（生物医学工程专业论文）超声波颈椎治疗仪——超声发射及整机控制系统设计研究.pdf

a b s t r a c t a b s t r a c t c e r v i c a ls p o n d y l o s i si sap r e v a l e n ta n df r e q u e n td i s e a s e ，a n di ti sc o m m o na m o n g t h ee l d e r s t h e s ey e a r s ，t h ea m o u n to fy o u n gs u f f e r e r si sg r o w i n g ，a n dt h ep e o p l ew h o o f t e nu s ec o m p u t e r sa r ee a s i e rt oc a t c hi t c e r v i c a ls p o n d y l o s i sn o to n l ya f f e c t sp e o p l e s l i v e s ，b u ta l s oa r i s e sm a n yo t h e rd i s e a s e s ，s oi ti sv e r yh a r m f u lt oh u m a n b o d i e s u l t r a s o n i ci sak i n do fm e c h a n i c a lw a v e ，o fw h i c ht h ef r e q u e n c yi su p p e r2 0 k h z a p p r o p r i a t eu l t r a s o n i ci r r a d i a t i o nw i l lb r i n gs o m eb i o l o g i c a le f f e c t s ，s u c ha sm e c h a n i c a l e f f e c t , h e a te f f e c t , c a v i t a t i o ne f f e c t ，e t c u s i n gt h e s ee f f e c t st oc u r ed i s e a s e si sc a l l e d u l t r a s o n i ct r e a t m e n t a st h en u m b e ro fp a t i e n t si sg r o w i n ga n dt h eu l t r a s o n i ct e c h n i q u ei sp r o g r e s s i n g ， u l t r a s o n i ct r e a t m e n th a sb e e nu s e dt oc u r ec e r v i c a ls p o n d y l o s i sa n dg o ts o m ea v a i l a b l e r e s u l t s h o w e v e r , e x c e s s i v ei r r a d i a t i o nw i l lh u r tp e o p l e ，s oi ti sv e r yi m p o r t a n tt ol i m i t t h ed o s a g e t h e r e f o r e ，t h eu l t r a s o n i ca p p a r a t u sf o rc e r v i c a ls p o n d y l o s i si sm a d e ，a n dt h e i r r a d i a t i o ni sd e s i g n e dt os h i f tw i t hb o d yt e m p e r a t u r e ，i no r d e rt op r o t e c tt h ep a t i e n t s i nt h i sp a p e r , t h eu l t r a s o n i ce m i s s i o nc i r c u i t sa n dt h ec o n t r o ls y s t e ma r ed e v e l o p e d f i r s t , t h eu l t r a s