数控针灸仪设计与实现.doc

数控针灸仪设计 摘 要 针灸 是中华民族传统医学的优良成果之一 它是药物内服或注射以外的一 种既可以治病 又可以保健的济世良法 针灸的主要作用就是疏通经络达到治疗 的目的 电子模拟针灸 就是利用电子技术模拟针灸的进针 出针 停针和捻针 的全过程 然而 单纯的电针仪和灸疗仪功能单一 不适用于传统针灸疗法所涵 盖的各种病症 从而限制了其在临床上的广泛应用 因此 发展一种既可以进行 针刺激又可进行灸疗的多功能针灸治疗仪成为迫切的临床需求 本文利用电子和微处理器技术 以时基集成电路555为主要器件 设计了连 续波脉冲 断续波脉冲 幅度调制脉冲和频率调制脉冲等多种针灸刺激波形发生 电路 实现了多路输出 独立调节和控制 并给出设计原理框图和相应的参考电 路 以AT89C51单片机为核心设计了单片机控制系统 包括外部数据存储器 键 盘单元和显示单元三部分 关键词 针灸 电针 灸疗 脉冲电路 单片机 河南科技大学毕业设计 论文 I THE DESIGN OF DIGITAL CONTROL ACUPUNCTURE INSTRUMENT ABSTRACT Acupuncture is one of the excellent achievements of the Chinese nation traditional medicine It is one of the internal and outside or injection drug can cure can care provides relief law Acupuncture is the main function of regulating channels to achieve the purpose of treatment Electronic simulation of acupuncture acupuncture is using electronic technology simulation into the needle and twist the whole process of needle However the function of electro acupuncture instrument and moxibustion instrument is so single that they don t apply to the disease which the traditional needle therapy covered thereby limit their extensive application in the clinic so developing a kind of Multifunctional Acupuncture b DIP8双列直插封装 LM555 LM555C系列产品引脚功能如下表所示 表3 1 LM555 LM555C系列产品引脚描述 引脚编号符号功能说明 GND地线 TR触发 1 2 3OUT输出 4RES复位 5CV控制电压 6TH阈值 7DIS放电 8VCC电源 河南科技大学毕业设计 论文 13 3 2 4 LM555 LM555C 系列替换器件 以下各厂商的时基集成 555 电路均可直接替换同型号的 LM555 LM555C 系 列产品 表3 2 LM555 LM555C系列替换器件 国家半导体摩托罗拉德州仪器日电飞利浦日立西格尼蒂克 LM555MC1455NE555 PC1555CA555HA17555SE555 3 3 连续脉冲发生电路 采用由555与其外围电路组成的占空比连续可调的脉冲振荡电路 如图3 3所 示 图3 3 连续脉冲发生电路 图中间断调制波发生电路通过一个或门以及一个单刀双制开关与脉冲发生电 路相连接 二极管D1为充电引导管 二极管D2为放电引导管 充电回路为 R21 R3 上半部分 D1 C 放电回路为C D2 RV4 R3 下半部分 充放 电的时间可以由式 3 1 来确定 