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其他型號

基于AT89C2051單片機的超聲波理療儀設(shè)計

     摘要： 給出了一種基于AT89C2051單片機控制的超聲波理療儀的設(shè)計方案。該方案采用高頻和低頻信號雙通道輸入電路， 能產(chǎn)生波形峰值低、穿透力強的特定超聲波能量， 因而可以更加深層地作用于肌肉骨骼上， 起到加速愈合的作用。實踐證明， 此方法經(jīng)濟適用， 且實現(xiàn)簡單。

　　0 引言

　　目前國內(nèi)外的多數(shù)超聲治療儀(理療型) 普遍都是以連續(xù)正弦波(1～3 MHz) 或脈沖正弦波(低頻調(diào)制100 kHz左右) 的方式進行工作， 其輸出聲強≤3.0 W/cm2， 所存在的問題是超聲波主要作用于皮膚、肌肉和結(jié)締組織， 發(fā)射波形峰值高、穿透力差等， 對較深病灶點的治療效果不明顯。因此， 治療和促進肌肉恢復和骨骼愈合需要很長的時間。本設(shè)計的理療儀能產(chǎn)生波形峰值低、穿透力強的特定超聲波能量， 可以更加深層地作用于肌肉骨骼上， 起到加速愈合的作用。本設(shè)計使用電路模塊化的設(shè)計思路， 并結(jié)合實際電路設(shè)計了一種簡單適用的多參數(shù)超聲波治療儀。

　　目前， 該設(shè)計在國內(nèi)外無類似的產(chǎn)品報道， 產(chǎn)品設(shè)計原理涉及許多關(guān)于超聲波對骨傷治療的最前沿的研究成果和報道。

　　1 系統(tǒng)構(gòu)成原理

　　該系統(tǒng)主要分為5個主要模塊。其中單片機控制模塊是系統(tǒng)核心， 它控制著超聲波產(chǎn)生的強度。其他(如MAX038則) 主要是產(chǎn)生高頻波，NE555構(gòu)成多諧振蕩器， 混頻后產(chǎn)生的超聲波經(jīng)過放大輸出， 即可作用于人體的受傷部位， 其基本的系統(tǒng)構(gòu)成如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)基本流程圖

　　本系統(tǒng)的基本工作原理是先由集成芯片MAX038輸出一個高頻信號， 同時由NE555構(gòu)成的多諧振蕩器通過7474 組成的二分頻電路和MAX029以及外圍電路構(gòu)成的低通濾波器得到低頻信號， 再用低頻信號調(diào)制高頻信號， 以得到適當頻率的超聲波。由于信號比較微弱， 所以需要功率放大器來對信號進行放大。這里的功放電路采用三級放大電路， 最后再經(jīng)過換能器輸出， 并由單片機控制超聲波的輸出強度。

　　2 高頻信號的產(chǎn)生

　　產(chǎn)生高頻信號可選用美信公司的MAX038高頻波形發(fā)生器芯片。該方法的各種波形曲線均可以用三角函數(shù)方程式來表示。能夠產(chǎn)生多種波形的函數(shù)信號。函數(shù)信號發(fā)生器也可以由晶體管、運放IC等通用器件制作， 而美信公司的函數(shù)信號發(fā)生器MAX038的頻率高、精度好， 因此， 它被稱為高頻精密函數(shù)信號發(fā)生器IC。該芯片組成的高頻信號產(chǎn)生電路如圖2所示。

圖2 高頻信號產(chǎn)生電路。

　　圖2中， 第3腳和第4腳(即A0和A1腳) 即是控制輸出的波形， 而輸出的波形頻率則由外接電容C1和第8腳和第10腳共同確定。

　　3 低頻信號發(fā)生電路

　　低頻信號發(fā)生模塊電路可采用NE555構(gòu)成多諧振蕩器， 當該振蕩器輸出波形信號后， 再接以7474鎖存器為主要部件組成二分頻電路， 最后再用MAX298組成低通濾波器以進行濾波， 就能得到所需的低頻信號波。MAXIM 公司生產(chǎn)的MAX29X 系列8 階低通開關(guān)電容濾波器由于使用方便、設(shè)計簡單、尺寸小(有8-pin DIP 封裝)，因而在ADC 的反混疊濾波、噪聲分析、電源噪聲抑制等領(lǐng)域得到了廣泛的應用。這里不采用MAX038來產(chǎn)生低頻波的原因主要是兩種波形參雜的直流電平不同時， 其混頻以后效果不明顯。

