基于STM32的紅光治療儀控制系統(tǒng)

摘要 經(jīng)臨床研究發(fā)現(xiàn)，高功率固定波長(zhǎng)紅光具有促進(jìn)細(xì)胞代謝活動(dòng)、改善肌肉萎縮、加快組織修復(fù)，并有一定的消炎和鎮(zhèn)痛作用，開始廣泛應(yīng)用于臨床。其主要臨床應(yīng)用是：復(fù)雜難愈性創(chuàng)面、燒傷燙傷等的創(chuàng)面、糖尿痛足及糖尿病性潰瘍、其他多種潰瘍、壞疽砭手術(shù)瘺口等。文中基于STM32單片機(jī)，研究了紅光治療儀的實(shí)現(xiàn)原理和控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)?？朔耸袌?chǎng)上紅光治療儀存在的成本高、性能不穩(wěn)定、操作復(fù)雜、工作時(shí)間短等缺點(diǎn)，使紅光治療儀具有更廣泛的市場(chǎng)前景。
關(guān)鍵詞 STM32；紅光治療儀；控制系統(tǒng)

    介紹了基于STM32的紅光治療儀控制系統(tǒng)STM32具有性價(jià)比高、外設(shè)豐富、集成度高、功耗低、開發(fā)方便等優(yōu)點(diǎn)，因此STM32在單片機(jī)領(lǐng)域及嵌入式應(yīng)用具有一定的優(yōu)勢(shì)，并逐漸成為產(chǎn)品開發(fā)的主流。紅光治療儀主要由紅光LED燈、24電流可控開關(guān)電源、水循環(huán)冷卻系統(tǒng)、安全系統(tǒng)、人機(jī)交互界面等組成如何實(shí)現(xiàn)紅光LED燈的光強(qiáng)調(diào)節(jié)、治療時(shí)間調(diào)節(jié)、水循環(huán)冷卻系統(tǒng)、人機(jī)交互界面等問題，成為研究的重點(diǎn)。對(duì)普通24 V開光電源進(jìn)行改進(jìn)，使開光電源實(shí)現(xiàn)了以模擬電壓方式調(diào)節(jié)電源的電流輸出。本控制系統(tǒng)應(yīng)用STM32103VCT6的優(yōu)異DAC外設(shè)功能控制紅光LED電源的功率，實(shí)現(xiàn)紅光治療儀紅光強(qiáng)度，不需要專門的DAC芯片，節(jié)約了制作控制飯的成本。應(yīng)用STM32103VCT6的串口外設(shè)進(jìn)行控制系統(tǒng)與人機(jī)交互系統(tǒng)的通信，STM32集成的RTC模塊實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)時(shí)鐘顯示，使操作界面更加簡(jiǎn)易和優(yōu)美。應(yīng)用了STM32103VCT6的ADC外設(shè)采集水溫傳感器模擬電壓和IO口采集水保護(hù)的開關(guān)信號(hào)，建立了水保護(hù)和水溫檢查系統(tǒng)，使紅光治療儀性能穩(wěn)定、安全性高 控制系統(tǒng)采用半導(dǎo)體制冷系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)紅光治療儀的水循環(huán)冷卻系統(tǒng)，使紅光治療儀工作時(shí)間更長(zhǎng)。

1 基于STM32的紅光治療儀控制系統(tǒng)
    圖1為控制系統(tǒng)框圖

    基于STM32的紅光治療儀電路圖。控制系統(tǒng)選用STM32系列中的STM32103VCT6作為控制芯片，因芯片有兩個(gè)DAC，兩個(gè)串門，內(nèi)部集成的RTC模塊圖2中的PA4引腳是芯片的DAC1，控制系統(tǒng)采用DAC1與LED電源控制板中的DAC_POWER接口相連來(lái)控制LED電源電流大小。圖3中的USAR T1_TX和USART1_RX分別是串口1的發(fā)送引腳和接收引腳，用串口1與觸摸屏實(shí)現(xiàn)串口通信，從而實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互系統(tǒng)。具有ADC功能的PC0引腳與水溫傳感器相連，用ADC定時(shí)采集水的溫度。圖4是水保護(hù)部分，TLP181是單向光耦，當(dāng)有水流時(shí)水開關(guān)打開，光耦不導(dǎo)通，PD6 IO口高電平。當(dāng)無(wú)水流是水閉合，光耦工作，PD6 IO口低電平。