o n i ce m i s s i o nc i r c u i t s ，i n c l u d i n gs i n ew a v eg e n e r a t i o n ，w a v es e l e c t o r , v o l t a g ea d j u s t e ra n do u t p u td r i v e r , i sp r o v i d e d ，a n dt h e c i r c u i t sc a ns i m u l a t et h e u l t r a s o n i ct r a n s d u c e rt oe m i tu l t r a s o n i c s e c o n d ，t h ec i r c u i t sa n dp r o g r a m so fc o n t r o l s y s t e mb a s e do na t 8 9 c 5 1a r ei n t r o d u c e d ，t h ec o n t r o ls y s t e mc a nc h a n g eu l t r a s o n i c p o w e r , s h i f tw a v ef o r m ，m e a s u r eb o d yt e m p e r a t u r e ，r e s p o n d t h e k e y s ，d i s p l a y t e m p e r a t u r ea n dt h es y s t e m ss t a t e s t h i r d ，ad e s i g np l a nf o rt 1 1 es y s t e mp o w e rs u p p l y i s p r e s e n t e d ，w h i c hi sb a s e do nv o l t a g er e g u l a t o r sa n di n t e g r a t e ds w i t c h e r , t h ei c so f t o p s w i t c h g xs e r i e sa n dt h ep r i n c i p l eo fp w m s m p s a r ei n t r o d u c e d ，t h e nt h ec i r c u i t s o fs m p sa n dh i g h f r e q u e n c yt r a n s f o r m e ra l ed e s i g n e dw i t ht h ea s s i s t a n c eo fp ie x p e r t f i n a l l y , a l lt h ec i r c u i t sd e s i g n e da b o v ea r em a d eo u ta n dd e b u g g e d ，a n dt h ef u n c t i o n s a n dr e q u i r e m e n t so ft h ea p p a r a t u sa r ea c h i e v e d ，t h e nt h es y n t o n yo ft h ep i e z o e l e c t r i c c e r a m i c si sa n a l y z e d k e y w o r d s ：u l t r a s o n i ce m i s s i o n , p o w e ra m p l i f i e r , t e m p e r a t u r em e a s u r e m e n t ，s m p s 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地 方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含 为获得电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明 确的说明并表示谢意。 