基于單片機(jī)Ｃ８０５１Ｆ０２０控制的低溫冷凍治療儀

摘 要：介紹一種基于C8051F020單片機(jī)控制的低溫冷凍治療儀，重點(diǎn)闡述低溫冷凍治療儀的溫度測(cè)量電路、報(bào)警電路、通信接口電路以及LCD與單片機(jī)的接口顯示電路結(jié)構(gòu)及原理。結(jié)果表明該低溫冷凍治療儀使用方便、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本較低、可靠性高，可顯示、可報(bào)警；治療儀性能可靠，使用方便，對(duì)研究低溫冷凍治療具有重要的臨床應(yīng)用價(jià)值。

關(guān)鍵詞：低溫治療；溫度測(cè)量；熱電偶；非線性

中圖分類號(hào)：TP368.1 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：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(xué)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(jié)及復(fù)溫融化，從而產(chǎn)生一系列不可逆損傷而達(dá)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(yīng)輕、安全性高以及有冷凍免疫等優(yōu)點(diǎn)，因而在臨床上逐漸引起關(guān)注。因此，研制出一種基于單片機(jī)控制的具有溫度測(cè)量與顯示、治療時(shí)間顯示、定時(shí)報(bào)警功能治療儀，且具備串行通信接口，可將冷凍治療手術(shù)數(shù)據(jù)輸出，便于病歷統(tǒng)計(jì)和回顧分析，以供臨床研究時(shí)參考。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)構(gòu)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(cè)溫電路、低通濾波電路、治療時(shí)間報(bào)警電路、串行通信接口電路和C8051F020單片機(jī)與LCD接口顯示電路。

圖1 治療儀系統(tǒng)構(gòu)成

測(cè)溫探針采用把熱電偶探針封裝在冷凍治療用的探頭中，測(cè)溫探針感知病灶中的治療溫度，通過測(cè)溫電路把溫度變化轉(zhuǎn)化為電壓變化，電壓經(jīng)AD595熱電偶放大器放大和冷端補(bǔ)償后，經(jīng)低通濾波接入C8051F020單片機(jī)中，利用單片機(jī)對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理、控制。采用液晶顯示器(LCD)顯示探頭溫度和治療時(shí)間以及對(duì)治療時(shí)間進(jìn)行定時(shí)報(bào)警。測(cè)量范圍：-76 ℃～+40 ℃；測(cè)量精度為：±0.5 ℃。

1.1 測(cè)溫電路

熱電偶放大器選用帶具有冷端補(bǔ)償?shù)腁D595單片熱電偶放大器，AD595經(jīng)激光修整預(yù)調(diào)配合K型(鎳鉻-鎳鋁) 熱電偶工作，具有冷端自動(dòng)補(bǔ)償功能；低阻抗電壓溫度線性輸出(10 mV/℃)，為實(shí)現(xiàn)10 mV/℃的線性輸出及進(jìn)行準(zhǔn)確的溫度補(bǔ)償，AD595經(jīng)激光修整預(yù)調(diào)，在25 ℃時(shí)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(shí)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(shì)。

在本系統(tǒng)的儀器設(shè)計(jì)過程中，為了提高精度，選用K型熱電偶作為測(cè)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(zhuǎn)換得到，他的電壓轉(zhuǎn)換電路如圖3所示。其中-5 V電源是由ICL7660芯片電壓轉(zhuǎn)換得到的，他的電壓轉(zhuǎn)換電路如圖4所示。

1.2 低通濾波電路

在測(cè)溫電路把溫度變化轉(zhuǎn)化為電壓變化，電壓經(jīng)熱電偶放大器放大和冷端補(bǔ)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(fù)載能力。

