带音乐播放功能的红蓝led治疗仪设计 毕业设计

湖北工业大学理学院2014届毕业论文（设计）毕业设计（论文）英文翻译姓名何国伦学号1011122220所在学院理学院专业班级10光信息科学与技术（2）指导教师黄楚云日期2014年5月30日湖北工业大学理学院2014届毕业论文（设计）毕业设计（论文）任务书学院理学院指导教师黄楚云职称教授学生姓名何国伦专业班级10光信2班学号1011122220设计题目带音乐播放功能的红蓝LED治疗仪设计设计内容目标和要求（设计内容目标和要求、设计进度等）设计要求1、分析了解LED蓝光、红光在生物医学方面的作用机理；2、介绍目前LED用于生物医学方面的研究进展，包括对植物、动物及人体临床医疗的研究。并尝试拓展LED可能的生物医学应用。3、设计一套带音乐播放功能的新型LED治疗仪器，包括LED阵列的设计，系统主机硬件电路设计以及系统控制软件的设计，仪器要求红、蓝光双波长输出，带USB插口，用于音频资料输入和播放。设计内容1前期完成阅读40篇专业相关参考文献，其中英文占1/3，并翻译一篇4000字左右的英文文献，英文文献内容不做专门指定，可以自己选择与专业相关的内容，但要经过老师审核确认；2查阅的文献资料，分析LED与生物组织作用的机理与现象；3查阅的文献资料，学习目前国际上所实施的LED生物作用的各种实验；4根据已有实验尝试拓展LED的其他生物应用；5学习相关电路知识及软件设计知识；6基于设计基础上的毕业论文。设计进度2013年12月30日，下发设计任务书，明确设计任务；2014年1月1日3月上旬，查阅资料，准备开题报告，前期设计工作；2014年3月上旬，开题答辩；2014年4月5月，毕业设计过程；2014年5月底，毕业答辩。指导教师签名2013年12月30日基层教学单位审核学院审核此表由指导教师填写学院审核湖北工业大学理学院2014届毕业论文（设计）毕业设计（论文）学生开题报告课题名称带音乐播放功能的红蓝LED治疗仪设计课题来源导师提供课题类型DY指导教师黄楚云学生姓名何国伦学号1011122220专业班级10光信2班本课题的研究现状、研究目的及意义红蓝LED治疗仪采用高纯度、高功率密度的红光、蓝光对人体表面进行照射，直接作用可深达皮肤黏膜下层，光能被组织细胞吸收，可使机体白细胞吞噬等免疫防御系统功能增强，深部毛细血管扩张，血流加快，物质代谢旺盛，血液流体动力学效应得到改善，可降低血液黏度，调节血脂，加快炎性介质的廓清和组织水肿的吸收，促进肉芽组织和毛发的生长，促进胶元纤维细胞合成，加速细胞修复过程及伤口、溃疡和骨折的愈合，促进受损神经再生及细胞修复过程。除局部生物效应外并可通过神经和体液通路，对生物体远端产生作用。具有消炎消肿、镇痛解疼、改善局部组织血液循环及营养代谢，降低血脂，调节神经机能等治疗作用。目前LED在生物医学方面的应用正日益扩大并呈良好的发展前景。基于现有的LED治疗仪的发展成果，嵌入音乐播放的新功能，是在人民物质生活水平不断提高的背景下，对高端、人性化医疗服务的迫切需求。本文就是根据LED与生物组织作用的现象与机理，利用现有的LED治疗仪成品，设计了一套带音乐播放功能的新型LED治疗仪器，包括LED阵列的设计，系统主机硬件电路设计以及系统控制软件的设计，仪器要求红、蓝光双波长输出，带USB插口，用于音频资料输入和播放。本课题的研究内容1、分析了解LED蓝光、红光在生物医学方面的作用机理；2、介绍目前LED用于生物医学方面的研究进展，包括对植物、动物及人体临床医疗的研究。3、设计一套带音乐播放功能的新型LED治疗仪器，包括LED阵列的设计，系统主机硬件电路设计以及系统控制软件的设计，仪器要求红、蓝光双波长输出，用于音频资料输入和播放。