一種基于AT89C51的腰椎牽引儀的設(shè)計(jì)

1 引言

　　醫(yī)學(xué)上針對(duì)腰椎間盤突出癥等腰脊椎病，通常采取物理牽引的保守治療方法。便攜可調(diào)式牽引器，患者可以自我操作．簡(jiǎn)單易用，適合中小醫(yī)院更適合家庭長(zhǎng)期白助康復(fù)?，F(xiàn)有國(guó)內(nèi)生產(chǎn)的便攜可調(diào)式牽引器有手動(dòng)支架牽引和機(jī)械牽引，這砦牽引器用人工控制和監(jiān)視．操作費(fèi)力、無法持續(xù)較長(zhǎng)時(shí)間．不直觀．調(diào)節(jié)困難，牽引器產(chǎn)生的牽引力難以精確保持，沒有自動(dòng)監(jiān)測(cè)裝置，給病人和醫(yī)務(wù)人員帶來許多不便．這就需要借助機(jī)電理療自動(dòng)化系統(tǒng)。為此本文設(shè)計(jì)了一種新型的腰椎牽引器．它是以AT89C5l單片機(jī)為微處理器，配合其它輔助電路并由直流電機(jī)實(shí)施牽引。從而實(shí)現(xiàn)腰脊椎病的物理治療。它的單片機(jī)控制系統(tǒng)可以保證牽引治療動(dòng)作的精確量化，牽引治療所需的牽引力、牽引時(shí)間可調(diào)整。可精確控制，實(shí)時(shí)顯示，整個(gè)牽引過程自動(dòng)完成。

2 腰椎牽引儀的硬件實(shí)現(xiàn)

　　儀器完成的主要任務(wù)是：鍵盤按鍵檢測(cè)、操作設(shè)置信息和運(yùn)行狀態(tài)的顯示、拉力信號(hào)的檢測(cè)及控制、牽引電機(jī)的繼電器控制與驅(qū)動(dòng)等。牽引力監(jiān)測(cè)與控制是本系統(tǒng)的主要研究目標(biāo)，也是本系統(tǒng)穩(wěn)定性和可靠性的根本保證。根據(jù)本系統(tǒng)的要求．采用了AT89C51單片機(jī)作為主控芯片．采用拉式負(fù)荷傳感器用于檢測(cè)牽引力值。

2．1硬件總體設(shè)計(jì)

　　圖1為腰椎牽引儀系統(tǒng)硬件組成．系統(tǒng)以AT89C51作為主控MCU，主要包括牽引力采集檢測(cè)單元電路、牽引電機(jī)調(diào)節(jié)控制電路、鍵盤控制與LED顯示單元電路、系統(tǒng)電源電路、報(bào)警電路以及牽引裝置。拉力傳感器輸出的模擬信號(hào)經(jīng)過信號(hào)調(diào)理電路處理，送入AID轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成數(shù)字量再送入AT89C51。單片機(jī)根據(jù)使用者所設(shè)定的牽引力、牽引時(shí)間進(jìn)行判斷，產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)牽引電機(jī)所需要的脈沖信號(hào)，調(diào)節(jié)控制電機(jī)及牽引裝置。從而使該儀器工作時(shí)處于牽引運(yùn)行辛引保持和牽引放松三種狀態(tài)。并實(shí)現(xiàn)對(duì)牽引力及牽引時(shí)間的監(jiān)測(cè)顯示。

圖1牽引器硬件電路系統(tǒng)總體框圖

2．2部分硬件電路原理

　　腰椎牽引器采用AT89C51單片機(jī)作為系統(tǒng)控制單元，利用其控制能力實(shí)現(xiàn)對(duì)牽引力進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)并通過LED數(shù)碼顯示單元實(shí)現(xiàn)牽引力度監(jiān)視，并實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)控制。有關(guān)單片機(jī)系統(tǒng)的常規(guī)單元電路如：鍵盤設(shè)計(jì)、外存儲(chǔ)器擴(kuò)展、模數(shù)轉(zhuǎn)換接口電路的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)在眾多的實(shí)例開發(fā)資料中都有詳細(xì)介紹，在此不作介紹。本文旨在利用單片機(jī)實(shí)現(xiàn)腰椎牽引器這一應(yīng)用新案例的開發(fā)思想。以下主要分析外圍測(cè)餐與電機(jī)控制接口電路的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。