圖2 AD595測(cè)溫電路

圖3 9 V電源轉(zhuǎn)換為5 V電壓電路圖

圖4 5 V電壓轉(zhuǎn)換為-5 V電壓電路圖

1.3 定時(shí)報(bào)警電路

當(dāng)設(shè)計(jì)的低溫冷凍治療儀治療時(shí)間到達(dá)整分鐘時(shí)，蜂鳴器響1次，持續(xù)時(shí)間為1 s，以提醒醫(yī)生治療時(shí)間，方便醫(yī)生進(jìn)行手術(shù)判斷，提高治療儀的安全性和可靠性，報(bào)警電路如圖5所示。

圖5 報(bào)警電路

圖5中電阻R11，R12及三極管Q₁組成放大電路。當(dāng)BUZZER為“高”電平的時(shí)候Q₁導(dǎo)通，二極管反偏，蜂鳴器有電流流過，發(fā)出蜂鳴聲；當(dāng)BUZZER為“低”電平的時(shí)候Q₁截止，蜂鳴器不工作。二極管用于保護(hù)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(shí)現(xiàn)C8051F020單片機(jī)與RS 232通信標(biāo)準(zhǔn)連接框圖如圖6所示，PC機(jī)與單片機(jī)之間進(jìn)行通信時(shí)，也要考慮通信協(xié)議的問題，雙方應(yīng)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(shè)計(jì)中，雙方約定：波特率：115 200 Baud；信息格式：8個(gè)數(shù)據(jù)位，1個(gè)停止位。

圖6 串行通信接口電路

1.5 單片機(jī)與LCD接口電路

LCD具有體積、功耗低和可靠性高的優(yōu)點(diǎn)，在電子信息產(chǎn)品中得到廣泛應(yīng)用，特別是在電池供電的單片機(jī)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(zhuǎn)換的C8051F020單片機(jī)接口電路見圖7。

圖7 單片機(jī)與LCD接口電路

溫度電壓信號(hào)經(jīng)過低通濾波后信號(hào)進(jìn)入單片機(jī)，經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換，溫度顯示在LCD上，當(dāng)溫度低于0 ℃時(shí)，開始計(jì)算治療時(shí)間，時(shí)間顯示在LCD上。

2 軟件設(shè)計(jì)

治療儀軟件的程序包括溫度測(cè)量、顯示、報(bào)警和通信等程序，其中熱電偶非線性校正是關(guān)鍵部分，非線性校正又稱線性化過程，是智能化測(cè)量?jī)x表的一項(xiàng)重要功能，一般采用的線性方法大致有幾種：一種是計(jì)算方法，即先應(yīng)用數(shù)學(xué)上的曲線擬合方法對(duì)熱電勢(shì)和對(duì)應(yīng)溫度進(jìn)行擬合，得出誤差最小；一種是直接查表法，對(duì)分度表不經(jīng)處理，直接按一定的排列形式存入，用測(cè)得的A/D轉(zhuǎn)換值靠軟件搜索查得相對(duì)應(yīng)的溫度值。以上方法都的各自的優(yōu)點(diǎn)，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(dá)到較高的精度，同時(shí)又不會(huì)消耗太多的系統(tǒng)資源。其基本原理是，預(yù)先根據(jù)分度值表計(jì)算出A/D轉(zhuǎn)換值對(duì)應(yīng)折點(diǎn)的溫度值T0 ，T1，…，TN，形成數(shù)據(jù)表，單片機(jī)進(jìn)行修正時(shí)，根據(jù)測(cè)量值的大小，找到合適的修正直線段兩個(gè)端點(diǎn)溫度值，通過簡(jiǎn)單計(jì)算求出被測(cè)溫度。

3 結(jié) 語(yǔ)

基于單片機(jī)C8051F020控制的低溫冷凍治療儀，運(yùn)用單片機(jī)技術(shù)，采用分段直線擬合方法作為線性化處理，既能保證測(cè)量精度，又能提高了測(cè)量效率。該治療儀使用方便、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本較低、運(yùn)行穩(wěn)定、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，對(duì)研究低溫冷凍治療具有重要的臨床應(yīng)用價(jià)值。

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作者簡(jiǎn)介 曾 山 1974年出生，實(shí)驗(yàn)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(qǐng)以PDF格式閱讀原文。