签名： 墨遁造 日期：刎9 年g lz ll e i 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论文 的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁 盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权电子科技大学可以将学位论文 的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或 扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 签名：三圣遮造导师签名： j 参易害 e t 期：砂夕年岁月z 日 第一章绪论 1 1颈椎病及其治疗 第一章绪论 1 1 1 颈椎病及其发病原因 由于现代生活节奏的加快，各种工作压力和心理压力随之加重，尤其是整天 坐办公室的公务员和白领阶层，颈椎病患者更是日益增多，发病呈现越来越年轻 化的趋势。据世界卫生组织的调查，患不同程度的颈椎病者，占中老年人的7 0 左右。现代医学认为，颈椎的发病原因主要有这几个方面：颈部的慢性劳损，外 伤，颈椎的退行性变，寒冷和潮湿。 现在的年轻人由于工作、学习压力大，再加上不良姿势，如长时间低头看书， 躺在床上看电视、看书，高枕，坐位睡觉，卧车上睡觉，睡着时肌肉保护作用差， 开车刹车时易出现颈部损伤和椎间盘突出，经常使用电脑等原因导致颈椎病发病 率也很高。颈椎病由于颈椎骨质增生、韧带钙化、周围软组织水肿压迫了血管， 导致脑供血不足，脑血管硬化患者症见颈项僵痛、头痛、头昏、耳鸣、健忘、胸 闷专心烦等，还有一些类型的颈椎病会出现压迫神经导致肢体麻木、无力、瘫痪。 常见的颈椎病都伴有脑血管疾病症状，如果不进行治疗可形成脑萎缩、脑梗塞、 脑中风等，并可影响胃及心血管，对人体的危害很大【1 】。 1 1 2 颈椎病的治疗方法 颈椎病的治疗方法可分为非手术疗法及手术治疗两类。目前对于颈椎病的治 疗，大多数的医学专家主张非手术治疗，只有少数病例需手术治疗。非手术疗法 主要包括手法按摩推拿疗法，颈椎牵引疗法，药物治疗，温热敷，红外、电脉冲、 超声理疗，可根据不同情况选用其中一种或二至三种方法，同时施行。 手法按摩推拿疗法：这是中医治疗颈椎病的主要方法，也是颈椎病较为有 效的治疗措施。它的治疗作用是缓解颈肩肌群的紧张及痉挛，恢复颈椎活 动，松解神经根及软组织粘连来缓解症状。 颈椎牵引疗法：这是颈椎病较为有效并且应用较广的一种治疗方法，此疗 法适用于各类颈椎病，对早期病例更为有效。 电子科技大学硕士学位论文 理疗：在颈椎病的治疗中，理疗可起到多种作用。一般认为，急性期可使 用阴离子透入、超声波、紫外线或间动电流等；疼痛减轻后用超声波、碘 离子透入，感应电或其他热疗。 药物治疗：药物在本病的治疗中可起到辅助的对症治疗作用，可选择应用 止痛剂、镇静剂、维生素( 如b 1 、b 1 2 ) 、血管扩张剂及中草药等，对症 状的缓解有一定的效果。 温热敷：此种治疗可改善血循环，缓解肌肉痉挛，消除肿胀以减轻症状， 有助于手法治疗后使患椎稳定。本法可用热毛巾和热水袋局部外敷，最好 用中药熏洗方来热敷。急性期病人疼痛症状较重时不宜作温热敷治疗。 1 2 超声波及其对颈椎病的治疗机理 超声波是振动频率高于2 0 k h z 的机械波，人在自然环境下无法听到和感受到 的声波。当超声波照射人体组织时，会产生热作用、机械作用、空化作用等生物 效应。超声治疗就是利用超声波的能量来改变生物组织的结构、状态或者功能， 从而治疗某些疾病。超声治疗开始于超声理疗，出现在2 0 世纪3 0 年代。l l j 利用较 低强度的超声波的热效应、机械效应等，用聚焦或者非聚焦声束对疾病部位进行 加热和机械刺激，来治疗某些疾病，称为超声理疗1 2 】。超声理疗主要包括超声按摩、 超声针灸及超声热疗。超声理疗的机理如下： 1 机械效应：超声在介质中前进时所产生的效应，它可引起机体若干反应。超 声振动可引起组织细胞内物质运动，由于超声的细微按摩，使细胞浆流动， 细胞震荡、旋转、摩擦，从而产生细胞按摩的作用，也称为“内按摩”，这 是超声波治疗所独有的特性，可以改变细胞膜的通透性，刺激细胞半透膜的 弥散过程，促进新陈代谢、加速血液和淋巴循环、改善细胞缺血缺氧状态、 改善组织营养、改变蛋白合成率、提高再生机能等，使细胞内部结构发生变 化，导致细胞的功能变化，使僵硬的结缔组织延伸，松软。超声波的机械作 用可软化组织，增强渗透，提高代谢，促进血液循环，刺激神经系统和细胞 功能，因此具有超声波独特的治疗意义【3 j 。 