无框架立体定位神经外科手术机器人多功能TENS发生器的研制论文

毕业设计说明书 (论文 ) 作 者 : 学号 ： 学院 (系 ): 机械工程学院 专 业 : 机械工程及自动化 题 目 : 无框架立体定向神经外科手术机器人 多功能 TENS 发生器的研制 指导者 ： (姓 名 ) (专业技术职务 ) 评阅者 ： (姓 名 ) (专业技术职务 ) 毕业设计说明书（论文）中文摘要 本论文在简单介绍了有关 TENS（经皮神经电刺激）的理论后，针对目前市场上 TENS产品形式单一等不足，设计出一款多功能 TENS 发生器。该发生器主要具有性能稳定、功能齐全，易于扩展、编程 容易、操作简单等特点。论文详细地介绍了该仪器的各部分硬件组成，包括单片机控制部分、 D/A 转换部分、 V/F 转换以及功率放大部分。在对目前已经制作完成的核心电路进行实际测试以后，论文对测试结果做出讨论 ,并做了误差分析。论文还列举了一个实际应用的例子。最后，笔者对该设计进行了较为全面和客观的评价并对产品地市场前景做出科学地预测。 关键 词 TENS 发生器 多功能 应用简单 本科毕业设计说明书（论文 ） 毕业设计说明书（论文）外文摘要 Title Design of Multi-functional TENS Apparatus Abstract This article briefly introduces theory about TENS( transcutaneous electrical nerve simulation), later in view of TENS productions simplification in function, designs a multi-functional TENS apparatus. This apparatus is special at steady-going, multi-functional, easy to extend, program and operate. This article particularly discusses about the hardware, containing the parts of the control of single-chip, D/A conversion, V/F conversion and power magnification. Easy to program becomes a very outstanding characteristic of the apparatus of the design, because of the special designed hardware. After the debugging of the core circuit accomplished, this article analyses the result, especially studies the error. Later it gives out an practical example about how to set parameter and program. In end the author evaluate the design generally and impersonally, at the same time forecasts the designs market foreground. Keywords TENS apparatus multi-functional easy to use 本科毕业设计说明书（论文 ） 目 次 1 引言 . 1 1.1 TENS 发展简史 . 1 1.2 TENS 作用机制 . 1 2 TENS 仪器特征确定 . 3 2.1 波形 . 3 2.2 频率 . 3 2.2.1 低频电刺激 . 3 2.2.2 中频电刺激 . 4 2.3 刺激强度 . 4 2.4 电极 . 5 3 硬件设计 . 