T充 ln2 R21 R3上 C9 T放 ln2 RV4 R3下 C9 3 1 河南科技大学毕业设计 论文 14 理论上讲 只要R1 R2 R3的值设置的合适 调节电位器的大小就可以使 占空比在0 01 99 99 之间改变 上图中通过调节R3可以改变输出脉冲的宽度 和频率 当各参数的设置如上图时 输出频率为60HZ 宽度约为200 S的矩形波 脉冲波形如下 图3 4 连续脉冲波形 3 4 间断波调制发生电路 由于555的输出受控于它的复位端 即第4脚 当复位端为高电平时 555 有输出 当复位端为低电平时 输出被截至 即输出为0 因此可以利用另外一 片555的输出来控制连续脉冲发生电路的复位端得到所需的间断波 现在需要做 的就是用一片555来产生周期为3S的方波 称为间断波调制电路 间断波调制电路实际上就是周期为3S的方波产生电路 本次设计采用无稳类电路 即多谐振荡电路 中的直接反馈型电路来实现此功能 河南科技大学毕业设计 论文 15 图3 5 间断波调制电路 该电路的特点是RA直接反馈至输出端 与Vo相连 其用途之一就是方波的 输出 输出方波的周期可以由式 3 2 来确定 10 T充 T放 2RV5 C8 3 2 由此式得出各参数的大小如上图所示 值得注意的是 图中各参数是将计算 得出的理论值进行微调的结果 这样做是因为由于仿真软件本身的误差使得由理 论值仿真出的波形与实际期望的波形之间存在一定的误差 因此 需要通过调整 各参数将误差降为最小 调整后的输出波形如下 河南科技大学毕业设计 论文 16 图3 6 间断波调制波形 3 5 幅度调制脉冲发生电路 幅度调制脉冲电路可以由周期为 2S 的锯齿波电路和连续脉冲发生电路相乘 得到 3 5 1 锯齿波发生电路 如下图所示 555 接成无稳态多谐振荡状态 此电路为一个周期为 2 秒的 5V 锯齿波 河南科技大学毕业设计 论文 17 图 3 7 锯齿波发生电路 产生锯齿波波形如下 图 3 8 周期为 2S 的锯齿波 3 5 2 幅度调制脉冲发生电路 将锯齿波发生电路的输出与连续脉冲发生电路的输出通过一个电子开关来调 河南科技大学毕业设计 论文 18 节三角波的通断输出后便可得到需要的波形 电路如下所示 图 3 9 幅度调制脉冲发生电路 为了使输出脉冲的幅度满足 5V 的要求 这里采用 5V 的 VCC 输出波形见 下页 图 3 10 幅度调制脉冲 河南科技大学毕业设计 论文 19 3 6 疏密波发生电路 疏密波发生电路由锯齿波发生电路 压控振荡电路和单稳态触发电路构成 其中锯齿波发生电路和压控振荡电路组成一个脉冲宽度调制电路 然后将脉冲宽 度调制电路的输出端接至单稳态触发电路的输入端 调整单稳态出发电路的电容 电阻值得到需要的波形即可 3 6 1 脉冲宽度调制电路 一 压控振荡电路 一般的振荡器若要改变振荡频率必须改变选频网络的参数值 在这里使用的 由555定时器构成的振荡器 只要改变加在输入端 5脚 的控制电压就可改变振 荡电路的输出频率 这样的振荡器就我们电压控制振荡器 简称压控振荡器 压 控振荡电路的原理图如下页图3 11所示 图3 11 压控振荡原理图 输出波形的振荡周期可用如下公式计算 河南科技大学毕业设计 论文 20 二 脉冲宽度调制电路 选定VCC的值 根据对疏密波的要求算出输入电压Ui的范围 然后由锯齿波 发生器产生符合要求的锯齿波 锯齿波原理图见图3 7所示 将锯齿波发生电路 的输出接至压控振荡电路的输入端即可构成脉冲宽度调制电路 原理图如下 图3 12 脉冲宽度调制电路 上图中 由于锯齿波发生电路的输出达不到要求 故而在其后接了一级同相 比例运算电路 14 三 单稳态触发电路 单稳态出发电路是由555定时器组成的电路中最简单的一种 它是以555的2 脚作为脉冲输入端 6 7脚接一起 在其与电源之间接电阻 与地之间接电容 5脚经滤波电容接地 10 具体原理图如下所示 河南科技大学毕业设计 论文 21 图3 13 单稳态触发电路 图3 14 单稳态触发电路波形图 输出的脉冲宽度TW等于暂稳态的持续时间 