2 温热效应：人体组织对超声能量有比较大的吸收本领，因此当超声波在人体 组织中传播时，其能量不断地被组织吸收而变成热量，其结果是组织的自身 温度升高。产热过程既是机械能在介质中转变成热能的能量转换过程，即内 生热。超声温热效应可增加血液循环，加速代谢，改善局部组织营养，增强 2 第一章绪论 酶活力。一般情况下，超声波的热作用以骨和结缔组织为显著，脂肪和血液 为最少。 3 理化效应：超声的机械效应和温热效应均可促发若干物理化学变化。实践证 明，一些理化效应往往是上述效应的继发效应。 在使用超声波对颈椎进行治疗时，主要使用的是它的温热效应和机械效应。 这两种效应共同作用可以使颈部丰富的血管扩张，促进新陈代谢，降低颈部肌肉 痉挛、僵硬，提高神经兴奋阈值，从而缓解患者的病痛，达到治疗目的。 1 3 超声波治疗在临床中的应用及发展 1 3 1 超声波治疗的发展 自1 9 世纪末到2 0 世纪初，在物理学上发现了压电效应与反压电效应之后， 人们解决了利用电子学技术产生超声波的办法，从此迅速揭开了发展与推广超声 技术的历史篇章。1 9 2 2 年，德国出现了首例超声波治疗的发明专利。1 9 3 9 年发表 了有关超声波治疗取得临床效果的文献报道。4 0 年代末期超声治疗在欧美兴起， 直到1 9 4 9 年召开的第一次国际医学超声波学术会议上，才有了超声治疗方面的论 文交流，为超声治疗学的发展奠定了基础f 4 】。1 9 5 6 年第二届国际超声医学学术会 议上已有许多论文发表，超声治疗进入了实用成熟阶段。 1 3 2 超声波治疗仪 超声理疗主要由超声治疗仪来完成，一般超声治疗仪由高频功率发生器和超 声换能器两大部分组成。由高频功率发生器提供的高频电能，激发超声换能器中 的压电晶片，使其产生厚度方向的振动，向外辐射超声波。超声波经过耦合剂便 可有效地进入人体，辐射病变部位以达到治疗目的【5 1 。 超声治疗仪使用的超声频率大都取8 0 0 k h z 或1 m h z 左右，因为8 0 0 k h z 的超 声波既有良好的定向特性，又可透入人体较深的部位；最高频率可到3 m h z ，多用 于浅表部位。 超声治疗仪有多种类型，以输出方式划分，有连续输出型、脉冲输出型、连 续脉冲输出型。连续超声的射束呈不间断地连续发射，声波振幅相等，这种超声 的温热效应显著；脉冲超声射束呈规律地间断发射，第一脉冲持续时间与其间歇 时间相比，相对较短，恰与前者形成鲜明对照，因此可显著地减少温热效应。由 电子科技大学硕士学位论文 于后者所输出的毫秒时限的脉冲足可产生超声波，故使用脉种超声波可减少达到 治疗强度上限时可能引起的危险的加热作用，同时保持超声波的有益作用，充分 发挥机械效应。 超声治疗仪的输出声强一般在0 1 3 0 w c m 2 范围内，一次超声治疗的辐射时 间视输出声强、辐射部位及辐射方式( 固定式或移动式) 而定【5 】。 现在超声治疗还常结合其他一些治疗方法，以达到更好的治疗效果，常见的 有超声一电疗法，超声药物透入疗法，超声雾化吸入疗法等。 1 。3 3 超声波治疗仪的现状 现代的超声波治疗仪，随着电子技术的日新月异，已经具有很强大的功能： 频率可变：目前市场上的超声治疗仪，很多都具备发射超声波频率可调， 一般为1 m h z 或3 m h z ，这样可以根据治疗部位深浅的不同而选择合适的 频率和探头。 发射声强和波形可调：不同的声强和波形对不同的病痛、部位和患者会产 生不同的治疗效果，医生或患者通过不断地调节和摸索可以达到更好的治 疗效果。 治疗模式记忆；当治疗仪在医院中使用时，为每个病人设定并储存特有的 治疗模式，“对症下药 ，这样不仅可以改善治疗效果，同时也可以提高医 生的工作效率。 然而，由于在超声生物效应、超声剂量学、以及体内测温方面研究的不充分， 大多数超声波治疗仪都只能在由超声波强度和作用时间所确定的安全阈值范围 内，手动调节治疗时间、辐射强度和波形。首先，这样的操作会带来安全隐患， 当时间和强度把握不当时，会使辐射过量而产生副作用；其次，这种无实时反馈 信息的治疗，会降低治疗效果；第三，大量的手动操作也降低了医生的工作效率。 因此，现在需要的是能够根据生物效应和辐射剂量来自动调整输出参数，更 加智能化的超声治疗仪。 1 4 本论文主要工作 本论文的选题来源于本人与同学合作的超声波颈椎治疗仪。该仪器是通过超 声换能器向人体颈椎发病部位辐射不同声强、不同波形的超声波，利用超声生物 效应进行治疗，具有针对性和反馈性。