6 3.1 硬件系统设计思想 . 6 3.2 单片机控制部分 . 7 3.3 D/A 转换部分 . 8 3.4 V/F 转换部分 LM331 . 9 3.4.1 LM331 芯片介绍 . 9 3.4.2 LM331 芯片 V/F转换电路 . 9 3.4.3 转换倍数计算 .11 3.5 功率放大器 . 11 3.6 硬件原理图 . 12 4 软件设计 . 14 4.1 整体功能设计 . 14 4.2 软件设计说明 . 14 5 现有实验电路介绍 . 15 5.1 硬件部分 . 15 5.2 软件部分 . 19 5.3 实验结果 . 20 5.4 实验结果分析 . 22 6 实际应用举例 . 25 6.1 功能假设 . 25 6.2 硬件参数确立 . 25 6.3 程序编写 . 25 7 设计评价 . 29 7.1 功能评价 . 29 7.2 市场前景分析 . 30 本科毕业设计说明书（论文 ） 结论 31 致谢 32 参考文献 33 本科毕业设计说明书（论文 ） 第 1 页 共 33 页 1 引言 TENS( transcutaneous electrical nerve simulation 经皮神经电刺激 )现已被广泛地应用在医疗保健的许多 场合上 ，各种产品种类丰富，良莠不齐。针对目前市场上 TENS产品形式和功能较为单一的情况，本设计主要完成一个真正实际有效的多功能 TENS发生器的设计，通过实验分析不同形式的波形对生命体组织的不同刺激作用，并且期望在其基础上作“ TENS 对生命体的作用机制”的初步探究。 由于目前仍处于实验阶段，该发生器应具 有性能稳定、功能齐全，易于扩展、编程容易、操作简单等特点。 1.1 TENS 发展简史 TENS的最初的应 用可以追溯到两千多年前的古埃及 ,从那时留传下来的壁画可以看出 ,当时就曾有人使用带电的 Jelly 鱼治疗各种痛症 （ 1） 。上个世纪 60 年代， Shealey通过锥板切开方法将电极置于脊髓背侧柱表面的蛛网膜下腔来刺激脊髓进行实验，探讨电刺激对人体的作用。随后到 1975 年， Dooley 提出了经皮穿刺将电极置人脊髓背侧硬膜外腔的新方法 ，该实验标志着“经皮神经电刺激”方法的诞生 （ 2） 。 从 70 年代末期， TENS 风靡 整个欧洲及美国 ，被广泛地用来 治疗 包括 几乎所有疼痛类型在内的成千上万名患者 ，例如牙疼、烧伤、关节炎、背疼、头疼、肌肉疼痛等 。 最近几年来， TENS 更是得到了广泛的利用，被应用在美容、催眠、麻醉、术后反胃或呕吐、神经衰弱、糖尿病周围神经病变 （ 3） 、三叉神经痛 （ 4） 、治疗半身不遂，甚至是痴呆、消沉、记忆力减退等各种领域。 1.2 TENS 作用机制 有关 TENS 的作用机制，目前仍然没有一个确切的说法。 1965 年 Melzack & Wall提出了痛觉闸门控制学说 (Gate Control Theory)(5)，即在脊髓内存在具有闸门作用 的 SG细胞。当 在外界刺激作用下， 粗纤维兴奋时， SG 细胞被活化，从而抑制神经元（背角投射细胞 ， T）接受细纤维 （也即病痛感觉） 投射的过程。由此部分解释了电刺激的 作用 机制。 此后又有其他学者提出更多有关 TENS 作用机制的假说，例如，其中一种理论认为 TENS 归根到底是通过降低心肌耗氧量（血压、心率下降），改善心肌供血（冠脉血流增加，左室舒张末压下降，冠脉血流重新分布）等多方面因素来达到缓本科毕业设计说明书（论文 ） 第 2 页 共 33 页 解心绞痛的目的。 笔者个人比较倾向于认可闸门理论，假想神经传导也是通过一种类似载波机制的波传导实现的， TENS 是通过放大神经传导中 的有效信号、抑制病痛信号，掩盖病痛信号从而达到治疗的目的，笔者希望在今后的学习和工作中有机会通过实践丰富和完善自己的假想。 本科毕业设计说明书（论文 ） 第 3 页 共 33 页 2 TENS 仪器特征确定 通过资料的查阅，确定仪器的特征如下： 2.1 波形 现在市场上大部分 TENS 仪产生持续的、不对称的平衡 单 相波型，形状一般为变形方波，没有直流成分，故没有极性。 