《電子技術(shù)應(yīng)用》
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基于AT89C2051單片機(jī)的超聲波理療儀設(shè)計(jì)
電子元器件應(yīng)用
史欽文,,祝忠明,劉再東,周 波
摘要: 給出了一種基于AT89C2051單片機(jī)控制的超聲波理療儀的設(shè)計(jì)方案,。該方案采用高頻和低頻信號(hào)雙通道輸入電路,能產(chǎn)生波形峰值低,、穿透力強(qiáng)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(shí)踐證明,,此方法經(jīng)濟(jì)適用,且實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單,。
Abstract:
Key words :

摘要:給出了一種基于AT89C2051單片機(jī)控制的超聲波理療儀的設(shè)計(jì)方案,。該方案采用高頻和低頻信號(hào)雙通道輸入電路,能產(chǎn)生波形峰值低,、穿透力強(qiáng)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(shí)踐證明,,此方法經(jīng)濟(jì)適用,且實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單,。
關(guān)鍵詞:AT89C2051,;MAX038;超聲波,;理療儀

0 引言
    目前國(guó)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(jìn)行工作,,其輸出聲強(qiáng)≤3.0 W/cm2,所存在的問(wèn)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(duì)較深病灶點(diǎn)的治療效果不明顯,。因此,治療和促進(jìn)肌肉恢復(fù)和骨骼愈合需要很長(zhǎng)的時(shí)間,。本設(shè)計(jì)的理療儀能產(chǎn)生波形峰值低,、穿透力強(qiáng)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(jì)使用電路模塊化的設(shè)計(jì)思路,并結(jié)合實(shí)際電路設(shè)計(jì)了一種簡(jiǎn)單適用的多參數(shù)超聲波治療儀,。目前,,該設(shè)計(jì)在國(guó)內(nèi)外無(wú)類(lèi)似的產(chǎn)品報(bào)道,,產(chǎn)品設(shè)計(jì)原理涉及許多關(guān)于超聲波對(duì)骨傷治療的最前沿的研究成果和報(bào)道。

1 系統(tǒng)構(gòu)成原理
    該系統(tǒng)主要分為5個(gè)主要模塊,。其中單片機(jī)控制模塊是系統(tǒng)核心,,它控制著超聲波產(chǎn)生的強(qiáng)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(guò)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。

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    本系統(tǒng)的基本工作原理是先由集成芯片MAX038輸出一個(gè)高頻信號(hào),,同時(shí)由NE555構(gòu)成的多諧振蕩器通過(guò)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(hào),,再用低頻信號(hào)調(diào)制高頻信號(hào),以得到適當(dāng)頻率的超聲波,。由于信號(hào)比較微弱,,所以需要功率放大器來(lái)對(duì)信號(hào)進(jìn)行放大。這里的功放電路采用三級(jí)放大電路,,最后再經(jīng)過(guò)換能器輸出,,并由單片機(jī)控制超聲波的輸出強(qiáng)度。

2 高頻信號(hào)的產(chǎn)生
    產(chǎn)生高頻信號(hào)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(lái)表示,。能夠產(chǎn)生多種波形的函數(shù)信號(hào)。函數(shù)信號(hào)發(fā)生器也可以由晶體管,、運(yùn)放IC等通用器件制作,,而美信公司的函數(shù)信號(hào)發(fā)生器MAX038的頻率高、精度好,,因此,,它被稱(chēng)為高頻精密函數(shù)信號(hào)發(fā)生器IC。該芯片組成的高頻信號(hào)產(chǎn)生電路如圖2所示,。

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    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(hào)發(fā)生電路
    低頻信號(hào)發(fā)生模塊電路可采用NE555構(gòu)成多諧振蕩器,,當(dāng)該振蕩器輸出波形信號(hào)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(jìn)行濾波,,就能得到所需的低頻信號(hào)波。MAXIM公司生產(chǎn)的MAX29X系列8階低通開(kāi)關(guān)電容濾波器由于使用方便,、設(shè)計(jì)簡(jiǎn)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(yīng)用,。這里不采用MAX03 8來(lái)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(shí),其混頻以后效果不明顯,。而用MAX298進(jìn)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(hào)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:
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4 混頻電路的設(shè)計(jì)
    混頻可以用乘法電路來(lái)實(shí)現(xiàn),,并可以用下面的關(guān)系式來(lái)設(shè)計(jì)電路:
    e.JPG
    因?yàn)槭褂贸朔ㄟ\(yùn)算電路可以很方便地實(shí)現(xiàn)兩個(gè)模擬信號(hào)的相乘,,而且,以乘法運(yùn)算電路為基本單元,,也可以很容易地組成除法,、乘方和開(kāi)方等運(yùn)算電路。因此,,在無(wú)線電通訊領(lǐng)域,,利用乘法運(yùn)算電路還可以組成調(diào)制,解調(diào)電路,。目前市場(chǎng)上已有可實(shí)現(xiàn)乘法運(yùn)算的集成電路,,稱(chēng)為模擬乘法器。
    模擬乘法器的表達(dá)式是:
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    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(jì)當(dāng)中,,乘法器主要用于實(shí)現(xiàn)兩種信號(hào)的相乘,,以將低頻信號(hào)變到中頻。本設(shè)計(jì)需要兩種頻率的信號(hào),,一種是載波(即高頻信號(hào)),,另一個(gè)是調(diào)制波(即低頻信號(hào))。為了實(shí)現(xiàn)AM調(diào)制,,需要使用合理的乘法器電路,。本設(shè)計(jì)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(shí),,其直流偏置由外接元件來(lái)實(shí)現(xiàn),。本設(shè)計(jì)選用單電源,單電源供電輸出是對(duì)地信號(hào),。而在雙電源中,,輸出為雙輸出的差分信號(hào)。其具體電路如圖4所示,。