它主要由4 个模块组成：超声换能器、超 4 第一章绪论 声发射系统、整机控制系统和超声生物效应检测系统。该设计最显著的特点就是 具有超声生物效应检测系统。系统设计主要是根据超声辐射人体组织会发热这一 特点，对辐射部位进行体表温度检测，并将其作为反馈参数来自动调整超声波的 发射，避免辐射过量造成人体不适，甚至损伤。 本文所研究的是其中的超声发射系统和整机控制系统。具体工作内容如下： 1 根据超声换能器的参数，设计电路激励它，使其发射出特定波形、声强的超 声波，并且在单片机的控制下实现声强可调和波形可变。 2 用单片机设计整机控制系统，并编写相应程序，实现显示、按键、测温、声 强和波形调节的功能。 3 按照电路需求，尤其是发射电路中需要的大功率电源，为整个系统设计配套 的电源。 4 实现上述设计，制作印制电路板并进行互连调试，进行结果测试和分析。 电子科技大学硕士学位论文 第二章超声波颈椎治疗仪超声发射系统的设计 超声发射系统是用来激励超声换能器，使其发射出特定波形、声强的超声波。 在治疗过程中要求超声波的声强可调、波形可变。 2 1 超声发射系统设计要求 根据相关文献和数据的结论，以及所购买的压电陶瓷的特性，在相关标准的 约束下，该超声波颈椎治疗仪的超声波发射特性如下： ( 1 ) 频率：f = 1 1 v i h z ( - 4 - 5 ) ； ( 2 ) 连续正弦波声强：0 5 w c m 2 - - - 2 0 w c m 2 可调，步进o 5 w e r a 2 ，声强稳定 度_ _ a ：2 0 t 6 j ； ( 3 ) 发射波形：1 m h z 连续正弦波和脉冲重复频率f = 1 0 0 h z 、占空比d = 1 0 、 基频f - - _ 1 m h z 的调制正弦波。 根据上述超声波的发射特性，以及超声换能器的性能，超声发射电路的输出 信号要满足以下要求： ( 1 ) 频率f = 1 m h z ，4 - 1 0 可调； ( 2 ) 。连续正弦波输出功率3 5w - 1 4 0 w 可调； ( 3 )1 m h z 连续正弦波和脉冲重复频率f = 1 0 0 h z 、占空比d = 1 0 、基频 f = l m h z 的调制正弦波，可切换。 2 2超声发射系统总体设计方案 首先，设计一个1 m h z 正弦波发生电路，并使用波形控制电路控制它的工作， 得到连续正弦波和调制正弦波，然后将此信号送入放大器进行电压调整，再使用 甲乙类推挽功放作为前级驱动，并经过变压器升压之后，去驱动大功率的b j t 功 放，最后由b j t 功放来激励超声换能器，使探头能够发射出足够声强的超声波， 并且可以通过步进调节放大器电路的增益，来调整超声波发射声强。超声发射系 统总体设计方案框图如图2 1 所示。下面，本文将按照信号流程的逆序来对超声发 射系统设计方案进行详细说明。 6 第二章超声波颈椎治疗仪超声发射系统的设计 厂塑盟控制系统生气 波形控制 塑堡呈 电路 晗 脉冲信号 正弦波 发生电路 连续正弦波 调制正弦波 臼b j t 功放臼鬻 图2 1 超声发射系统总体设计方案框图 2 3 b j t 功放输出设计 放大器 电压调整 0 甲乙类推挽 功放前级驱动 整个发射电路的输出使用由单电源v c c 供电的甲乙类互补推挽功放( o t l ) ， 它可以得到较大的电流增益，电压增益1 ，即v 州i i i ，满激励( v i n v c c ) 时的 输出阻抗如。 2 3 10 t l 功放的性能特点 当输入电压峰峰值为v i n ( v i n v c c ) 的正弦波时， 阮“f “f 有效输出功率： 电源消耗平均功率： 功放效率： 单管平均管耗： _ 厂了万v o u t v i n 2 v o u t 尸d ：22 丝： 28 地8 血 p c c ：2 v c c v o u t ：v o u t x v c c 22 7 r r z2 7 r r l p o万斫 p c c4v c c v o u t v c cp b “产 p t ：p c c - p o ：2 互鱼 墨鱼 22 可见，在满激励情况下，可以得到最大有效输出功率p o i i i 酞_ v c c 2 8 r l ，最大电 源消耗功率p c c m 【= v c c 2 2 7 r r l ，最大功放效率1 3 m a x = 7 【4 = 7 8 5 。 