该不对称方波通常是一个频率较低的波形和一个频率较高的波形的叠加。 此外，少数 TENS 仪器使用 双 相方波、调制波型等。 尚没有证据表明一种波型的疗效比另一种好。 结论：确定实验 仪器为单相方波发生器。 2.2 频率 用于 TENS 的刺激频率可能有低频（ 1000Hz 以下）、中频（ 1000 100KHz）、高频（ 100KHz 以上），但通常使用的是低频，中频也在一些场合得到使用，一般较少使用高频。 下面再分别从低频和高频对 TENS 疗效进行分析。 2.2.1 低频电刺激 关于低频电刺激对人体的作用，许多专业研究人员发表了各种不同的看法。有专家认为 0.51025Hz 的单向方波、单向方波调制中频波、对称或不对称双向方波对于镇痛有最好的疗效，对于不同病人，最佳镇痛频率还应通过其在自行调节中摸索（ 7）。总的来说 ，可以参考医学上对脑波的分类：深度麻醉、昏睡、婴儿、和智力发育不成熟的人的波，频率为 1 3 Hz；困倦及中枢神经抑制时的波，频率为 4 7 Hz；清醒、安静及闭眼时的波，频率为 8 13 Hz；紧张、兴奋和激动时的波，频率为14 30 Hz，基本规律是随着兴奋性的上升，频率增加，同时相干性也增加（即同时会出现不同形式的波形）（ 8）。 也有作者根据治疗方式 将 低频 TENS 分为三种 方式的 ：常规方式（ conventional TENS）、针刺样方式（ acupuncture like TENS）、短暂强刺激方式（ brief intense TENS） 常规 TENS： 舒适的麻颤感 ； 75100 Hz； 急慢性疼痛 、 短期止痛 针刺样 TENS ： 14 Hz； 急、慢性疼痛 、 周围循环障碍 、 长期止痛 短暂强刺激 TENS： 150 Hz， 0.3 ms； 肌肉强直或痉挛样收缩 ； 用于小手术、致痛性操作过程中加强镇痛效果 。 本科毕业设计说明书（论文 ） 第 4 页 共 33 页 2.2.2 中频电刺激 中频电流与低频电流相比有其特定的优越性。它无电解作用，对皮肤刺激小；降低组织电阻（一对 100 2cm 的电极之间皮肤的阻抗， 50 Hz电流下为 1000左右， 4000Hz电流下为 50左右），增加作用深度等 （ 7） 。中频电流直接用来镇痛、促进血液循环、提高骨骼肌的兴奋性等都有较好疗效。中频电流的用法通常有 3 种：等幅中频电疗法、干扰电疗法、和最常用的调制中频电疗法。 等幅中频电疗法： 应用频率为 1,000 5,000Hz 的电流，常用频率为 2,000Hz。常用于预防疤痕增生和痒痛、防止肠粘连、声带小结等。 干扰电疗法： 同时使用两组频率相差 0 100Hz 的中频电流，交叉地输入人体，在交叉处形成差频电流。因而该方法兼有中频和低频的优点，常用于治 疗各种软组织损伤、肩周炎、关节痛、肌肉痛、神经痛、局部血液循环障碍性疾病等。 调制中频电疗法： 载波为 2,000 5,000Hz 的方波或正弦波，调制波为 10 150Hz方波。该疗法的适用范围适合干扰电疗法的所有使用范围，同时还可用于治疗小腿淋巴淤滞、结石、中心视网膜炎及视神经炎等 （ 7） 。 结论：确定实验仪器为中低频发生器。 2.3 刺激强度 针对不同病变可使用不同强度的刺激，一般最大电流强度控制在 4 8mA 以内，患者有轻微的震动感或蚁走感为宜 （ 9） 。 低频电流对人体作用的数值范围如表 （ 10） ： 电流强度 电流流入方 式 作用 100 A 体内的电极 引起心室颤动 1mA 体外的电极 有电流刺激感 10mA 体外的电极 发生不随意运动 100mA 体外的电极 造成心室颤动 表 1：电流对人体作用的数值范围 结论：仪器应能产生最大强度在 10mA 以内的电流，并且需要在实验中逐步探究刺激的强度。 本科毕业设计说明书（论文 ） 第 5 页 共 33 页 2.4 电极 电极可使用一般的普通电极，可选用铅板、铜片电极和硅胶电极。