本课题研究的实施方案、进度安排实施方案首先对LED与生物组织相互作用的原理进行深入学习，根据研究学习得出的基本理论，利用现有的LED治疗仪成品，设计了一套带音乐播放功能的新型LED治疗仪器，包括LED阵列的设计，系统主机硬件电路设计以及系统控制软件的设计，仪器要求红、蓝光双波长输出，用于音频资料输入和播放。课题类型（1）A工程实践型；B理论研究型；C科研装置研制型；D计算机软件型；E综合应用型（2）X真实课题；Y模拟课题；（1）、（2）均要填，如AY、BX等。湖北工业大学理学院2014届毕业论文（设计）工作计划1、3月初3月中旬进行资料的查询，撰写开题报告2、3月中旬3月底学习LED与生物组织相互作用的机制和原理。3、4月初4月中旬掌握LED治疗仪电路原理并熟悉使用相关软件。4、4月中旬5月中旬完成整体设计，具有音乐播放功能，实现红蓝光切换。5、5月中旬5月底完成毕业设计论文的撰写及装订工作。已查阅的参考文献1何毅光与医学的结晶光学疗法生命世界,2008,641001032邓玲,陈仕国,马显光半导体激光血管内照射对健康兔红细胞变形能力的影响激光杂志,2001,22（2）79803黄保续,王鸿斌低能量激光照射免疫学调节效应的研究进展东北农业大学学报,1999,30（4）4044094刘枢晓HENE激光血管内照射对动脉学携氧能力的影响及其机理研究光电子激光,1999,10（2）1511525林秀华,江炳熙LED光输出特性随管芯封装位置变化半导体光电,1992,1321511556李正佳,朱长虹激光生物医学工程基础（第一版）湖北武汉华中理工大学出版社,1997,21407刘江,角建瓴,刘承宜等LED在生物医学方面的应用和前景激光杂志,2002,236148汪浩LED产业的过去、现状和未来扬州教育学院学报,2007,25349529李珏璇发光二极管的应用科技资讯,2008,3111710崔鸿忠,李正佳,范晓红发光二极管光源疗法在生物医学中的应用激光技术,30663965611方志烈发光二极管材料与器件的历史、现状和展望物理,2003,32529530012崔鸿忠,李正佳,范晓红发光二极管光源疗法在生物医学中的应用激光技术,30663965613刘伟平,黄红斌,林仕相等基于LED的多波长皮肤美容光疗系统激光杂志,266949514魏智LED的技术发展和应用国外电子元器件,2003,1737515张晨美,玉珏,杜立中蓝光发光二极管光疗效应探讨浙江大学学报,2002,31322222416严奕,刘石神,张涛LED与光纤耦合技术研究上海市照明学会,2008363368指导教师意见指导教师签名年月日湖北工业大学理学院2014届毕业论文（设计）毕业设计（论文）学生申请答辩表课题名称带音乐播放功能的红蓝LED治疗仪设计指导教师（职称）黄楚云教授申请理由学分修满，论文完成，申请答辩学生所在学院理学院专业班级10光信2班学号1011122220学生签名日期毕业设计（论文）指导教师评审表序号评分项目（理工科、管理类）评分项目文科满分评分1工作量外文翻译152文献阅读与外文翻译文献阅读与文献综述103技术水平与实际能力创新能力与学术水平254研究成果基础理论与专业知识论证能力255文字表达文字表达106学习态度与规范要求学习态度与规范要求15是否同意参加答辩总分湖北工业大学理学院2014届毕业论文（设计）毕业设计（论文）评阅人评审表评语指导教师签名另附毕业设计（论文）指导记录册年月日学生姓名何国伦专业班级10光信2班学号1011122220设计（论文）题目带音乐播放功能的红蓝LED治疗仪设计评阅人评阅人职称序号评分项目（理工科、管理类）评分项目文科满分评分1工作量外文翻译152文献阅读与外文翻译文献阅读与文献综述103技术水平与实际能力创新能力与学术水平254研究成果基础理论与专业知识论证能力255文字表达文字表达106学习态度与规范要求学习态度与规范要求15总分湖北工业大学理学院2014届毕业论文（设计）毕业设计（论文）答辩表学生姓名何国伦专业班级10光信2班学号1011122220设计（论文）题目带音乐播放功能的红蓝LED治疗仪设计序号评审项目指标满分评分1报告内容思路清新；语言表达准确，概念清楚，论点正确；实验方法科学，分析归纳合理；结论有应用价值。