2 3 2 功放的实际工作参数 1 负载阻抗r l 7 ) ) ) ) 1 2 1 j 4 - - 2 2 2 2，l，l，k， 电子科技大学硕士学位论文 在不同的频率下，压电陶瓷呈现不同的阻抗。在谐振点上，压电陶瓷谐振阻 抗 _ i o o v ； ( 2 ) 集电极电流i c ：满激励电流v c c 2 r l = 6 2 5 a ，不应该超过三极管的i c ； ( 3 ) 集电极管耗p c ：由式( 2 8 ) 知，当v o u t - 2 v c c n 时；可以得到最大平均 管耗p t m a x - v c c 2 ( 4 x 2 r l ) = 3 2 w ，贝0p c 三尹t m a x = 3 2 w 。 在进行三极管选择时，一定要满足上述极限参数，同时还要注意其转移频率 和上升下降时间，因此这里选用了大功率对管2 s c 5 2 0 0 和2 s a l 9 4 3 。 2 3 3 功放与换能器的匹配 当压电陶瓷工作在谐振频率附近时，其简化等效电路如图2 2 中左图所示。其 中，c o 是压电振子两电极间的电容，又称静电容；c m 相当于晶片的机械柔顺性， 称为力顺，又称为动态电容；l m 是描述振动系统惯性大小的一个量，称为力质量， 又称为动态电感；r t 是辐射电阻，i 玎= + i u ，又称为动态电阻；r m 反映振动 系统摩擦阻尼，称为力阻，描述机械损耗；r l 描述振动系统辐射阻尼的力阻，在 真空中为0 【引。 压电陶瓷是弹性体，本身存在固有频率，当所施加的频率等于固有频率时， 8 第二章超声波颈椎治疗仪超声发射系统的设计 它就产生机械谐振。压电陶瓷又是压电体，当所施加的频率和压电陶瓷固有频率 一致时，由于逆压电效应，亦引起机械谐振。机械谐振时振幅最大，弹性能量也 最大，压电体此时发生的形变也最大【引。 l f = c 0兰 i 发射声强调节 温度闽值调节的优先级顺序来选择响应。 3 1 3 显示输出 系统使用4 只l e d 、2 位和3 位7 段数码管来显示仪器工作状态、超声波发 1 5 电子科技大学硕士学位论文 射波形和声强、体表温度、温度阈值。 1 自动手动方式：2 只l e d 显示绿灯亮则为自动方式，黄灯亮则为手动 方式； 2 连续波形：2 只l e d 显示黄灯亮则为连续波输出，绿灯亮则为调制波 输出； 3 发射声强：2 位7 段数码管显示由于设置了仅4 种声强输出，因此仅需 显示0 5 、1 0 、1 5 、2 o ； 4 体表温度：3 位7 段数码管显示可显示范围为0 c 8 0 ( 正常人体温度 不会低于0 c ，因此不设符号位) ，精确度为0 5 ； 5 温度阈值：3 位7 段数码管显示( 与体表温度显示共用) 预设了4 组温 度阈值，每组都有一高一低两个数值，每次显示其中一组值，先显示高值再 显示低值，并且都持续o 2 s ，间隔0 8 s ，然后持续显示体表温度。 3 2 整机控制系统的硬件设计 由于该仪器仅是突出其温度检测和自动切换功能，其他功能较为简单，因此 使用5 1 单片机，在程序控制下，以i o 口与外围电路相连并交互信息，即可完成 设计功能，达到设计要求。 5 1 单片机 4 只l e d _ ii o x 2 2 位数码管卜i i o x 3 3 位数码管_ li i o x 4 4 个按键叫li i o x 5 3 2 1 主控单元设计 i o x 4i 一7 段译码 i o x1 卜一波形转换 i i o x 2 l _ 声强切换 i o x1i h 温度检测 图3 - 1 整机控制系统设计方案图 系统采用a t 8 9 c 5 1 单片机作为主控单元。a t 8 9 c 5 1 是一款廉价的单片机，它 具有4 k b 的片内程序存储空间( r o m ) 和1 2 8 字节的用户可支配数据存储空间 1 6 第三章超声波颈椎治疗仪整机控制系统的设计 ( 洲) ，3 2 个i o 口，2 个定时计数器中断，2 两个外部中断，工作频率最高可 达2 4 m h z 1 0 1 。这些功能足以完成系统的设计。 