　　而用MAX298進行濾波， 則可以在5 kHz~10 kHz頻率內(nèi)得到很好的濾波效果， 具體的低頻信號發(fā)生電路如圖3所示。其中振蕩周期由NE555中R1，R2和C1確定， 具體公式為:

圖3 低頻信號發(fā)生電路。

　　4 混頻電路的設(shè)計

　　混頻可以用乘法電路來實現(xiàn)， 并可以用下面的關(guān)系式來設(shè)計電路：

　　因為使用乘法運算電路可以很方便地實現(xiàn)兩個模擬信號的相乘， 而且， 以乘法運算電路為基本單元， 也可以很容易地組成除法、乘方和開方等運算電路。因此， 在無線電通訊領(lǐng)域， 利用乘法運算電路還可以組成調(diào)制， 解調(diào)電路。目前市場上已有可實現(xiàn)乘法運算的集成電路， 稱為模擬乘法器。

　　模擬乘法器的表達式是：

　　式中， k為比例系數(shù)， 一般各電路的比例系數(shù)都不大相同。

　　在本電路的設(shè)計當中， 乘法器主要用于實現(xiàn)兩種信號的相乘， 以將低頻信號變到中頻。本設(shè)計需要兩種頻率的信號， 一種是載波(即高頻信號)， 另一個是調(diào)制波(即低頻信號)。為了實現(xiàn)AM調(diào)制， 需要使用合理的乘法器電路。本設(shè)計選定由Motorola公司的MC1496集成雙平衡模擬乘法器。MC1496是Motorola公司生產(chǎn)的一種性能優(yōu)良的模擬乘法器， 可用作寬帶、抑制載波雙邊帶平衡調(diào)制器， 它不需要耦合變壓器或調(diào)諧電路，還可作為高性能的SSB乘法檢波器、AM解調(diào)/解調(diào)器、FM解調(diào)器、混頻器、倍頻器、鑒相器等。

　　MC1496可以采用單電源， 也可以采用雙電源供電， 兩者效果相同。單電源供電時， 其直流偏置由外接元件來實現(xiàn)。本設(shè)計選用單電源， 單電源供電輸出是對地信號。而在雙電源中， 輸出為雙輸出的差分信號。其具體電路如圖4所示。

圖4 MC1496及其外圍電路。

　　5 功率放大器設(shè)計

　　超聲發(fā)生器的功率放大電路除了要具有一般放大器中的整流、振蕩、放大和保護等通用電路外， 還應有一些特殊的電路， 如頻率自動跟蹤、匹配、功率自動控制、振動系統(tǒng)振幅控制等電路。這些電路是發(fā)生器負載(即換能器) 的特殊性質(zhì)所要求的。通常發(fā)生器有一個最佳負載值(有時亦稱為輸出阻抗)， 只有當實際負載等于此值時， 發(fā)生器才能工作于設(shè)計狀態(tài)， 并向負載提供額定的輸出。否則就需要通過輸出變壓器作阻抗變換。除此之外， 還必須進行調(diào)諧， 因為換能器為一有抗負載， 因此， 直接聯(lián)接到發(fā)生器上會產(chǎn)生相當大的無功損耗， 這不僅會使效率降低，而且會影響到發(fā)生器的安全使用。因而需要有一個電抗相反的元件來“抵消” 換能器中電抗分量的影響， 這就是所謂的調(diào)諧。在此功放中， 比較重要的就是匹配， 由于壓電換能器有靜電容， 而且磁致伸縮換能器有靜電感， 因此， 在換能器諧振狀態(tài)時， 換能器上的電壓與電流間存在著一相位角Φ， 其輸出功率P＝cosΦ。由于準的存在， 輸出功率達不到最大值。只有當Φ=0時， 輸出功率才可達最大值。因此， 為了使換能器上電壓VRL與電流同相(Φ=0)， 就必須在換能器上并聯(lián)或串聯(lián)一個相抵消的阻抗。對于壓電換能器而言， 即并聯(lián)或串聯(lián)一個電感即可， 而磁致伸縮換能器則應并聯(lián)或串聯(lián)一個電容。