有资料表明，同时使用四个或八个电极将受到更好的疗效。有一种简单的做法是将四个较小的电极嵌在一块绝缘海绵上，整个海绵地大小在 100 2cm 左右，这样可以简化操作，将四个电极同时整齐地贴在病灶点上，无须逐个固定。电极的放置方法根据不同的应用目的而不同，如果病灶表浅、治疗部位有创伤、或治疗部位凹凸不平时，可以将两个电极并置采用并置法；若病灶较深，可以采用对置法 （ 9） 。 本科毕业设计说明书（论文 ） 第 6 页 共 33 页 3 硬件设计 3.1 硬件系统设计思想 该套硬件采用常见的单片机系统。单片机从 P1 口读入用户所选择的工作模式，经过处理，在 P0 和 P1 口分别输出两组控制不同频率方波的数字信号。两组数字信号通过 D/A 转换，变成模拟信号。两组模拟信 号分别通过 V/F 转换变成方波信号，经由集成功放放大后由电极输出。 图 1 硬件系统设计思想 设计思想评价与分析：该系统充分利用了单片机的强大输入 /输出和程序处理功能，可以创立友好的用户界面，而且可以通过编程方便并且准确地改变输出波形。有一种思路是简单地直接利用单片机的端口输出波形，虽然在硬件上可以大大简化，但是在程序编写上将带来很大麻烦，尤其对于在使用过程中输出频率需要变化的操作模式，编写程序将成为阻碍实验进程的一个很大障碍，对于这样一个正处于实验阶段的仪器，这样做是不合适的。但是 如果通过实验确立了合适的波形，对于程序不十分复杂的操作模式，可以选择采用该方法。对于一些十分简单和功能单一的操作模式，甚至可以考虑使用 555 发生器直接产生方波，通过每种模式接入电路的电阻不同，产生频率不同的方波。这些都有待于设计完成后，经过实际实验再做调整。 单片机P0 D/A1 运放 1 V/F 转换 1 单片机P1 D/A2 运放 2 V/F 转换 2 功放 电极 1 电极 2 选择信号 独立调幅 本科毕业设计说明书（论文 ） 第 7 页 共 33 页 3.2 单片机控制部分 出于从结构简洁和经济成本上的考虑，单片机选用 89C51 最小系统已能满足需求，此时 EA 接高电平 （ 11） 。仪器共设置若干个（可以根据实际需求合理制定）工作模式，用户在使用时，先按键选择工作 模式，此时模式选择信号就通过编码器编码，准备提供给单片机 P2 口作为模式选择信号。然后用户再按“开始”键，也即单片机的“ RESET”键，单片机先读入已准备好的用户的模式选择信号，根据模式选择信号转入不同的信号输出子程序，在 P1 和 P0 输出相应的波形控制信号。 详见下图： 图 2 单片机控制系统图 编码器选用常用的集成电路优先编码器： 74LS148。该编码器有 8 个信号输入端，3 个二进制编码输出端，此外，电路还设置了输入使能端 E0 和优先编码工作状态标志 GS。当 EI=1 时，编码器处于非工 作状态，此时不论 8 个输入端为何种状态， 3 个输出端均为高电平。当 EI=0 时，编码器工作，此时当至少有一个输入端有请求信号（逻辑为 0）时，优先编码器工作状态 GS=0，表明编码器处于工作状态，则对请求信号优先编码。各输入端的优先级依次下降排序为 7， 6， 5， 4， 3， 2， 1， 0（ 12） 。也即，比如说当按下端口 7 对应的模式键时，无论其它模式键是否有效，编码器都将按照端口 7 编码，因为它的优先级最高。 运行键 编码器 模式 1 模式 2 模式 3 模式 4 模式 5 锁存器 P1 P0 单片机 P2 RESET 本科毕业设计说明书（论文 ） 第 8 页 共 33 页 EI 0 1 2 3 4 5 6 7 A2 A1 A0 GS E0 H X X X X X X X X H H H H H L H H H H H H H H H H H H L L X X X X X X X L L L L L H L X X X X X X L H L L H L H L X X X X X L H H L H L L H L X X X X L H H H L H H L H L X X X L H H H H H L L L H L X X L H H H H H H L H L H L X L H H H H H H H H L L H L L H H H H H H H H H H L H 表 2 编码器映射关系表 3.3 D/A 转换部分 D/A 转换采用最常用的 DAC0832。 