s 0 i oo r e s e r c 2 ： 1 0 u 1 - s e 0 i - s e i 生韭 1 - s e 2 2 - s e o 2 - s e l u 1 l e d a u ! d b l e d c l e d d k e y 害 k e w k e y r 6 k e y j p , 3 l k r 4 砧 l 璩 r 7 j r a t 9 9 c 5 1 图3 - 2 单片机各引脚与外围电路连接图 由于本设计中不需要很精确的时间控制，因此外接一个1 2 m h z 的无源晶振， 使a t 8 9 c 5 1 的一个机器周期约为1 p s ；按键s 0 、电容c 2 、电阻r 1 和i 毪共同组 成高电平复位电路，按键闭合则实现复位。 单片机的i o 口p 0 3 p 0 0 与7 段显示译码器的译码输入端相连；p 1 6 p 1 4 与2 位共阴极数码管相连；p 1 3 一p 1 0 与3 位共阴极数码管相连；p 2 7 - p 2 0 检测按 键输入；p 3 7 、p 3 6 控制放大器电路增益；p 3 5 控制波形控制电路的工作；p 3 4 实现与温度传感器的通信；p 3 2 接收外部中断输入；p 3 1 、p 3 o 控制4 只l e d 指 示灯的亮灭。 3 2 2 波形转换和声强调节的实现 a t 8 9 c 5 1 的p 3 5 口与波形控制电路中n e 5 5 5 的r e s e t 脚相连，通过输出“1 ” 和“0 使波形控制电路处于工作和不工作状态，输出超声波为调制波和连续波。 a t 8 9 c 5 1 的p 3 7 和p 3 6 口分别与双运算放大器芯片的两个同相输入端相连， 通过输出“0 0 、“0 l ”、“l o 、“1 1 这4 种组合，调整电压放大电路的4 级增益， 1 7 剪一嚣一盯一撕一驺_弘_鹑一致一孔一如一刀一勰一砑一拍一西一驰一一规一殂 c d 1 2 3 4 5五1一a上一n一五j 4 3 2 1 d贮如阳阳加加如阳期一e札一征砚砣砣砣砚砣挖耽 d j 2 3 4 j 五一t d 1 2 3 4 j后一隗限s n n n h m n h n；2聆矜矜矜矜鹎聆耵玎 一23456789一加一一挖一坞一一巧一m一一擂一修一加 一一一一一一 奸月l k 2 2 电子科技大学硕士学位论文 最终实现输出声强的调节。 3 2 3 按键输入电路设计 按照系统设计要求，当单片机检测到对应i o 口有从低电平到高电平的电平跳 变时则为有效按键，电路连接如图3 3 所示。 图3 - 3 按键输入电路连接图 当无按键闭合时，p 2 7 - p 2 4 口( 亦即4 输入与门c d 4 0 8 2 的输入) 都通过上 拉电阻输入高电平，c d 4 0 8 2 的输出接至p 3 2 口( 单片机外部中断0 输入) ，此时 也为高；当有按键闭合时，与其对应相连的i o 口和c d 4 0 8 2 的相应输入为低电平， 此时c d 4 0 8 2 的输出就为低，可以向单片机请求中断，执行中断处理程序，扫描按 键，当检测到是某一个按键闭合时，则去执行其所对应的功能。 p 2 3 p 2 0 则通过上拉电阻接至高电平，输入一直为逻辑1 。若在此4 个i o 口和地之间接入按键( 与图3 3 中按键接法相同) ，则可将4 输入键盘扩展为8 输 入键盘。 3 2 4 数码管显示电路设计 设计中使用一只3 位数码管显示体表温度，一只2 位数码管显示超声波发射声 强。m c l 4 5 5 8 b 是b c d 码的7 段显示译码器，可以直接驱动共阴极数码管。 1 8 第三章超声波颈椎治疗仪整机控制系统的设计 图3 4 数码管显示电路连接图 如图3 4 所示，单片机通过p 2 3 - p 2 0 口将4 位的b c d 码并行送至m c l 4 5 5 8 b 的数据输入口“d c b a ”进行译码，输出口“a b c d e f g 分别与数码管的对应引脚 相连；根据m c l 4 5 5 8 b 的真值表，通过限流电阻r 4 将3 脚和5 脚拉至高电平，使 芯片处于正确工作状态；p 1 6 和p 1 2 输出高电平时用来点亮对应位的小数点( 2 位数码管的前位和3 位数码管的中间位) ，a t 8 9 c 5 1 的输出电流可以达到1 5 m a ， 也可以直接驱动数码管，但是当位刷新频率较快时，小数点显示会较暗，可以适 当添加上拉电阻帮助驱动；p 1 5 和p 1 4 分别控制2 位数码管的前、后2 位，p 1 3 、 p 1 1 和p 1 0 分别控制3 位数码管的前、中、后3 位，输出低电平有效进行位选， 可根据位刷新频率来选择限流电阻r 1 l - r 1 5 ，调整亮度。 3 2 5l e d 指示电路设计 单片机p 3