多頻振動排石儀控制系統

黃亮

摘 要：作為自動醫療設備，振動排石儀被廣泛應用于臨床實踐中。但目前市場上的醫用振動排石儀大多設計簡單、操作繁瑣且缺乏穩定性。為克服上述問題，設計了一個穩定便捷的振動排石儀。排石儀采用STM32F103微控制器作為核心，用于電機驅動控制和數據處理。通過可變PWM波的占空比來控制電機的轉速。排石儀控制系統使用MOS管IRF840構建驅動電路。電機速度由速度采集電路反饋給微控制器，構建閉環控制系統以調節電機轉速。采用藍牙模塊實現無線數據的收發。排石儀操作簡單，僅需觸屏即可控制，并通過液晶顯示屏顯示出來;電路安全可靠，包含多種保護和報警電路設計;系統采用PID算法調節振動頻率，具有穩定、調速快捷等優點。

關鍵詞：排石儀;頻率控制;STM32;PID;MOS管;驅動電路

中圖分類號：TP393文獻標識碼：A文章編號：2095-1302（2019）03-00-03

0 引 言

泌尿系結石是一種非常古老的疾病，是泌尿外科的常見病之一，傳統的治療方法為開放手術和藥物溶石排石法。隨著科技的進步，微創科技飛速發展并逐漸成熟，已成為泌尿系結石的主要治療方法。泌尿系結石的微創法包括經皮腎鏡取石、經輸尿管申鏡取石、經尿道膀胱鏡碎石取石和體外沖擊波碎石等。其中，體外沖擊波碎石無需在患者身上開刀手術，屬于無創治療，是治療泌尿系結石公認的首選方法[1]。

較大泌尿結石可通過體外碎石機治療。體外碎石機產生沖擊波，由機器聚焦后對準結石，經過多次釋放能量而擊碎體內的結石，使之隨尿液排出體外。但由于腎臟和輸尿管的結構問題，許多粉碎后的結石不易排出，常常需要數周甚至三個月才能排干凈，既增加了患者的心理負擔或可能的痛苦，也容易造成殘石復發。為了加快排石過程，醫生常常建議患者術后多喝水，并輔以跳動、拍打、跑步或者倒立等排石措施[2]。雖然起到一定效果，但患者難于定量掌握，對體弱和年老患者而言，執行較困難。

在目前醫院治療腎結石患者的儀器中，未發現該類儀器的使用，患者接受碎石治療后，如需體外排石則按醫囑在家中讓家人幫忙用手拍打腎區，不僅不安全，還會影響治療效果，延長治療時間，更增加了家人的負擔，浪費工作、休息時間[3]。

1 工作原理

排石儀根據臨床腰部物理治療原理（定向體位引流），在人體表面產生特定方向周期變化的治療力，該定向治療力穿透力強，可穿透皮層、肌肉、組織和體液，其垂直方向分力產生的叩擊、震顫可促使呼吸道粘膜表面結石和代謝物松弛、液化，水平方向分力產生的定向擠推、震顫幫助碎片化結石按照選擇的方向（細支氣管-支氣管-氣管）排出體外[4]。

由于排石儀治療力的深穿透性強，產生的定向治療力可穿透皮層、肌肉、組織和體液，對于深度的痰液排出效果明顯，在叩擊、震顫和定向擠推工作間隔期間，作用力變化較為緩和，患者舒適感增強，尤其是耐受力較差的患者[5]。

排石儀工作原理如圖1所示。

排石儀的治療由直流電機帶動傳動軟軸實現。電機旋轉過程中產生水平方向的水平力和垂直方向的垂直力，水平力與垂直力合為合力。在合力的作用下，治療頭作用于患者身體表面，產生定向推擠治療力，這種治療力會將患者體內的結石順著其方向排出體外。

2 技術指標

排石儀系統具體性能指標如下：

（1）正常工作條件

①環境溫度：0～40 ℃;

②電源：AC 220 V;