而暂稳态的持续时间取决于外 接电阻R1和C1的大小 DC电压为Ui 输出电压为Uo 由图3 14可知 TW等于电 容电压在充电过程中从0上升到2 3VCC所需要的时间 因此可得 河南科技大学毕业设计 论文 22 通常 R1的取值在几百欧姆到几兆欧姆之间 电容的取值范围在几百皮法到 几百微法 TW的范围为几微秒到几分钟 但是必须注意 随着TW的宽度的增加 它的精度和稳定度也在下降 根据对脉冲宽度的要求设置合适的参数 并将脉冲宽度调制电路的输出接至 单稳态触发电路的输入端便可实现疏密波的输出 此电路的设置参数如下 重复 周期为2S 频率 20HZ 90HZ 脉宽 150US 300US 3 7 波形输出电路 一 放大电路 运用两个放大器对电路进行放大 具体电路图如下 图3 15 放大电路 二 耦合电路 河南科技大学毕业设计 论文 23 电容耦合输出 实现电荷平衡 电路图如下 图3 16 耦合电路 河南科技大学毕业设计 论文 24 第四章 控制单元及软件设计 4 1 控制单元简介 单片机控制单元主要用于脉冲模式的选择与控制 就该单元由三部分组成 外部存储器扩展单元 外部键盘扩展单元以及外部显示器扩展单元 本项目中由 于所需存储数据量较小 因此不再进行外存储器的扩展 4 2 单片机的选择 4 2 1 AT89C51 单片机简介 AT89C51 是一种带 4K 字节闪烁可编程可擦除只读存储器 FPEROM Falsh Programmable and Erasable Read Only Memory 的低电压 高性能 CMOS8 位微处理器 俗称单片机 AT89C51 是一种带 2K 字节闪烁可编程可擦除只读存 储器的单片机 单片机的可擦除只读存储器可以反复擦除 100 次 该器件采用 ATMEL 高密度非易失存储器制造技术制造 与工业标准的 MCS 51 指令集和输 出管脚相兼容 由于将多功能 8 位 CPU 和闪烁存储器组合在单个芯片中 ATMEL 的 AT89C51 是一种高效微控制器 AT89C2051 是它的一种精简版本 AT89C 单片机为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案 4 2 2 AT89C51 单片机管脚及功能 图 4 1 AT89C51 单片机 AT89C51 管脚说明 河南科技大学毕业设计 论文 25 VCC 供电电压 GND 接地 P0 口 P0 口为一个 8 位漏级开路双向 I O 口 每脚可吸收 8TTL 门电流 当 P1 口的管脚第一次写 1 时 被定义为高阻输入 P0 能够用于外部程序数据存储 器 它可以被定义为数据 地址的第八位 在 FIASH 编程时 P0 口作为原码输入 口 当 FIASH 进行校验时 P0 输出原码 此时 P0 外部必须被拉高 P1 口 P1 口是一个内部提供上拉电阻的 8 位双向 I O 口 P1 口缓冲器能接收输出 4TTL 门 电流 P1 口管脚写入 1 后 被内部上拉为高 可用作输入 P1 口被外部下拉为 低电平时 将输出电流 这是由于内部上拉的缘故 在 FLASH 编程和校验时 P1 口作为第八位地址接收 P2 口 P2 口为一个内部上拉电阻的 8 位双向 I O 口 P2 口缓冲器可接收 输出 4 个 TTL 门电流 当 P2 口被写 1 时 其管脚被内部上拉电阻拉高 且作为 输入 并因此作为输入时 P2 口的管脚被外部拉低 将输出电流 这是由于内部 上拉的缘故 P2 口当用于外部程序存储器或 16 位地址外部数据存储器进行存取 时 P2 口输出地址的高八位 在给出地址 1 时 它利用内部上拉优势 当对外 部八位地址数据存储器进行读写时 P2 口输出其特殊功能寄存器的内容 P2 口 在 FLASH 编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号 P3 口 P3 口管脚是 8 个带内部上拉电阻的双向 I O 口 可接收输出 4 个 TTL 门电流 当 