基于單片機的超短波理療儀控制系統

王科 王云光 程海憑 王鑫

摘 要：為實現超短波理療儀的數字化控制，提出一種超短波理療儀控制系統方案。該方案以單片機為控制中心，包含低壓模塊、高壓模塊、市網電壓穩壓模塊、超短波發生模塊、調諧模塊、輸入和顯示模塊，詳細介紹了軟件控制流程。經過通電測試，儀器正常運行，測試結果證明該控制系統可行。

關鍵詞：超短波理療儀;數字化控制;控制系統;單片機

DOI：10. 11907/rjdk. 181911

中圖分類號：TP319文獻標識碼：A文章編號：1672-7800（2019）003-0118-03

0 引言

超短波理療儀是基于超短波療法研制的一種康復醫療設備，應用波長為1～10m的超高頻交流電作用于人體組織以達到治療目的，是一種物理療法，稱為超短波療法，也稱超高頻電場療法[1]。超短波治療可使人體組織產生熱效應[2]，熱效應能夠加速細胞繁殖，促進血液循環，對消炎和傷口愈合治療效果明顯[3-5]。臨床實踐證明，超短波治療還可應用于頸椎病、脊髓損傷等神經系統疾病[6-7]。

“中國制造2025”把高性能醫療器械列為未來重點發展的十大領域之一[8]，智能化是今后醫療器械行業的發展方向。作為一種傳統的康復醫療設備，國內生產的超短波理療儀主要由模擬電路控制，體積大、操作復雜、精確度較低，而國外已經基本實現了數字化控制，以美國DJO公司生產的1602超短波理療儀最為先進，其由嵌入式控制，觸摸屏顯示，智能化程度相對較高。國內超短波理療儀研究成果主要有：種曉晨[9]針對電源完整性和信號完整性對超短波理療儀進行抗干擾和電磁兼容性設計;程繼旺[10]基于dsPIC30F6010數字信號控制器設計了超短波理療儀的檢測系統，降低了輸出信號的信噪比;楊依華[11]對超短波理療儀系統設計進行綜述并提出了4種測控系統性能指標;肖洪[12]利用半導體固態源代替電子管作為高頻振蕩源。這些研究多基于模擬電路控制進行硬件優化設計，對超短波理療儀的數字化控制研究有限。本文設計一套基于單片機的超短波理療儀控制系統，實現了超短波理療儀的數字化控制。

1 系統總體設計

超短波理療儀控制系統總體設計如圖1所示，該系統主要由單片機控制單元、電源模塊、輸入模塊、顯示模塊、調諧模塊、超短波發生模塊組成，單片機微控制器控制各模塊的有效運行。治療檔位和治療時間通過輸入按鍵輸入并由數碼管顯示，治療結束時會發出報警提醒。儀器開始運行后，調諧電路采樣模塊在超短波輸出端實時檢測功率，將采樣數據發送至單片機計算，判斷電路是否達到諧振狀態。如果沒有達到，單片機就發出指令調節調諧電容使超短波諧振電路產生諧振[13]。

2 系統模塊

2.1 電源模塊

超短波理療儀的超短波由高壓供電產生，控制部分由低壓供電實現，系統電源模塊由低壓供電模塊和高壓供電模塊組成。

2.1.1 低壓供電

儀器控制部分所需供電電壓為直流5V電壓，為了將220V、50Hz的市網交流電轉化為穩定的5V直流電，本方案接入一個降壓變壓器，經過半波整流和濾波，然后通過穩壓芯片7805進行穩壓，從而給電路板上的控制芯片提供穩定的驅動電壓[14]。低壓供電模塊主要給單片機芯片和電路中的其它芯片供電。

2.1.2 高壓供電

為產生多種輸出功率，滿足不同治療劑量需求，儀器采用機床控制變壓器供電。該變壓器共有6組交流電輸出端，每組輸出168V交流電，可實現多個檔位的切換。168V交流電同樣需要整流濾波，其原理和低壓模塊整流濾波原理類似，經過整流橋和濾波電路后輸出的直流電為：

變壓器的每組輸出端分別連接一個繼電器，繼電器通過驅動芯片ULN2003和光偶隔離芯片TLP521-4與單片機連接。ULN2003是一種耐高壓、大電流的達林頓陣列，常應用于步進電機、繼電器等大電流驅動元件[15]。TLP521-4主要應用于隔離模擬電路對數字電路中單片機的電磁干擾[16]。TLP521-4芯片除了能隔離電磁干擾還能控制ULN2003芯片輸入電壓。當單片機輸出低電平“0”時，TLP521-4芯片CE不通，輸出為高電平“1”，即ULN2003芯片輸入端為高電平，繼電器被驅動，變壓器輸出對應的高壓。按此原理，單片機通過輸出高低電平控制繼電器的通斷，選擇不同的治療檔位。當6組變壓器全部接通時為最高檔位，最大輸出電壓約為1 425.53V。

2.2 市網電壓穩壓

由于受負荷增加等影響，市網電壓并不完全穩定在220V，有可能激增到240V，也有可能降低到180V[17]。為了使輸出功率更加穩定，在高壓電源模塊中必須對輸入的市網電壓進行檢測，使市網電壓穩定在220V上下，避免短時過高的電壓損壞元器件。本系統選用ADC0832數模轉換芯片進行電壓采集。ADC0832是一種8位D/A轉換器，最高分辨率可達256級，片內有輸入數據寄存器，直接與單片機接口連接[18]。所選機床控制變壓器共有4個輸入端，分別為0V、12V、196V、220V，這4個輸入端分別連接一個繼電器，繼電器的驅動設計同高壓供電模塊。ADC0832芯片實時讀取轉換后的數值，并通過程序轉換成幅值顯示在數碼管上。當ADC0832采集到的電壓值U>184V時，變壓器輸入端接入0～220V，當172V