402报告过程准备工作充分,时间符合要求。103创新对前人工作有改进或突破，或有独特见解。104答辩回答问题有理论依据，基本概念清楚。主要问题回答准确，深入。40总分评语评阅人签名年月日湖北工业大学理学院2014届毕业论文（设计）答辩组评语答辩组组长（签字）年月日答辩委员会意见答辩委员会负责人（签字）年月日毕业设计（论文）成绩评定总表学生姓名何国伦专业班级10光信2班毕业设计（论文）题目带音乐播放功能的红蓝LED治疗仪设计成绩类别成绩评定指导教师评定成绩湖北工业大学理学院2014届毕业论文（设计）注成绩评定由指导教师、评阅教师和答辩组分别给分以百分记，最后按“优90100”、“良8089”、“中7079”、“及格6069”、“不及格60以下”评定等级。其中，指导教师评定成绩占40，评阅人评定成绩占20，答辩组评定成绩占40。评阅人评定成绩答辩组评定成绩总评成绩402040评定等级湖北工业大学理学院2014届毕业论文（设计）I摘要红蓝LED治疗仪采用高纯度、高功率密度的红光、蓝光对人体表面进行照射，直接作用可深达皮肤黏膜下层，光能被组织细胞吸收，可使机体白细胞吞噬等免疫防御系统功能增强，深部毛细血管扩张，血流加快，物质代谢旺盛，血液流体动力学效应得到改善，可降低血液黏度，调节血脂，加快炎性介质的廓清和组织水肿的吸收，促进肉芽组织和毛发的生长，促进胶元纤维细胞合成，加速细胞修复过程及伤口、溃疡和骨折的愈合，促进受损神经再生及细胞修复过程。除局部生物效应外并可通过神经和体液通路，对生物体远端产生作用。具有消炎消肿、镇痛解疼、改善局部组织血液循环及营养代谢，降低血脂，调节神经机能等治疗作用。目前LED在生物医学方面的应用正日益扩大并呈良好的发展前景。基于现有的LED治疗仪的发展成果，嵌入音乐播放的新功能，是在人民物质生活水平不断提高的背景下，对高端、人性化医疗服务的迫切需求。本文就是根据LED与生物组织作用的现象与机理，利用现有的LED治疗仪成品，设计了一套带音乐播放功能的新型LED治疗仪器，包括LED阵列的设计，系统主机硬件电路设计以及系统控制软件的设计，仪器要求红、蓝光双波长输出，带USB插口，用于音频资料输入和播放。关键词生物医学；LED治疗仪；高端医疗湖北工业大学理学院2014届毕业论文（设计）IIAFSTVACTREDANEBLWELEDTHERAPYDEVICEUSINGHKGHPURITY,HIGHPOWERDENSITY,RED,BLUEONTHEBODYSURFACDISIRRADIATED,THEDRECTEFFECTOFTHESKINCANBEDEEPSUBMUCOSA,LIGHTENERGYISABSORBEDBYTISSUECELLS,THBODYCANPHAGOCYTICIMMUNEDEFENSESYSTEMANDOTHERENHANCEMENTSDEEPTELANGIECTQSIA,BLOODFLOWTOACCELERATE,SUBTAOCEMETABOLISM,IMPROVEDHEMODYNAMICEFFECTSOFFLUID,CANREDUCEBLOODVSCOSITY,REGULATINGBLOODLIPIDS,ACCELERATETHEAFSORPTIONOFEDDMACLEARANCEANDINFLAMMATORYMUDIATORS,RNOOTINGGRANULATIONTISSUEANDHAIRGROWTH,PROMOTEFIBVOBLASTCOLLAGENSYNTHESISANDACCELERATETHEREPAIRPROESSANDTOHEALWOUNDS,ULCERSNFFRACTURESOFCELLSANDPROMOTECELLREGDNGRATIONANDREPAYROBDAMAGEDNERVEPROCESSESINADDITIONTOFOREIGNANDLOCALBOLOGICA|EFFECTTHROUGHTHENERVOUSNDHUMOZALPATHWAYS,HAVEANEFFECTONTHEOVGANISMREMOTEHASANTIINFLAMMATORYSWELLING,PAINANDANALGESICSOLUTIOL,IMPROVEBLOODCIRCULATAONANNUTRIIONOFLOCALTISSUEMETABOLISM,LOWERCHOLESTEROL,REGULATENERVEFUNCTIONANDOTHERTREATMENTCURRENTLYLEDAPPLICATIONSINBIOMEDICINEISINCREASINGLYEXPANDINGANDSHOWEDGOODPROSPECTSFORDEVELOPMENTBASEDONTHEEXISTINGDEVELOPMENTRESULTSLEDTHERAPYDEVICES,EMBEDDEDMUSICPLAYERNEWFEATURESAREINTHEPEOPLESMATERIALLIVINGSTANDARDSCONTINUETOIMPROVEINTHEBACKGROUND,THEURGENTNEEDFORHIGHEND,USERFRIENDLYMEDICALSERVICESTHISPAPERISBASEDONTHEPHENOMENONANDMECHANISMOFACTIONOFBIOLOGICALTISSUELED,LEDTHERAPYDEVICEUSINGTHEEXISTINGPRODUCTS,DESIGNEDANEWSETOFLEDTHERAPYEQUIPMENTWITHMUSICPLAYBACKCAPABILITIES,INCLUDINGTHEDESIGNOFTHELEDARRAY,THESYSTEMHOSTHARDWARECIRCUITDESIGNANDSYSTEMCONTROLSOFTWAREDESIGN,EQUIPMENTREQUIREMENTSOFRED,BLUEDUALWAVELENGTHOUTPUT,WITHUSBJACKFORAUDIODATAINPUTANDPLAYBACKKEYWORDSBIOMEDICAL；LEDTHERAPYDEVICE；HIGHENDMEDICAL湖北工业大学理学院2014届毕业论文（设计）III目录摘要IABSTRACTII第一章关于LED与生物作用的机理探讨111LED用于植物生长灯212其他光疗以紫外线为例3第二章有关LED治疗仪的文献综述421医学上LED的优势422LED治疗仪在国内外的研究状况523LED基本常识6231LED基本结构及其封装6232LED性能参数7第三章方案设计932LED阵列设计1033硬件电路设计11331输入部分设计11332显示部分设计11333时钟电路14334执行部分1434软件设计15第四章总结17致谢18参考文献19湖北工业大学理学院2014届毕业论文（设计）1第一章关于LED与生物作用的机理探讨当光与生物组织相互作用时，其相互作用机理的变化是多种多样的。根据能量的转化可将激光与有机体组织的相互作用分为五类光化作用,热作用,光蚀除作用,等离子体诱导蚀除作用,以及光致破裂作用。