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2．2．1牽引力采集檢測(cè)原理

　　牽引力采集檢測(cè)以拉式負(fù)荷傳感器為檢測(cè)傳感器，通過放大、AID轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換送單片機(jī)進(jìn)行計(jì)數(shù)得到牽引力值。牽引器將傳感器上所受到的拉力轉(zhuǎn)換為與之成正比的電壓值，傳感器的應(yīng)變電阻元件如圖2所示．4片應(yīng)變片初始阻值大小相等，采用差動(dòng)布片和全橋接線。因?yàn)閭鞲衅髟谑艿搅Φ淖饔脮r(shí)，應(yīng)變電阻Rl和R2阻值的變化方向一樣，R3和R4阻值的變化方向一樣．通過采用差動(dòng)布片和全橋接線?？梢跃_地輸出傳感器所受力轉(zhuǎn)換的電壓值。傳感器的差壓輸出經(jīng)過放大器OP07和TL062放大后，將輸出送入AID轉(zhuǎn)換器進(jìn)行數(shù)據(jù)的采樣和處理。OP07是低漂移差動(dòng)放大器。我們用其作為第一級(jí)放大?？梢跃_地對(duì)來自傳感器小至10μV的輸入進(jìn)行放大，并很好的抑制共模信號(hào)的干擾；第二級(jí)放大我們采用雙通道運(yùn)算放大器TL062，利用第一通道構(gòu)成電壓跟隨器在此電路中起降低噪聲及緩沖的作用．所以O(shè)P07輸出的信號(hào)經(jīng)過此電路等比例地平穩(wěn)地進(jìn)入第二通道。利用第二通道對(duì)OP07的輸出進(jìn)行放大，并將第二通道的正端輸入按圖3接法．通過調(diào)節(jié)RW可以調(diào)節(jié)TL062的正端輸入，來設(shè)置輸出零點(diǎn)，使模擬部分的輸出信號(hào)在A/D轉(zhuǎn)換器的線性工作區(qū)范圍內(nèi)。

圖2傳感器內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

圖3牽引力采集檢測(cè)電路

2．2．2牽引力控制原理

牽引力控制采用的控制機(jī)構(gòu)由電機(jī)、牽引輪、棘輪繼電器等組成，是一個(gè)小型的電力拖動(dòng)系統(tǒng)，圖4所示為電力拖動(dòng)部分的機(jī)構(gòu)圖。我們采用電機(jī)通過傳動(dòng)方式拖動(dòng)滾輪(稱為牽引輪)轉(zhuǎn)動(dòng)，滾輪轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)纏繞在其上的牽引帶從而產(chǎn)生牽引力．以達(dá)到對(duì)牽引對(duì)象牽引的目的。圖中．棘輪和牽引輪直接與電機(jī)主軸相連，通常。以電機(jī)作為動(dòng)力進(jìn)行拖動(dòng)的電力拖動(dòng)系統(tǒng)中．電機(jī)是通過某種自動(dòng)控制方式來進(jìn)行控制的，本裝置中，我們同樣采用單片機(jī)、繼電器控制方式實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)的控制。為使?fàn)恳Ρ３郑刂葡到y(tǒng)采用棘輪繼電器來實(shí)現(xiàn)，即關(guān)斷棘輪繼電器．使得棘輪不能轉(zhuǎn)動(dòng)，這時(shí)電機(jī)輸出的拉力處于保持狀態(tài)。當(dāng)輸入設(shè)定的間歇牽引時(shí)間到時(shí)，接通棘輪繼電器，放松棘輪，棘輪自由轉(zhuǎn)動(dòng)，牽引電機(jī)處于放松．牽引力處于撤消狀態(tài)。當(dāng)輸入設(shè)定的間歇放松時(shí)間達(dá)到時(shí)．接通棘輪繼電器、啟動(dòng)電機(jī)進(jìn)入牽引運(yùn)行狀態(tài)。電機(jī)、繼電器的控制電路如圖5所示，電機(jī)啟?？刂菩盘?hào)來自P1．3引腳，繼電器通斷控制信號(hào)來自PI．6引腳。

圖4電力拖動(dòng)部分機(jī)構(gòu)圖

3 軟件設(shè)計(jì)

　　本軟件設(shè)計(jì)中，系統(tǒng)控制程序由主程序、中斷服務(wù)程序和其它子程序組成。在設(shè)計(jì)中采用模塊化程序設(shè)計(jì)技術(shù)，根據(jù)系統(tǒng)的功能，把整個(gè)程序按照各模塊完成的功能分為：主程序、中斷服務(wù)子程序、電機(jī)牽引運(yùn)行子程序、功能設(shè)定子程序、顯示子程序、數(shù)據(jù)處理子模塊和牽引時(shí)問分析子程序等。系統(tǒng)的程序流程如圖6所示．以中斷的方式實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能。