DAC0832 是 R-2RT型电阻网络的 8位 D/A转换器，建立时间 150ms，为电流输出型；它是为 CMOS工艺制造的 8位单片 D/A转换器，功耗低；片内带输入数字锁存器，所以可以直接和单片机的总线相连。 DAC0832与单片机接成的是单缓冲方式 （ 13） 。 由于 DAC0832 是电流输出，而 V/F转换需要用的是模拟电压，在这种情况下，要将输出的电流转换成电压，所以在 D/A转换之后加运放，将 DAC0832 的电流信号转换成电压信号。但这样得 到的信号的电平是负的，无法进行 V/F转换，所以必须采用第二级运放作为反相器将其反相成正电平。这一点笔者原来在设计的时候没有意识到，直到印刷完电路板后调试时，发现 V/F转换处总没有信号，经过考虑才发现问题的原因所在。 笔者在进行调试的时候也发现另一个问题。 DAC0832的 Vcc在使用时可以 515V单电源供电，但是在 5V的时候好像经常没有输出，于是笔者尝试将其一直工作在 15V的状态下，其工作就比较稳定了。 运放选用最常用的 LM124J运放，它由 4组运放组成，只用一个芯片就能同时满足整个电路的需求，而且 其具有性能稳定，适应性强，对电源要求不高等优点。 对于 LM124J 也遇到了和 DAC0832类似的情况，所以，笔者使其工作在 15V15V电源下。 在经过两级运放后2O U T R E F nDVV，满额输出为REFV=5V。 本科毕业设计说明书（论文 ） 第 9 页 共 33 页 图 3 D/A 转换部分图 3.4 V/F 转换部分 LM331 3.4.1 LM331 芯片介绍 LM331 是美国 NS 公司生产的性价比较高的集成芯片，可用作精密频率电压转换，A/D 转换器，线性频率调制解调，长时 间积分及其他相关器件。它可采用双电源或单电源供电，可工作在 4.040V 之间，输出电压可高达 40V，并且可防止 Vcc 短路。 LM331由于采用了新的温度补偿能隙基准电路，在其整个温度范围内和低到 4.0V 电源电压下都有极高的精度。它的动态范围宽，可达 100dB；线性度好，最大非线性失真小于0.01%，工作频率最高达到 100KHz 和最低达到低到 0.1Hz 时尚有较好的线性（本设计所要求的频率范围在 1 100KHz 以内）。外接电路简单，只需接入几个外部元件就可方便构成 V/F 或 F/V 等交换电路。 LM331 的性能足以满足 本设计所需。 笔者通过资料查阅，较常用的 V/F 转换芯片还有 AD650，其性能较 LM331 稍优越，但价格在 120 元 /片左右，为 LM331 的 20 倍以上。所以本设计选择 LM331 作为V/F 转换芯片。 3.4.2 LM331 芯片 V/F 转换电路 LM331 作为 V/F 转换芯片时的外接电路如下 （ 14） REF REF DAC0832 控制信号 数字信号 本科毕业设计说明书（论文 ） 第 10 页 共 33 页 图 4 LM331 作为 V/F 转换时的外接电路 电路中 8 和 5 管脚上的tR的参考值为 6.8K ； 5 管脚上的积分电容的tC的值是可调节的，根据不同转换倍数而定； 3 管脚上，参考电压通过一个 10 K的电阻输入，芯片在 3管脚上输出经过转换的幅值与输入电压相同的方波； 2管脚上的电阻SR的值也是可调的，根据不同转换倍数而定； 4管脚接地； 1和 6管脚短接，然后接LR的参考值为 100 K，LC的参考值为 1 F，此时电路可以直接接地或通过图示方式，由一个 47和 22K电阻并联的方式， 47 电阻直接接地， 22K电阻接在一个变阻器的中间线头上，变阻器的两端 接在正负电源之间，该做法的目的是调零 在输入为 0V的时候输出波形为 0Hz，常用在对低频率有精确需求的电路上，一般使用时可以简化为LR、LC直接并联后接地； 7管脚上，电压通过一个 100K的电阻INR输入，INC为本科毕业设计说明书（论文 ） 第 11 页 共 33 页 0.1 F用来滤波，防止高频干扰。 