P3 口写入 1 后 它们被内部上拉为高电平 并用作输入 作为 输入 由于外部下拉为低电平 P3 口将输出电流 ILL 这是由于上拉的缘故 P3 口也可作为 AT89C51 的一些特殊功能口 如下表所示 口管脚备选功能 P3 0RXD 串行输入口 P3 1TXD 串行输出口 P3 2 INT0 外部中断 0 P3 3 INT1 外部中断 1 P3 4T0 记时器 0 外部输入 P3 5T1 记时器 1 外部输 入 P3 6 WR 外部数据存储器写选通 P3 7 RD 外部数据存储器读选通 P3 口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号 RST 复位输入 当振荡器复位器件时 要保持 RST 脚两个机器周期的高电 平时间 ALE PROG 当访问外部存储器时 地址锁存允许的输出电平用于锁存地址 的地位字节 在 FLASH 编程期间 此引脚用于输入编程脉冲 在平时 ALE 端 以不变的频率周期输出正脉冲信号 此频率为振荡器频率的 1 6 因此它可用作 对外部输出的脉冲或用于定时目的 然而要注意的是 每当用作外部数据存储器 河南科技大学毕业设计 论文 26 时 将跳过一个 ALE 脉冲 如想禁止 ALE 的输出可在 SFR8EH 地址上置 0 此 时 ALE 只有在执行 MOVX MOVC 指令是 ALE 才起作用 另外 该引脚被略 微拉高 如果微处理器在外部执行状态 ALE 禁止 置位无效 PSEN 外部程序存储器的选通信号 在由外部程序存储器取指期间 每个 机器周期两次 PSEN 有效 但在访问外部数据存储器时 这两次有效的 PSEN 信 号将不出现 EA VPP 当 EA 保持低电平时 则在此期间外部程序存储器 0000H FFFFH 不管是否有内部程序存储器 注意加密方式 1 时 EA 将内部锁定为 RESET 当 EA 端保持高电平时 此间内部程序存储器 在 FLASH 编程期间 此引脚也用于施加 12V 编程电源 VPP XTAL1 反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入 XTAL2 来自反向振荡器的输出 4 4 软件设计 4 4 1 程序流程图 图 4 2 程序流程图 4 2 3 软件编程 include 河南科技大学毕业设计 论文 27 include 变量声明 define KEY P1 unsigned char KEY value 键值 unsigned char T0 flag 1 定时器 T0 溢出中断标志 应用程序声明 void delay unsigned int N 延时子程序 void INT0 intrupt void 外部中断 0 处理程序 void main void TMOD 0 x11 设置定时器 0 为工作方式 1 定时器 1 为工作方式 1 TH0 0 xf0 T0 高 8 位 定时 4ms TL0 0 x60 T0 低 8 位 IT0 0 选择 INT0 为电平触发方式 EX0 1 外部中断允许 EA 1 开总中断 P0 0 x00 避免 led 指示灯开机点亮 while 1 switch KEY value 按键散转 case 0 xFE p1 0 0 按下 模式 1 P0 0 x00 delay 10000 P0 0 x13 p0 0 1 产生连续脉冲 p0 1 1 输出连续脉冲 p0 4 1 点亮连续脉冲输出 模式 1 指示灯 KEY value 0 xFF EX0 1 break 河南科技大学毕业设计 论文 28 case 0 xFD p1 1 0 按下 模式 2 P0 0 x00 转换输出波形 暂停约 10 毫 秒波形输出 delay 10000 P0 0 x22 p0 0 0 产生间断脉冲 p0 1 1 输 出间断脉冲 p0 5 1 点亮断续脉冲输出 模式 2 指示灯 KEY value 0 xFF EX0 1 break case 0 xFB p1 2 0 