基于單片機的超短波理療儀電路系統設計

李亞年，王云光，2

（1.上海理工大學醫療器械與食品學院，上海 200093；2.上海健康醫學院 醫療器械學院，上海 201318）

0 引言

超短波治療儀是一種傳統的治療儀器，它是采用電子管振蕩產生超短波高頻電場來進行治療的儀器設備［1］。通常將波長為1～10m、頻率為30～300MHz的射頻電流稱為超短波電流，用于臨床稱為超短波療法［2］。超短波治療的積極因素是電磁場的電成分，其治療作用主要是超短波對組織帶電粒子的熱效應和振蕩效應［3-4］。臨床實踐證明，超短波治療還可以應用于頸椎病、脊髓損傷等神經系統疾病［5-6］。

超短波理療儀作為一種傳統的醫療儀器，在康復醫療領域越來越重要。國內的超短波理療產品主要有D2-C-Ⅱ型五官科超短波治療機、DL-C-B 型柜式超短波治療機、DL-C-M 型脈沖式超短波治療機等［7］，這些超短波理療儀調諧方式均為手動調諧，輸出超短波頻率為27.12MHz，體積大，操作難度高。國外的儀器較為先進，如美國DJO、日本丸高等［8］，其智能化程度高于國內。我國對理療儀的研究較多，如王志成等［9］研制出基于頻率自動跟蹤的便攜式超聲理療儀；楊依華［10］對超短波理療儀系統設計進行了綜述并提出4 種測控系統性能指標。隨著醫療科技的不斷發展，對醫療器械數字化、智能化、精準度以及便攜性要求越來越高。作為一種較為傳統的醫療設備，超短波理療儀在臨床中應用越來越重要［11］。本文針對國產超短波理療儀的不足開發了一種新型數字化超短波理療系統，實現超短波理療系統的數字化控制，提高了系統的穩定性和安全性。

1 硬件系統設計

1.1 硬件流程設計

超短波理療系統總體設計架構如圖1 所示。超短波理療儀由單片機控制系統、電源電壓采樣模塊、調壓控制模塊、超短波發生模塊、外部輸出接口模塊、調諧電路采樣模塊、調諧電路控制模塊組成。

Fig.1 Overall architecture of ultrashort wave therapy instrument system圖1 超短波理療儀系統總體架構

整體硬件流程為：開機后系統初始化，隨后進入預熱階段，預熱完成后通過數顯板顯示治療強度和時間，設定治療強度等級和治療時間后，單片機通過控制高壓電路繼電器的開關調節治療強度，此時超短波發生模塊產生功率為40.68MHz 正弦波，自動調諧模塊通過采集電路信號輸送給單片機，單片機通過調節可變電容矩陣完成輸出電路的自動調諧［12］。

1.2 電源模塊

超短波理療儀供電部分分為低壓供電和高壓供電兩部分，其中低壓供電用于供電給單片機微控制器等芯片運行，高壓供電用于超短波產生模塊運行，產生超短波。

低壓供電電路如圖2 所示。通過變壓器將220V 市網交流電壓轉化為9V 副邊電壓，副邊電壓通過橋式整流濾波電路進行整流濾波處理，處理后的電流由交流電轉化為5V直流電，再經過三端穩定器MC7805C 進行穩壓處理，得到5V 直流電［13-14］。高壓供電電路同樣采用橋式整流濾波電路對變壓器副邊電壓進行處理，原理相同。

Fig.2 5V DC voltage regulator circuit圖2 5V 直流電壓穩壓電路

1.3 超短波發生模塊

超短波發生模塊以兩個三極電子管為核心，采用推免式自激振蕩電路產生40.68MHz的超短波。超短波發生電路如圖3 所示。三極電子管燈絲由變壓器副邊輸出5.9V 電壓進行供電，用于顯示電子管的工作狀態和開機前預熱。三極電子管與電阻R10、R11，電感L1、L2為自激振蕩電路的基本元件，利用電子管的柵極反饋產生正弦波等幅振蕩信號［15］。自激振蕩通過兩電感線圈L1、L2之間的互感作用，使三極電子管陽極端和振蕩端產生360°的相位差，從而形成推免式自激振蕩，穩定輸出頻率為40.68MHz 超短波。圖3 右側部分為超短波輸出電路，L6、L7兩電感通與超短波發生電路之間的互感作用將信號輸出，輸出端分別接有兩塊電極板作用于人體。

Fig.3 Ultra-short wave generating circuit圖3 超短波發生電路

1.4 輸入和顯示模塊

輸入和顯示模塊電路如圖4 所示。顯示模塊主要由HD7279 芯片構成，擁有8 個數碼管顯示治療時間和治療強度，治療強度分為P0-P5共6 個級別。其中P0為空擋，即未啟用治療，治療時間最長為30 分鐘，默認時長為10 分鐘，顯示單位精確到秒。與顯示模塊功能匹配，輸入模塊由7個按鍵連接單片機實現，包含P+，P-，T+，T-，開關機，開始治療，復位。其中P+、P-用來調節治療強度，T+，T-用來調節治療時間，治療時間按鍵每次改變1 分鐘，強制中斷可以使用復位鍵重置治療強度和治療時間。