③輸入功率：150 VA。

（2）頻率范圍

10～60 Hz（600～3 600 r/min），頻率可調，步距為1 Hz。

（3）定時時間

1～60 min可調，步距為1 min。

根據本次設計的任務書，主要實現的功能如下：

（1）驅動100 W直流電機，附加軟軸達到振動效果;

（2）搭建人機交互界面，使用液晶顯示屏顯示振動頻率和定時時間，采用1個發光二極管顯示排石儀運作狀態;

（3）使用蜂鳴器構成報警電路，工作異常和工作結束時蜂鳴器報警;

（4）觸摸屏設置5個按鍵，分別為工作啟動按鍵、頻率增加按鍵、頻率減小按鍵、定時時間增加按鍵、定時時間減小按鍵;

（5）根據要求輸出不同占空比的PWM波控制MOS管，從而控制電機轉速;

（6）采用光碼盤測量轉速，采用PID算法實現系統閉環，達到預期振動頻率;

（7）系統工作穩定。

3 系統方案設計

3.1 系統方案選擇

方案一：使用FPGA作為排石儀系統的主控芯片，其具有如下優點：

（1）FPGA運行速度快，其內部集成了鎖相環，在高速場合優勢明顯;

（2）FPGA管腳多，具有豐富的I/O資源，容易實現大規模系統;

（3）FPGA內部程序并行運行，工作效率高。

方案二：使用DSP作為排石儀的主控芯片。DSP芯片內部采用程序和數據分開的哈佛結構，具有專門的硬件乘法器，廣泛采用流水線操作，提供特殊的DSP指令，可用來快速實現各種數字信號處理算法。

方案三：使用單片機作為排石儀的主控芯片。單片機作為使用最普及的微控制器，具有成本低、外設資源多和學習資料豐富等特點。

排石儀系統規模較小，僅需控制系統工作時間與PWM波占空比，通過捕獲電平變化的方式測量電機轉速，采用數碼管和按鍵顯示控制系統狀態，并加入簡單的PID算法。本文設計無需使用速度較快、運行效率高的FPGA，也無需使用具備硬件乘法器、提供數字信號處理指令的DSP，單片機即可滿足需求。單片機的定時器可滿足定時和輸出PWM的需求，外部中斷可滿足捕獲電平的需求，普通I/O口即可控制數碼管及實現按鍵掃描。因此，本文設計選用單片機作為主控芯片。

3.2 系統總體設計

基于單片機的多頻振動排石儀控制系統主要由四個模塊構成，分別為人機交互模塊（包括觸摸屏控制與液晶屏顯示），無線傳輸模塊，輸出控制模塊，轉速檢測模塊和直流電機模塊。人機交互模塊用于顯示工作狀態，輸出控制模塊用于控制電機轉速，轉速檢測模塊用于測量電機的實時速度，直流電機模塊用于產生振動。儀器的硬件框圖如圖2所示。

單片機用以控制電機驅動、觸摸屏、液晶顯示屏、蜂鳴器和速度檢測模塊。

本次設計需要用到如下四路電源：

（1）第一路為直流電機驅動電源，因需要滿足較高的振動頻率，所以選用的電機功率相對較大，本文系統將220 V電壓整流得到直流驅動電壓;

（2）第二路為MOS柵極驅動電源，選用12 V電壓;

（3）第三路為數碼管與光電對管的電源，電壓為5 V;

（4）最后一路電源為3.3 V，為單片機和蜂鳴器供電。

方案的軟件功能圖如圖3所示。

由系統總體設計方案與硬件設計可知，本文系統需要用到液晶屏顯示系統的振動頻率與定時時間;需要用觸摸屏控制的五個按鍵來調整振動頻率、定時時間與系統狀態;需要對系統進行0～60 min的定時;需要實時檢測直流電動機的轉動速度;需要使用PID增量式算法對電機轉速加以控制，使其達到期望值;需要使用蜂鳴器對系統狀態報警。

排石儀系統涉及的程序包括觸摸屏控制、速度檢測、液晶屏顯示、治療時間設置（定時器服務子程序）和速度控制（PWM輸出定時器服務子程序）。為了使程序便于閱讀且條理清晰，在設計過程中將主程序結構中的子程序寫入各.c文件中，以便在主程序里加以調用。