按下 模式 3 P0 0 x00 转换输出波形 暂停约 10 毫秒波形输出 P0 0 x05 p0 0 1 产生连续脉冲被锯齿波调制 p0 2 1 输出 幅度调制波 p0 2 1 点亮幅度调制波输出 模式 3 指示灯 KEY value 0 xFF EX0 1 break case 0 xF7 p1 3 0 按下 模式 4 P0 0 x00 转换输出波形 暂停约 10 毫秒波形输出 delay 10000 P0 0 x08 p0 3 1 疏密波选通输出续脉冲点亮疏密波输出 模式 4 指示灯 KEY value 0 xFF EX0 1 break default KEY value 0 xFF EX0 1 End of while End of main 函数名称 delay 入口参数 N void delay unsigned int N int i 河南科技大学毕业设计 论文 29 for i 0 i N i 函数名称 INT0 intrupt 函数功能 外部中断 0 处理程序 void INT0 intrupt interrupt 0 using 1 EA 0 KEY value KEY 关中断 delay 1000 消抖动 if KEY value KEY 判断是否干扰 有效按键 while KEY value KEY 等待按键释放 delay 1000 EA 1 开中断 EX0 0 不允许外部中断 0 函数名称 timer0 函数功能 定时器 T0 溢出中断处理程序 void timer0 interrupt 3 TH0 0 xf0 T0 高 8 位 定时 4ms TL0 0 x60 T0 低 8 位 T0 flag 1 河南科技大学毕业设计 论文 25 3 0 结 论 本设计对电子针灸仪电针治疗部分作了详细的分析和研究 给出了相关电路 图和仿真波形 对控制单元做出了硬件原理图并进行了程序的编写 电路硬件仿 真部分主要分为四部分 分别为连续脉冲发生电路 间断波脉冲发生电路 疏密 波脉冲发生电路 幅度脉冲调制电路 针灸仪的控制系统通过数字开关选通以上 四种模式的相应模式脉冲 经功率放大后输出 之前老师给我的参考电路图中 锯齿波发生电路中采用LM324双电源供电 电平调制 电路比较复杂 经过很多 尝试后 我进行了改进 选用了LM358N双运放 轨至轨单电源供电运算放大器 并且少去了很多晶体管 为日后可能的电路板焊接提供了便捷 电流途径人体 安全系数应放首位 具体选用参数如下模式一为连续脉冲 脉冲频率60Hz 模式 二为断续波脉冲 脉冲频率60Hz 重复周期3S 模式三为幅度调制脉冲 脉冲频 率60Hz 重复周期2S 模式四为疏密波脉冲 脉冲频率90 20Hz 重复周期 2S 前三种模式的电压要求为12V 模式四的电压为0 12V 遗憾的是由于各种原因本人未能进行实际的硬件电路制作 不过我始终相信 如果条件允许我能够完成硬件电路的制作 另外本文纯属个人观点 仅希望能对有兴趣研究针灸仪的电子爱好者一些帮 助 本人也衷心期望在不久的将来有能之士能够设计出新型的电子针灸仪器 为 人类的医疗事业作出贡献 河南科技大学毕业设计 论文 26 3 1 参考文献 1 章小平 龙目恒 黄尚廉 针灸电子化进程 器械博览 2002 2 2 41 45 2 刘志朋 殷涛 多功能中医针灸治疗仪的研制与应用 生物医学工程与临床 2002 6 2 106 108 3 霍刚 晋志高 国外针灸文献的发展及现状概况 中国针灸 2006 2 6 424 426 4 王雪苔 针灸的国际化与现代化 中国针灸 2004 24 2 75 77 5 王宏伟 走出国门的针灸 科技视野 2005 4 2 23 24 6 张斌 孙玉霞 刘选民 针灸器械的类别与原理探讨 陕西中医学院学报 2004 25 5 16 17 7 乔振民 一种电针用脉冲波的设计 石家庄职业技术学院报 2005 17 6 2 4 8 刘志朋 殷涛 关晓光 中医针灸电针治疗电路设计 中国医疗器械杂志 2002 26 6 185 206