3.4.3 转换倍数计算 该电路的转换倍数为： 112 . 0 9 2 . 0 9 1 0 0 6 . 8I N S I N SOUT L t t tV R V Rf R R C K K C 例如，调节SR 28.4K , tC=0.2 F,则输出频率与输入电压的关系是： 2 8 . 4 1 1002 . 0 9 1 0 0 6 . 8 0 . 2INO U T I NV KfVKK ，即输出方波的频率在数值上为输入电压的 100 倍。 3.5 功率放大器 从 LM331 输出的方波无论在电压还是电流上都无法满足实际需求，必须要加功率放大器进行放大，以满足实际的电流 mA 级需求。在 实际使用中，可以根据不同病灶点的电阻不同来调节功率放大器的电压和增益，从而满足刺激电流需求。 此处选用集成功率放大器 LM386 4。集成功率放大器与分立元件组成的功率放大器相比，不仅体积小，重量轻，成本低，使用方便，且在性能上也十分优越：如温度稳定性好，功耗低，失真小，效率高；还具有多种保护措施，可以防止电路和器件的损坏 （ 15） 。所以目前在电子设备、家用电器、微机接口、测量仪器、控制电路中得到广泛应用。 LM386 4 是一种半导体音频集成功率放大电路，频带宽（可达数百KHz），功耗小，适用电源电压范围宽（ 5 18V），额定输出电流为 4mA，是目前较流行的通用集成功率放大器 （ 16） 。 图为 LM386 4 的一种基本用法： 本科毕业设计说明书（论文 ） 第 12 页 共 33 页 图 5：功放用法电路图 引脚 1 和 8 之间为电压增益设定端，当 R 趋于零时，电压放大倍数最大，可达200 左右；当 R 趋于无穷时，增益最小，为 20；当 R=1.2K时，增益为 50。 引脚 2为反相输入端；引脚 3 为同相输入端；引脚 4 为地；引脚 5 为输出端；引脚 6 为电源；引脚 7 和地之间接旁路电容，使引脚 7 交流接地。 在实际应用时，需要根据实际情况调节电源电压和增益。 3.6 硬件原理图 详见下页，附图 1：整体原理图 10 f R io220 22p 10 本科毕业设计说明书（论文 ） 第 13 页 共 33 页 本科毕业设计说明书（论文 ） 第 14 页 共 33 页 4 软件设计 4.1 整体功能设计 图 6 软件功能图 4.2 软件设计说明 首先，启动总电源，让整个电路处在等待工作模式，此时电路的输出是上一次的模式。然后，用户选择所需要的工作模式，按下相应按键（只能选择一个工作模式，否则电路将不能正常工作），此时编码器完成编码，整个电路仍然处于等待工作模式。当用户按下开始键，单片机从头开始执行程序。为防止编码器还没有完成编码的情况出现，此时单片机先是处于 延时状态。单片机延时结束，读入编码器已经准备好的数据并根据编码跳转入不同的工作模式，在 P0 和 P2 分别输出控制方波的数字信号，数字信号经过 D/A 和 V/F，变为所需要的波形，在由功放放大后在电极上输出。 启动总电源 用户根据需求按下所需要的工 作模式，每次只能按下一个 下开始键 工作模式被编码送到单片机 P1口，单片机处于任务延时状态 单片机开始读入工作模式 单片机根据工作模式转入相应程序，在 P0 和 P2 输出相应数字信号 数字信号被转换，最终实现无极性方波输出 更改工作模式 本科毕业设计说明书（论文 ） 第 15 页 共 33 页 5 现有实验电路介绍 现将作者已经完成的核心部分电路简单介绍。 