圖5電機(jī)、繼電器驅(qū)動(dòng)電路[!--empirenews.page--]

圖6腰椎牽引器系統(tǒng)的程序流程圖

　　主程序首先初始化，允許開放所有中斷．并打開定時(shí)器中斷。主程序隨時(shí)等待并響應(yīng)中斷。在沒有中斷產(chǎn)生的情況下，運(yùn)行檢測(cè)程序，以檢測(cè)系統(tǒng)是進(jìn)人功能設(shè)定還是進(jìn)入牽引電機(jī)運(yùn)行處理狀態(tài)。當(dāng)有定時(shí)器中斷產(chǎn)生時(shí)，程序跳轉(zhuǎn)到定時(shí)器中斷服務(wù)子程序。運(yùn)行鍵盤掃描，數(shù)據(jù)采集，顯示以及牽引時(shí)間分析子程序。當(dāng)中斷子程序運(yùn)行完畢，返回主程序調(diào)用處。

3．1主程序設(shè)計(jì)

　　軟件主程序是系統(tǒng)的監(jiān)控程序．主要完成初始化．控制程序的流向．調(diào)用子程序等功能。其流程圖見圖6所示。上電復(fù)位后，程序開始執(zhí)行。首先是初始化的工作．包括：

　　·A／D采樣結(jié)果．BCD轉(zhuǎn)換結(jié)果．拉力設(shè)定值這些存放單元的初始值設(shè)置；

　　·lO秒發(fā)生器計(jì)數(shù)器，定時(shí)開計(jì)數(shù)器，定時(shí)關(guān)計(jì)數(shù)器?？偁恳龝r(shí)間計(jì)數(shù)器以及定時(shí)開預(yù)值，定時(shí)關(guān)預(yù)值，總牽引時(shí)間預(yù)值這些單元的初值沒置：

　　·中斷計(jì)數(shù)器值的設(shè)置，調(diào)整它可改變中斷響應(yīng)時(shí)間：

　　·20H單元中的各個(gè)位00H～07H賦0．電機(jī)控制端口P1．3置1(指示電機(jī)關(guān))，17H置1(指示定時(shí)關(guān)狀態(tài))，0DH置l(設(shè)置等待燈亮)：

　　·定時(shí)器0中斷服務(wù)初始化：定時(shí)器工作方式以及其初值的設(shè)置

　　其次是檢測(cè)位地址00H，判斷電機(jī)是否開。如果有(00H=1)則執(zhí)行電機(jī)牽引運(yùn)行處理程序相應(yīng)的功能。如果沒有(00H=0)Hq到下一步．檢測(cè)位地址01H，判斷鍵盤上的功能鍵是否按下．如果有(O1H=1)則執(zhí)行程序參數(shù)設(shè)置處理相應(yīng)的功能。如果沒有(01H=0)則返回到檢測(cè)電機(jī)是否開。主程序循環(huán)執(zhí)行。

　　主程序的流程較為簡(jiǎn)單，所需要的完成的功能都是由子程序?qū)崿F(xiàn)。

4 結(jié)論

　　本文作者的創(chuàng)新點(diǎn)是設(shè)計(jì)了一種牽引力和牽引時(shí)間能精確控制且能實(shí)時(shí)顯示。牽引過程能自動(dòng)完成，患者在治療過程中可以自行進(jìn)行適當(dāng)調(diào)節(jié)的腰椎牽引器。由于該系統(tǒng)硬件簡(jiǎn)單、成本低、集成度高、穩(wěn)定性好、調(diào)試方便以及抗干擾能力強(qiáng)，并且能實(shí)現(xiàn)牽引力的自動(dòng)控制．因而具有一定的實(shí)用價(jià)值，但投入實(shí)用化仍需改進(jìn)，為真正促進(jìn)智能型腰椎牽引器的應(yīng)用，需要采用新器件以實(shí)現(xiàn)電路更加緊湊．改進(jìn)牽引器的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、加強(qiáng)儀器的可靠性等方面采取一定的技術(shù)措施，同時(shí)增加對(duì)牽引力保持階段的牽引力檢測(cè)。當(dāng)出現(xiàn)偏離設(shè)定的數(shù)值時(shí)，能控制牽引系統(tǒng)進(jìn)行自動(dòng)補(bǔ)償．這是值得探討的問題。

　　通過實(shí)驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)檢測(cè)傳感器、控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)、顯示、報(bào)警等各功能正常，性能達(dá)到預(yù)定設(shè)計(jì)要求。