2.3 超短波發生模塊

熱效應是人體組織在高頻電場中產生的，本系統的超短波發生模塊采取推挽式自激振蕩電路，利用兩個三極電子管震蕩產生40.68MHz的高頻電場。發射線圈兩端接出兩塊電極板，振蕩的高頻高壓信號從發射線圈傳出，然后通過這兩塊電極板以電磁波的形式輸出高壓高頻能量。超短波的產生需要高壓環境，本機可供選擇的高壓共有5種，分別對應5種不同的治療強度。

2.4 調諧模塊

由振蕩電路頻率[f=12πLC]可知，調諧有兩種方法：①改變電感L;②改變電容C，本機采用改變調諧電容C的方法進行調諧。超短波理療儀工作在諧振狀態時輸出效率最高[19]，因此必須進行調諧。調諧模塊由功率檢測和阻抗調諧兩部分組成。功率檢測用于檢測電感線圈的輸出功率，阻抗調諧用于調節功率輸出電路中調諧電容大小，當檢測到的功率為最大值時停止調節調諧電容。

2.5 輸入與顯示

顯示模塊包含8個數碼管，顯示治療檔位和治療時間，治療檔位和治療時間通過4個微控按鍵，利用51單片機的外部中斷1進行輸入，按鍵和數碼管由HD7279芯片控制。HD7279具有串行接口的智能顯示驅動芯片[20]，可同時驅動8位共陰數碼管和連接多達64鍵的鍵盤矩陣。當有按鍵按下時，外部中斷1被觸發，在中斷1程序中HD7279智能芯片檢測到按鍵值，判斷治療檔位大小和治療時間長短。輸入模塊還包括啟動按鍵和強制關閉按鍵，強制關閉按鍵按下將觸發外部中斷0，在外部中斷0程序中關閉儀器，外部中斷0的優先級要高于外部中斷1。該控制系統的治療時間由定時器1控制，開機預熱時間由定時器0控制。單片機中斷控制情況見表1。

治療檔位共有5檔，默認治療檔位為空擋，顯示為P0，檔位輸入包含P+、P-兩個按鍵，分別對應檔位增加和檔位減小。最長治療時間設置為30min，默認治療時間是10min，最小時間單位精確到秒，時間輸入包含T+、T-兩個按鍵，分別對應治療時間的增加和減小，每次增加或減小時間為1min。復位按鍵直接連接單片機的復位端口，當按下復位按鍵時，數碼管顯示初始治療時間和治療檔位。

3 控制系統軟件流程

本機選用STC89C54RD+芯片作為系統控制核心。STC89C54RD+支持最高時鐘達到80M，并且支持6時鐘周期模式運行，具有ISP在線系統編程功能，擁有16K ROM和1k RAM以及20個管腳[21]。該儀器需要控制6個模塊，每個模塊需要控制的端口不要求運算高速度和大內存，價格相對便宜的STC89C54RD+芯片完全滿足要求。控制系統軟件流程如圖3所示。

超短波理療儀工作過程如下：機器上電運行，初始化單片機，打開總中斷，設置外部中斷0、外部中斷1為下降沿觸發，定義定時器T0、T1均為工作方式1;模數轉換芯片ADC0832采集市網電壓并通過數碼管顯示，單片機根據采集到的電壓值控制機床變壓器4個輸入端的通斷進行穩壓;開啟定時器T0，儀器預熱1min;通過按鍵觸發外部中斷1，輸入治療檔位和治療時間并在數碼管上顯示;按下開始按鍵，單片機根據輸入鍵值開啟相應的高壓控制繼電器，向超短波發生電路輸入電壓;按下開始按鍵之后，自動調諧程序實時采集檢波電路電壓并調節調諧電容，同時開啟定時器中斷T1，治療計時程序開啟;當計時結束或按下強制關閉按鍵觸發外部中斷0（高優先級）后，儀器停止工作，數碼管顯示初始治療檔位和治療時間，此時程序結束。

4 結語

基于單片機的超短波理療儀控制系統以數字化形式控制儀器運行，代替了傳統的模擬電路控制方式，更方便智能地實現了對儀器的控制。經過上電測試，該控制系統可順利完成軟件流程，儀器運行正常。

超短波療法在炎癥治療方面應用較廣泛，對軟組織受傷治療效果更佳，已經被廣泛使用。單片機功耗較低，價格便宜，速度快，在康復醫療設備中的應用越來越廣。本文介紹了以單片機為核心的超短波理療儀控制系統，以及該系統的低、高壓供電模塊，市網電壓穩壓設計方案，超短波發生模塊、調諧模塊、輸入和顯示的實現以及詳細的軟件控制流程。智能化是今后康復理療設備的發展方向，單片機和嵌入式將會在智能理療設備領域扮演更重要的角色。該控制系統可擴展性高，在輸入、顯示、自動調諧等方面可向更智能化和多樣化方向擴展。

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（責任編輯：杜能鋼）