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    圖5是報(bào)警部分，PB5 IO口通過1 kΩ電阻與三極管8050的基極相連，當(dāng)PB5輸出高電平時(shí)8050三極管導(dǎo)通驅(qū)動(dòng)DZ1蜂鳴器。當(dāng)PB5輸出低電平時(shí)三極管截止，DZ1蜂鳴器不工作。當(dāng)水溫過高或無(wú)水流時(shí)，在PB5輸出高電平驅(qū)動(dòng)蜂鳴器報(bào)警。圖6中電池BT1的正極與STM103F32VCT6的BAT引腳相連，為芯片內(nèi)部集成的RTC實(shí)時(shí)時(shí)鐘供電，控制系統(tǒng)不供電時(shí)，RTC照常工作。圖7 中的PE8、PE9引腳分別通過330 Ω電阻與光耦相連，通過輸出高低電平來(lái)控制馬達(dá)的正反轉(zhuǎn)。當(dāng)PE8輸出高電平、PF9輸出低電平時(shí)，馬達(dá)正轉(zhuǎn)。當(dāng)PE8輸出低電平、PE9輸出高電平時(shí)，馬達(dá)反轉(zhuǎn)。通過馬達(dá)的正反轉(zhuǎn)來(lái)控制紅光治療儀的治療頭高度。圖8是紅光LED電源控制接口板原理圖，首24 V紅光LED電源對(duì)紅光LED供電，0．1 Ω的R3與LED串聯(lián)，采集經(jīng)過紅光LED的電流，將電流轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)，此電壓信號(hào)與控制芯片的DAC1輸出的電壓通過比較運(yùn)放器比較，而比較運(yùn)放器的1腳與紅光LED 電源中的電流控制芯片的12腳相連。當(dāng)經(jīng)過紅光LED中的電流不夠大時(shí)，在R3上的壓降小于設(shè)置的DAC1輸出電壓，這時(shí)比較運(yùn)放器截止，紅光LED電源提高供電電流直到R3上壓降大于設(shè)置的DAC1輸出電壓，這時(shí)比較運(yùn)放器導(dǎo)通，紅光LED電源輸出恒定電流。

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2 控制系統(tǒng)軟件架構(gòu)
    初始化程序中對(duì)STM32F103VCT6的時(shí)鐘，IO口，DAC、串口1、全局變量等初始化。串口接收觸摸屏程序中串口1接收從觸摸屏發(fā)送過來(lái)的16進(jìn)制數(shù)據(jù)治療時(shí)間沒置、治療強(qiáng)度設(shè)置、治療頭高度調(diào)節(jié)程序中對(duì)從串口1接收的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。報(bào)警系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)水流狀況、水溫并做相應(yīng)處理。時(shí)鐘顯示程序在顯示器上實(shí)時(shí)顯示時(shí)鐘。系統(tǒng)用到RTC秒中斷，中斷主要是對(duì)59 s進(jìn)行清零。

3 實(shí)驗(yàn)程序
    DAC實(shí)驗(yàn)：通過按鍵KEY0，KEY1來(lái)調(diào)節(jié)DAC輸出電壓的大小按照原理圖即圖9所示接好硬件電路在MDK開發(fā)環(huán)境下建立DAC工程，采用V3．  1．1庫(kù)函數(shù)進(jìn)行軟件編程。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果
    在MDK開發(fā)環(huán)境下編譯工程，生成DAC．hex執(zhí)行文件，通過JLINK V8 下載到控制板中運(yùn)行，接好硬件電路，通過按鍵KEY0、KEY1，調(diào)節(jié)和測(cè)量紅光光輻射功率。圖10是DAC輸出電壓與紅光光輻射功率的關(guān)系圖。

    由圖可知紅光輻射功率隨DAC輸出電壓變化而變化，且能達(dá)到70 mW·cm-2要求。

5 結(jié)束語(yǔ)
    文中介紹了基于STM32的紅光治療儀控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了紅光治療儀所要求的功能。應(yīng)用STM32F103VCT6作為主控制芯片，STM32具有豐富的外設(shè)，低功耗，方便的開發(fā)環(huán)境，使系統(tǒng)更加節(jié)約成本，縮短開發(fā)環(huán)境，性能更好。建立了控制系統(tǒng)，驗(yàn)證了本系統(tǒng)在紅光治療儀上應(yīng)用的可行性。