　　對于超聲波的功率放大部分， 本文做了一些測量和計算， 實際電路的設(shè)計為三級放大。圖5所示是其前級電路， 其中采用場效應管作為第一級前端放大， 其后使用射集放大電流。每個放大在輸出端都加入了射集輸出電路以此來降低輸出阻抗， 從而達到放大電流的效果。中間級三極管放大電路如圖6所示， 其輸入和輸出都有電容濾波， 并在輸出端加入射集跟隨器， 以降低輸出阻抗。末級三極管放大電路采用東芝公司的2SC3281功率三極管， 其電路如圖7所示。

圖5 前級場效應管放大電路。

圖6 中間級三極管放大電路。

圖7 末級三極管放大電路。

　　6 單片機控制

　　本設(shè)計采用ATMEL公司的AT89C2051單片機來組成控制系統(tǒng)。由于系統(tǒng)的要求不很嚴格， 即不要求高運算速度， 也不要求大內(nèi)存， 而只要求有一定的抗震性， 且價格便宜， 以達到經(jīng)濟實惠的目的即可。因此， 筆者選用AT89C2051型CPU。

　　這種CPU的使用溫度范圍為－40℃~125℃， 有20個管腳， 是8051型CPU的簡易版， 完全能滿足本系統(tǒng)的使用要求。由于主程序主要完成模塊初始化以及自身程序的調(diào)用， 因而其結(jié)構(gòu)清晰簡單， 圖8所示是它的控制軟件流程圖。

　　其次就是初始化模塊， 其作用是讓定時器、中斷等回復到最原始的狀態(tài)。比如使定時器工作在工作方式1， 定時器1的中斷優(yōu)先級最高等等。

　　它的初始化流程圖如圖9所示。

圖8 單片機控制流程圖。

圖9 初始化流程圖。

　　第三就是功率輸出調(diào)節(jié)， 本理療儀輸出功率共分三檔(低、中、高)， 設(shè)計時采用單片機輸出控制后續(xù)BJT電路的靜態(tài)偏置電壓， 從而改變BJT靜態(tài)工作點， 使壓電晶體兩端的輸出電壓幅度發(fā)生變化， 以調(diào)節(jié)輸出功率。設(shè)計時可通過外部按鍵中斷來調(diào)用中斷服務程序， 從而實現(xiàn)這一功能。其原理是通過按鍵的次數(shù)來判斷進入哪一個中斷， 并且調(diào)用相應的子程序。由于這里的功率分為三檔， 因此， 可用按鍵次數(shù)除以4所得的余數(shù)來判斷， 即：

　　如果按鍵次數(shù)為4N (N=0， 1， 2， 3……..)，那么不輸出功率；

　　如果按鍵次數(shù)為4N +1 ( N =0， 1， 2， 3………)， 則調(diào)用低功率輸出子程序；

　　以此類推， 便可以實現(xiàn)三種不同功率的輸出。

　　以下是其部分代碼：

　　INT0SER: ACALL DELAY ;延時程序去處按鍵抖動

　　·······

　　MOV B， #04H ;設(shè)置除數(shù)為4

　　MOV A， R3 ;設(shè)置被除數(shù)

　　DIV AB

　　MOV A， B ;取得余數(shù)

　　MOV R3， B

　　RL A

　　ADD A， R3

　　MOV R5， A ;設(shè)置偏移量為3

　　個字節(jié)

　　MOV DPTR， #PMTB ; 取表

　　首地址

　　JMP @A+DPTR ;判斷按鍵次數(shù)跳轉(zhuǎn)到相應的輸出程序

　　7 結(jié)束語

　　本設(shè)計主要給出了超聲波從產(chǎn)生到控制的一個較詳細的實現(xiàn)方案。相對于其他方法， 此方案較為簡單， 并且成本較低， 用的器件都是比較常見的。高頻和低頻信號獨立產(chǎn)生， 便于對兩種信號進行調(diào)整， 而且用單片機作為控制芯片， 其靈活性較高， 同時還可以根據(jù)不同的要求進行修改， 從而滿足各種實際需求。