3.3 方案主要器件選型

3.3.1 單片機的選型

設計中需要用到的I/O口包括液晶屏控制（8個），無線傳輸模塊（8個），蜂鳴器報警（1個），LED狀態顯示（1個），測速（1個）和PWM波輸出（1個）。另外需要定時器中斷，外部中斷等資源。根據這種情況，設計選用64引腳的STM32F103RCT6。STM32系列單片機基于ARM Cortex-M內核，具有性能高、成本低和功耗低等特點[6]。這款芯片在電子行業應用廣泛，且學習資源豐富，可快速上手。

3.3.2 直流電機的選型

根據治療力的大小，本文設計確定所用電機轉速應小于4 000 r/min。由于在電源方案中，直流電機供電電壓由220 V交流電壓整流而來，所以直流電機額定電壓不應過小（大于100 V）。另外，根據其供電電流的限制，電機的額定電流不應過大（小于3 A）。根據上述要求，本文設計確定所用電機型號為70ZYT60。該永磁直流電機的額定電壓為110 V，額定電流為1.3 A，額定功率為100 W，最高轉速為3 600 r/min。

4 結 語

完成硬件搭建與程序下載后，液晶屏可正常顯示10～60 Hz的振動頻率;排石儀系統可實現1～60 min的定時時間控制;可通過觸摸屏按鍵控制系統振動頻率加減，步距為1 Hz;可通過觸摸屏按鍵控制系統定時時間，步距為1 min;可通過觸摸屏上的開關按鈕控制系統的啟動和停止;可通過測速模塊檢測轉速并通過PID調節速度，使其振動頻率穩定;可及時報警;可通過藍牙模塊實現無線數據的收發。

參 考 文 獻

[1]李玉琢，梁英梅，王敏，等.振動排痰機促進老年肺部感染患者排痰的護理[J].河北醫藥，2010，32（17）：2459.

[2]劉路.振動排痰機聯合中藥對老年肺部感染患者的療效觀察及護理體會[J].中醫藥臨床雜志，2009，21（2）：152-153.

[3]何美珍，黃玉如.多功能振動排痰機在防治ICU脊髓損傷并肺部感染中的應用護理[J].中國鄉村醫藥，2015，22（9）：83.

[4]麥海芬，歐艷，陳建軍.淺談我科體外振動排石儀對開胸手術后疾病的臨床運用[J].醫學美學美容，2014，17（3）：151.

[5]翟奕庶，候穎瑩.體外振動排痰輔助治療毛細支氣管炎的臨床觀察[J].中國社區醫師：醫學專業，2012，14（33）：291-292.

[6]劉火良，楊森.STM32庫開發實戰指南[M].北京：機械工業出版社，2013.

[7] ZAREBSKI J，G?RECKI K.Influence of cooling conditions on DC characteristics of the power MOS transistor IRF840[C]// Proceedings of International Conference on Modern Problems of Radio Engineering，Telecommunications and Computer Science. IEEE，2010：12-15.

[8]李任青，趙靜.5.0 V簡易開關電源穩壓器的使用技巧及性能改進[J].電子制作，2007，23（1）：55-57.

[9]鄭曉慶，楊日杰，楊立永，等.多路輸出DC-DC電路設計[J].國外電子測量技術，2012，31（9）：31-33.

[10]吳振磊，劉孝趙.74HC595在單片機控制多位數碼管中的應用

[J].科技廣場，2013，18（5）：174-176.

[11]王日強，錢惠芳.CBB型電容器絕緣性能分析[J].電子元件與材料，2000，19（6）：22-23.

[12]陳照章，朱湘臨.光電測速傳感器及其信號調理電路[J].傳感器與微系統，2002，21（8）：53-55.

[13] FUTAMI T，TANIMOTO S.Driving control apparatus for brushless motor with optimum controlled converter： US，US 5229693 A[P].1993.