5.1 硬件部分 现已完成硬件部分的原理框图如下： 图 7 现已完成部分原理框图 该部分的原理图、电气图及实物图，见附图 2：实验部分原理图、附图 3：实验部分电器图、附图 4：实验部分实物图： LM124J 运放 V/F 转换 ,KA331 电压信号 方波输出 89c51 单片机 DAC0832 数字信号 电流信号 模式选择 LM124J 运放 本科毕业设计说明书（论文 ） 第 16 页 共 33 页 本科毕业设计说明书（论文 ） 第 17 页 共 33 页 本科毕业设计说明书（论文 ） 第 18 页 共 33 页 本科毕业设计说明书（论文 ） 第 19 页 共 33 页 电路参数设置如下： 调节SR 28.4K , tC=0.01 F,则输出频率与输入电压的关系是： 2 8 . 4 1 20002 . 0 9 1 0 0 6 . 8 0 . 0 1INO U T I NV KfVKK ，即输出方波的频率在数值上为输入电压的 2000 倍。 5.2 软件部分 实验程序如下： ORG 0000H SJMP MAIN ORG 0030H MAIN:MOV P1,#00H DEL:MOV R7,#125 /等待延时 50ms DEL1:MOV R6,#200 DEL2:DJNZ R6,DEL2 /200 2 400 s DJNZ R7,DEL1 /0.4ms 125 50ms MOV A,P1 MOV R0,A /从 P1 口读入选择模式，放入 R0 CJNE R0,#00H,DA1 /若 R0 00H,则将 80H赋予 A，否则转入 DA1 MOV A,#80H AJMP SCH DA1:CJNE R0,#01H,DA2 /若 R0 01H,则将 40H赋予 A，否则转入 DA2 MOV A,#40H AJMP SCH DA2:CJNE R0,#02H,DA3 /若 R0 02H,则将 20H赋予 A，否则转入 DA3 本科毕业设计说明书（论文 ） 第 20 页 共 33 页 MOV A,#20H AJMP SCH DA3:CJNE R0,#03H,DA4 /若 R0 03H,则将 10H赋予 A，否则转入 DA4 MOV A,#10H AJMP SCH DA4:CJNE R0,#04H,DA5 /若 R0 04H,则将 08H赋予 A，否则转入 DA5 MOV A,#08H AJMP SCH DA5:CJNE R0,#05H,DA0 /若 R0 05H,则将 04H赋予 A，否则转入 DA0 MOV A,#04H AJMP SCH DA0:MOV A,#10H /若 R0 不为以上几个数值则选择 默认方式 AJMP SCH SCH:MOV P0,A /将 A 的值在 P0 输出 AJMP SCH RET END 5.3 实验结果 使用时，先接入总电源，选择工作模式，然后按下单片机 RESET 键，电路即可开始工作。 通过电路的实际连接获得实验数据如下： 输入 单片机输 出 D/A 转换输出 (V) 方波频率 (KHz) 理论方波频率 （ KHz） 理论 D/A 转换输出值 (V) 01H 40H 1.24 2.431 2.48 1.42 02H 20H 0.61 1.137 1.22 0.71 03H 10H 0.302 0.555 0.604 0.36 04H 08H 0.16 0.295 0.32 0.18 05H 04H 0.092 0.146 0.184 0.09 其它 10H 0.302 0.555 0.604 0.36 本科毕业设计说明书（论文 ） 第 21 页 共 33 页 表 4：已完成电路实验结果 对实验数据进行分析，做出图形如下： 00.511.522.531 2 3 4 5D / A 转 换 输 出 ( V )方 波 频 率 ( k H z )00.511.522.531 2 3 4 5方 波 频 率 ( k H z )理论方波频率00.20.40.60.811.21.41.6输入 01H 02H 03H 04HD / A 转 换 输 出 ( V )理 论 D / A 转 换 输 出值图 8，已 完成电路实验结果分析图 本科毕业设计说明书（论文 ） 第 22 页 共 33 页 5.4 实验结果分析 从坐标图中可以看出，方波频率的线性并不是很好。