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5 功率放大器設(shè)計(jì)
    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(hù)等通用電路外,,還應(yīng)有一些特殊的電路,如頻率自動(dòng)跟蹤,、匹配,、功率自動(dòng)控制、振動(dòng)系統(tǒng)振幅控制等電路,。這些電路是發(fā)生器負(fù)載(即換能器)的特殊性質(zhì)所要求的,。通常發(fā)生器有一個(gè)最佳負(fù)載值(有時(shí)亦稱(chēng)為輸出阻抗),只有當(dāng)實(shí)際負(fù)載等于此值時(shí),,發(fā)生器才能工作于設(shè)計(jì)狀態(tài),,并向負(fù)載提供額定的輸出。否則就需要通過(guò)輸出變壓器作阻抗變換,。除此之外,,還必須進(jìn)行調(diào)諧,因?yàn)閾Q能器為一有抗負(fù)載,,因此,,直接聯(lián)接到發(fā)生器上會(huì)產(chǎn)生相當(dāng)大的無(wú)功損耗,這不僅會(huì)使效率降低,,而且會(huì)影響到發(fā)生器的安全使用,。因而需要有一個(gè)電抗相反的元件來(lái)“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(shí),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φ的存在,輸出功率達(dá)不到最大值,。只有當(dāng)φ=0時(shí),,輸出功率才可達(dá)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(gè)相抵消的阻抗。對(duì)于壓電換能器而言,,即并聯(lián)或串聯(lián)一個(gè)電感即可,,而磁致伸縮換能器則應(yīng)并聯(lián)或串聯(lián)一個(gè)電容。
    對(duì)于超聲波的功率放大部分,,本文做了一些測(cè)量和計(jì)算,,實(shí)際電路的設(shè)計(jì)為三級(jí)放大。圖5所示是其前級(jí)電路,,其中采用場(chǎng)效應(yīng)管作為第一級(jí)前端放大,,其后使用射集放大電流。每個(gè)放大在輸出端都加入了射集輸出電路以此來(lái)降低輸出阻抗,,從而達(dá)到放大電流的效果,。中間級(jí)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(jí)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,。

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6 單片機(jī)控制
    本設(shè)計(jì)采用ATMEL公司的AT89C2051單片機(jī)來(lái)組成控制系統(tǒng)。由于系統(tǒng)的要求不很?chē)?yán)格,,即不要求高運(yùn)算速度,,也不要求大內(nèi)存,而只要求有一定的抗震性,,且價(jià)格便宜,,以達(dá)到經(jīng)濟(jì)實(shí)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(gè)管腳,是8051型CPU的簡(jiǎn)易版,,完全能滿(mǎn)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(jiǎn)單,,圖8所示是它的控制軟件流程圖,。

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    其次就是初始化模塊,其作用是讓定時(shí)器,、中斷等回復(fù)到最原始的狀態(tài),。比如使定時(shí)器工作在工作方式1,定時(shí)器1的中斷優(yōu)先級(jí)最高等等,。它的初始化流程圖如圖9所示,。
    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(jì)時(shí)采用單片機(jī)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(diǎn),,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(jì)時(shí)可通過(guò)外部按鍵中斷來(lái)調(diào)用中斷服務(wù)程序,從而實(shí)現(xiàn)這一功能,。其原理是通過(guò)按鍵的次數(shù)來(lái)判斷進(jìn)入哪一個(gè)中斷,,并且調(diào)用相應(yīng)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(lái)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(lèi)推,,便可以實(shí)現(xiàn)三種不同功率的輸出,。
    以下是其部分代碼:
    INTOSER: ACALL DELAY :延時(shí)程序去處按鍵抖動(dòng)
    ………
    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(gè)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(yīng)的輸出程序

7 結(jié)束語(yǔ)
    本設(shè)計(jì)主要給出了超聲波從產(chǎn)生到控制的一個(gè)較詳細(xì)的實(shí)現(xiàn)方案,。相對(duì)于其他方法,,此方案較為簡(jiǎn)單,并且成本較低,,用的器件都是比較常見(jiàn)的,。高頻和低頻信號(hào)獨(dú)立產(chǎn)生,便于對(duì)兩種信號(hào)進(jìn)行調(diào)整,,而且用單片機(jī)作為控制芯片,,其靈活性較高,同時(shí)還可以根據(jù)不同的要求進(jìn)行修改,,從而滿(mǎn)足各種實(shí)際需求,。

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