，得到廣泛應(yīng)用；所以，熟悉使用新型單片機(jī)，使學(xué)生學(xué)習(xí)的技術(shù)緊跟時(shí)代發(fā)展的步伐，十分必要[10]。

本系統(tǒng)采用MSP430單片機(jī)[11-12]作為主機(jī)和從機(jī)的控制核心，接收傳感器整流、濾波后的信號(hào)，實(shí)現(xiàn)計(jì)數(shù)、定時(shí)功能，同時(shí)與振動(dòng)片連接，控制其振動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)按摩功能。

(2)藍(lán)牙模塊。智能手機(jī)都自帶有藍(lán)牙功能，可以實(shí)現(xiàn)與另一藍(lán)牙設(shè)備連接并且相互收發(fā)數(shù)據(jù)[13]，滿足本設(shè)計(jì)需要。利用藍(lán)牙模塊通過編程實(shí)現(xiàn)手機(jī)和主機(jī)、從機(jī)之間的連接，可以調(diào)控站立檢測(cè)時(shí)間和振動(dòng)按摩時(shí)間。

(3)NRF24L01無線收發(fā)模塊。NRF24L01是一款新型單片射頻收發(fā)器件，工作于2.4～2.5 GHz ISM頻段[14]。內(nèi)置頻率合成器、功率放大器、晶體振蕩器、調(diào)制器等功能模塊，并融合了增強(qiáng)型突發(fā)傳遞(ShockBurst)技術(shù)，其中輸出功率和通信頻道可通過程序進(jìn)行配置[15]。NRF24L01功耗低，在以-6 dBm的功率發(fā)射時(shí)，工作電流也只有9 mA；接收時(shí)，工作電流只有12.3 mA，多種低功率工作模式，工作在100 mW時(shí)電流為160 mA，在數(shù)據(jù)傳輸方面實(shí)現(xiàn)相對(duì)WiFi距離更遠(yuǎn)。雖然藍(lán)牙可以實(shí)現(xiàn)多對(duì)多設(shè)備通信，但是編程過程復(fù)雜、實(shí)現(xiàn)起來比較困難，所以使用能實(shí)現(xiàn)相同功能的NRF24L01進(jìn)行串口通信。

圖3 主機(jī)硬件電路

圖4 從機(jī)硬件電路

(4)供電模塊。主機(jī)和從機(jī)的供電都是由3節(jié)1.5 V干電池串聯(lián)供電，利用ams1117-3.3正向低壓降穩(wěn)壓芯片為MSP430單片機(jī)提供3.3 V工作電壓。ams1117是一個(gè)正向低壓降穩(wěn)壓器，在1 A電流下壓降為1.2 V。ams1117內(nèi)部集成過熱保護(hù)和限流電路，是電池供電和便攜式計(jì)算機(jī)的最佳選擇[16]。

3 軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)微處理器采用MSP430單片機(jī)，采用模塊化編程設(shè)計(jì)，系統(tǒng)程序有主程序和一系列的子程序構(gòu)成。主程序負(fù)責(zé)系統(tǒng)的初始化及各子程序的調(diào)用，其流程如圖5所示。各子程序流程如圖6所示，包括串口的初始化、手機(jī)藍(lán)牙連接、串口高低電平掃描、計(jì)時(shí)、驅(qū)動(dòng)振動(dòng)電機(jī)工作及NRF24L01收發(fā)模塊的工作等程序。

圖5 主程序流程圖

圖6 子程序流程圖

4 系統(tǒng)聯(lián)調(diào)

系統(tǒng)聯(lián)調(diào)需要用軟件keil 5編程并錄入后進(jìn)行，需要聯(lián)調(diào)程序的主要有壓力傳感器、振動(dòng)馬達(dá)、NRF24L01、藍(lán)牙模塊等，系統(tǒng)實(shí)物如圖7所示。

(a)檢測(cè)控制部分

(b)按摩控制部分

5 結(jié) 語

靜脈曲張預(yù)防儀，利用藍(lán)牙實(shí)現(xiàn)無線連接，減少占用空間，更方便于佩戴者的活動(dòng)。預(yù)防儀實(shí)用性較強(qiáng)，攜帶者隨時(shí)隨地可以自動(dòng)進(jìn)行按摩，解放雙手。本產(chǎn)品適用人群廣泛，教師、理發(fā)師、外科醫(yī)生等需要長(zhǎng)久站立的工作人員。肥胖人群也是易發(fā)人群，雖然肥胖不是直接原因，但過重的力量在腿上，可能會(huì)造成腿部靜脈回流不暢，使靜脈擴(kuò)張嚴(yán)重，孕婦也是如此。

目前靜脈曲張患者還在呈上升趨勢(shì)，且危害很多，站立問題形勢(shì)嚴(yán)峻，靜脈曲張預(yù)防儀可以有效地將靜脈曲張遏制在萌芽階段，市場(chǎng)前景良好。