1.5 自動調諧模塊

由于電路在諧振狀態下輸出功率能達到最大值［16］，因此當開始治療時電路應處于諧振狀態，但由于人體阻抗值不同，不能保證每次工作電路均處于諧振狀態，因此需要對電路進行調諧處理。振蕩電路頻率公式如下：

Fig.4 Circuit of input and display modules圖4 輸入和顯示模塊電路

當電感值L 與電容值C的乘積改變時，頻率f 也會改變，由圖3 可知，電感值L 為L6+L7，為固定值，所以需要改變電容值C 來使電路達到調諧狀態［17］。

自動調諧模塊由輸出信號采集電路和高壓輸出電路的繼電器控制兩部分組成，信號采集電路如圖5 所示。信號采集電路的采集端與輸出電路線圈平行且同軸，通過電磁感應原理可知，兩線圈會有同樣的電壓信號產生，采集信號后通過低通濾波電路和包絡檢波電路將信號傳入ADC8032 模數轉換芯片，將電路模擬信號轉化為數字信號并傳輸至單片機主控芯片。

Fig.5 Output signal acquisition circuit圖5 輸出信號采集電路

1.6 主控芯片及外圍電路

選用STC的51 單片機STC89C54RD+芯片作為主控芯片，該芯片具有16KB的Flash 內存、1280B的RAM 和16K的EEPROM［18］，能夠滿足本設計主控芯片控制的6 個主要模塊需要，且性價比高。

主控芯片的外圍電路主要有時鐘電路、自動下載電路、單片機復位電路等，其電路圖如圖6、圖7、圖8 所示。時鐘電路采用頻率為12MHz的石英振晶，為單片機提供計時等功能。自動下載電路采用CH340G 芯片，可將軟件程序燒寫入單片機，復位電路用于初始化單片機。

Fig.6 Clock circuit圖6 時鐘電路

Fig.7 Automatic download circuit圖7 自動下載電路

Fig.8 Reset circuit圖8 復位電路

2 系統軟件設計

系統軟件流程如圖9 所示。

Fig.9 Software system flow圖9 系統軟件流程

本文設計的治療工作流程如下：開機后初始化單片機，三極管燈絲預熱一分鐘，預熱結束后設置治療強度和治療時間，設置完成后按開始鍵開始進行治療，變壓器向超短波發生模塊提供相應檔位的電壓值，調諧檢測電路在接收到電壓信號后進行模數轉換，將數據發送到微控制器，隨后可變電容改變電容值，檢測電路繼續發送信號給微控制器，微控制器判斷電壓已達最大值時計時器開始工作。顯示模塊進行倒計時，計時結束或者按復位鍵強行停止即回到預熱后的初始狀態，一次治療結束。

3 自動調諧原理

本方案采用步進法作為調諧算法。步進法即逐步逼近法，其與直接搜索法最大的不同是有針對地選擇起始點，有條件性地逐步擴大或縮小范圍，直到找到最優解。算法流程如圖10 所示。通過找到常用諧振點確定初始諧振點在60PF，通過增加1PF 電容來比較測得電流值大小。電流值變大則繼續增加，直至找到變小前的點，即為諧振點，調諧結束；電流值變小則減小2PF 電容，若變小60PF 則為諧振點，若變大則繼續減小1PF 電容，直至找到變小前的點，同理為諧振點，調諧結束。

Fig.10 Flow of automatic tuning by step method圖10 步進法自動調諧流程

4 實驗數據與結論

通過示波器對超短波理療儀的不同治療強度輸出波形進行采集，得到波形圖如圖11 所示。5 個治療等級的波形頻率均在40MHz 左右，且輸出波形穩定，振幅隨等級增加而增加，因此滿足治療要求。

Fig.11 Waveforms of 5 different treatment intensity levels圖11 5 個不同治療強度等級波形

5 結語

數字化超短波理療儀電路系統以單片機為核心，配合電源電壓采樣模塊、無線通信模塊、調壓控制模塊、超短波發生模塊、外部輸出接口模塊、調諧電路采樣模塊、調諧電路控制模塊進行超短波治療，相比傳統的模擬電路能夠更方便智能地操作和使用理療儀。本文詳細介紹了系統的軟件控制流程。通電實驗、仿真測試表明，本設計能順利完成超短波作業治療，儀器運行正常，達到了預期的治療效果。醫療器械在未來會以智能化、自動化為發展目標，因此單片機和嵌入式仍是智能醫療設備的潮流，本設計在智能化、自動化方面還有短板，需進一步提高，引入物聯網是理療儀的發展方向。