从经过分析分析，笔者认为是 D/A 转换处的线性不好，所以导致整个转换的线性度下降。可以看出，以 D/A 转化的值，根据理论计算而得的参考值与实际测得的值相差不多。于是笔者通过只用LM331 进行 V/F 转换，测试其线性度。参数设置仍然与该实验相同，放大倍数为 2000倍。 实验数据如下： 输入电压（ V） 实际输出频率 (KHz) 比值 (K) 偏差 理论输出频率 (KHz) 0.73 1.53 2.10 0.10 1.46 0.98 1.87 1.91 -0.10 1.96 1.43 2.74 1.92 -0.08 2.86 1.69 3.32 1.96 -0.04 3.38 2.24 4.48 2.00 0.00 4.48 2.65 5.34 2.02 0.02 5.3 3.02 6.09 2.02 0.02 6.04 3.56 7.22 2.03 0.03 7.12 4 8.14 2.04 0.04 8 4.3 8.75 2.03 0.03 8.6 4.7 9.6 2.04 0.04 9.4 4.77 9.75 2.04 0.04 9.54 表 5： V/F 测试结果 本科毕业设计说明书（论文 ） 第 23 页 共 33 页 实 际 输 出 频 率 ( K H z )024681012输入电压（V）0.98 1.69 2.65 3.564.3实 际 输 出 频 率 ( K H z )024681012输入电压0.981.692.653.564.34.77实际输出频率(KHz)理论输出频率（ K H z )图 9： V/F 转换结果分析 从实验结果柱状图中可以看出，在整个输入范围内， V/F 转换的线性度都是比较高的，尤其是在 2.5V 左右的地方。当然，也可以看到在 1V 以下的范围内，误差还是本科毕业设计说明书（论文 ） 第 24 页 共 33 页 比较大的，线性度误差甚至可以达到 10的样子。为此，笔者通过多次测量，并且采用通过改变电路的放大倍数重新测量的方法。多次实验的结果发现，在 1V 以下的区域里 ，线性误差总是很大。多次实验可以减少测量误差，但如此大的误差的存在依然会给接下来的实验带来很多负面影响。 笔者考虑过一些可以消除误差的方法。首先在确保元件选择正确的前提下，提高焊接技术，尽量减少寄生电容和寄生电阻等的存在。其次，尽量在 1.5V 以上的范围内使用 V/F 转换，避免小电压范围，可以尽可能的减少线性误差。另外，减小电压的变化范围，在一个小的电压变化范围，误差比较相似，此时通过略微改变可调电阻SR的阻值可以抵消一部分线性度误差。 当然，针对该电路随机误差 不大的情况，也可以充分利用单片机的优势。就是不去过多地考虑线性误差，每次都以编程的数据所对应的实际输出频率为参考基准，当输出频率与实际期望有偏差时就去改变程序中的输出数值。 本科毕业设计说明书（论文 ） 第 25 页 共 33 页 6 实际应用举例 6.1 功能假设 假设现在需要设定以下功能： 端口 7：用于催眠与镇定，频率为 10Hz 的简单方波。 端口 6：用于短期止痛，频率为 100 Hz 的简单方波 端口 5：用于长期止痛，频率变化： 2 Hz（ 3S） 100 Hz(1S) 2 Hz(3S) 端口 4：类似推拿，频率变化： 2 Hz（ 1S） 10 Hz（ 1S） 20 Hz（ 1S） 50 Hz（ 1S） 80 Hz（ 1S） 2 Hz（ 1S） 端口 3：用于止痒，频率为 2000Hz 简单方波 端口 2：用于调制中频电疗法， 50Hz 调制波 3000Hz 载波方波 6.2 硬件参数确立 对于 P0 端口对应的 V/F 转换，调节SR 28.4K , tC=1 F,则输出频率与输入电压的关系是： 2 8 . 4 1 202 . 0 9 1 0 0 6 . 8 1INO U T I NV KfVKK ，即 输出方波的频率在数值上为输入电压的20 倍。 对于 P2 端口对应的 V/F 转换，调节S