基于AT89C2051單片機(jī)的超聲波理療儀設(shè)計

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)計方案。該方案采用高頻和低頻信號雙通道輸入電路，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。實踐證明，此方法經(jīng)濟(jì)適用，且實現(xiàn)簡單。
關(guān)鍵詞：AT89C2051；MAX038；超聲波；理療儀

0 引言
    目前國內(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，對較深病灶點的治療效果不明顯。因此，治療和促進(jìn)肌肉恢復(fù)和骨骼愈合需要很長的時間。本設(shè)計的理療儀能產(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)計使用電路模塊化的設(shè)計思路，并結(jié)合實際電路設(shè)計了一種簡單適用的多參數(shù)超聲波治療儀。目前，該設(shè)計在國內(nèi)外無類似的產(chǎn)品報道，產(chǎn)品設(shè)計原理涉及許多關(guān)于超聲波對骨傷治療的最前沿的研究成果和報道。

1 系統(tǒng)構(gòu)成原理
    該系統(tǒng)主要分為5個主要模塊。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。

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

2 高頻信號的產(chǎn)生
    產(chǎn)生高頻信號可選用美信公司的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)方程式來表示。能夠產(chǎn)生多種波形的函數(shù)信號。函數(shù)信號發(fā)生器也可以由晶體管、運放IC等通用器件制作，而美信公司的函數(shù)信號發(fā)生器MAX038的頻率高、精度好，因此，它被稱為高頻精密函數(shù)信號發(fā)生器IC。該芯片組成的高頻信號產(chǎn)生電路如圖2所示。

    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 低頻信號發(fā)生電路
    低頻信號發(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波。MAXIM公司生產(chǎn)的MAX29X系列8階低通開關(guān)電容濾波器由于使用方便、設(shè)計簡單、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，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：
   

4 混頻電路的設(shè)計
    混頻可以用乘法電路來實現(xiàn)，并可以用下面的關(guān)系式來設(shè)計電路：
   
    因為使用乘法運算電路可以很方便地實現(xiàn)兩個模擬信號的相乘，而且，以乘法運算電路為基本單元，也可以很容易地組成除法、乘方和開方等運算電路。因此，在無線電通訊領(lǐng)域，利用乘法運算電路還可以組成調(diào)制，解調(diào)電路。目前市場上已有可實現(xiàn)乘法運算的集成電路，稱為模擬乘法器。
    模擬乘法器的表達(dá)式是：
   
    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)計當(dāng)中，乘法器主要用于實現(xiàn)兩種信號的相乘，以將低頻信號變到中頻。本設(shè)計需要兩種頻率的信號，一種是載波(即高頻信號)，另一個是調(diào)制波(即低頻信號)。為了實現(xiàn)AM調(diào)制，需要使用合理的乘法器電路。本設(shè)計選定由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，其直流偏置由外接元件來實現(xiàn)。本設(shè)計選用單電源，單電源供電輸出是對地信號。而在雙電源中，輸出為雙輸出的差分信號。其具體電路如圖4所示。

5 功率放大器設(shè)計
    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，如頻率自動跟蹤、匹配、功率自動控制、振動系統(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)生器有一個最佳負(fù)載值(有時亦稱為輸出阻抗)，只有當(dāng)實際負(fù)載等于此值時，發(fā)生器才能工作于設(shè)計狀態(tài)，并向負(fù)載提供額定的輸出。否則就需要通過輸出變壓器作阻抗變換。除此之外，還必須進(jìn)行調(diào)諧，因為換能器為一有抗負(fù)載，因此，直接聯(lián)接到發(fā)生器上會產(chǎn)生相當(dāng)大的無功損耗，這不僅會使效率降低，而且會影響到發(fā)生器的安全使用。因而需要有一個電抗相反的元件來“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，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，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)一個相抵消的阻抗。對于壓電換能器而言，即并聯(lián)或串聯(lián)一個電感即可，而磁致伸縮換能器則應(yīng)并聯(lián)或串聯(lián)一個電容。
    對于超聲波的功率放大部分，本文做了一些測量和計算，實際電路的設(shè)計為三級放大。圖5所示是其前級電路，其中采用場效應(yīng)管作為第一級前端放大，其后使用射集放大電流。每個放大在輸出端都加入了射集輸出電路以此來降低輸出阻抗，從而達(dá)到放大電流的效果。中間級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。

6 單片機(jī)控制
    本設(shè)計采用ATMEL公司的AT89C2051單片機(jī)來組成控制系統(tǒng)。由于系統(tǒng)的要求不很嚴(yán)格，即不要求高運算速度，也不要求大內(nèi)存，而只要求有一定的抗震性，且價格便宜，以達(dá)到經(jīng)濟(jì)實惠的目的即可。因此，筆者選用AT89C2051型CPU。這種CPU的使用溫度范圍為-40℃～125℃，有20個管腳，是8051型CPU的簡易版，完全能滿足本系統(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)清晰簡單，圖8所示是它的控制軟件流程圖。

    其次就是初始化模塊，其作用是讓定時器、中斷等回復(fù)到最原始的狀態(tài)。比如使定時器工作在工作方式1，定時器1的中斷優(yōu)先級最高等等。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)計時采用單片機(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，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)計時可通過外部按鍵中斷來調(diào)用中斷服務(wù)程序，從而實現(xiàn)這一功能。其原理是通過按鍵的次數(shù)來判斷進(jìn)入哪一個中斷，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；
    以此類推，便可以實現(xiàn)三種不同功率的輸出。
    以下是其部分代碼：
    INTOSER： ACALL DELAY ：延時程序去處按鍵抖動
    ………
    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
    本設(shè)計主要給出了超聲波從產(chǎn)生到控制的一個較詳細(xì)的實現(xiàn)方案。相對于其他方法，此方案較為簡單，并且成本較低，用的器件都是比較常見的。高頻和低頻信號獨立產(chǎn)生，便于對兩種信號進(jìn)行調(diào)整，而且用單片機(jī)作為控制芯片，其靈活性較高，同時還可以根據(jù)不同的要求進(jìn)行修改，從而滿足各種實際需求。