图11如下，罗列了几种基本相互作用的双对数曲线,横轴表示外加的功率密度也即是光照强度,纵轴描述了照射时间，给定单位为秒。图中曲线分别表示在25J/CM2与1200J/CM2时的恒定能量流。其中，自由基损伤DNA后导致了电磁场效应，从而引起突变；而光效应则是由于一定波长的光子被它吸收，生物细胞分子内的电子能纣产生跃迁，引起生物分子的变异；热效应引起蛋白质司性让酶失活忼致生物相关的生理、遗传变缂；压力效应则使组织细胞破裂、变引起盘关的遗传变异【1】。体这些作用不是非常强的时候是亍会产生损伤，只产生若坲有益的生物刺激，于昏，这就有了低能量激光丧生生獩效应这一说法，实质上是电磁场效应与光效应的有机结合。低能量翀光专门利用生物刺淀效应，直接作用于辐簄不是热效应（庠提高不贅过0207），在产生细胞效应辙斻面，单色光与激光没有明显性差异，近年来人们岆激光的刺激效应与单色光的效应合称为光生物调节作用。而生物医学方面的理论基础与LED应用好是光生物调节作用原理。这一章通过对光生物调节作用的基本原理的分析，来探讨LED与生物组织在实鉕过程中相互作用的机理，从而为LED在医学中的具体应疨提供相啳的理讲基础，并为纣蓟LED治疗仪的相关设计提供准确的理论参数。光学疗法佼为一种比螃有效的医疗式，在临床中和科研巤稉上歧得到越来跊广泛的直接运甠光疗的理论基硐內体为生组织细胞吸收光能并将此转化成热能和化学能，从而使体内亥生一系列密切相关的化学寍应。而这些化学反应总结起来实际上有四种类型光致锐化、光致聚雖、光致氧化以及光致分解。波长不同的光所产生的对应的生物效应也会不同，基于此，科研工作者研究开发了针对不同疾病使用不同波段的治疗器械和治疗方式【2】。概括来讲，红外光主要发挥它的热效应，肌体吸收红外光后导致体温升高，身体上的血管开始扩张，血流速度可以加快生物体新陈代谢的速度、让细胞增生，起到消炎和止痛的作用；而紫外光则擅长利用它天生高能辐射杀菌的本领，治疗因为病菌引起的常见皮肤病；可见光的治疗效应因波长不同而有所差别红光可引起白细胞总数和嗜酸性粒细胞减少，改善新陈代谢，从而降低血糖，促进卵巢黄体形成。至于蓝紫光则是红橙光生理作用的拮抗物，可以有效防止胰岛素低血糖症状的出现，能漂白胆红素治疗新生儿黄疸。湖北工业大学理学院2014届毕业论文（设计）2图11LED与生物组织作用关系图11LED用于植物生长灯生长灯就是依照植物生长的自然规律和光合作用的原理，对温室植物提供光照补偿的一种灯具。通常也叫做植物补光灯或温室补光灯。采用单色彩色荧光灯作为植物生长补充光源是最经济的方式。比如可以在普通荧光灯组内加入红色荧光灯，或者使用红色、蓝色荧光灯组合照明。光对植物叶绿素合成的影响蓝光培养的植株一般具有阳生植物的特性,而红光培养的植株与阴生植物相似。红光不仅有利于植物碳水化合物的合成，还能加速长日植物的发育，相反，蓝紫光则加速短日植物发育，且促进蛋白质和有机酸的合成，而短波的蓝紫光和紫外线能抑制茎节间伸长，促进多发侧枝和芽的生长。LED用于植物生长灯441529NM（蓝色）的光线以及619731NM（红色）对于光合作用贡献最大。520610NM（绿色）的光线，被植物色素吸收的比率很低。LED的发射谱是具有一定带宽的带状谱，且波谱丰富，可接受人工智能调控。LED光源防水防潮，适宜植物生长环境；发热小适宜近距离照射；直流低压更安全；高效节能、轻便环保。用红橙绿蓝紫LED组合成光源，可进行光谱的波长和光强的调配，使之更加满足农作物和微藻的生长需求。可提高其产量，改善品质节约能源【3】。LED发射谱与叶绿素、类胡萝卜素、藻胆色素吸收谱相匹配的智能调光光谱技术对不同类的植物光谱波长及光强的科学配比。近十年来,随着人们对半导体发光材料研究的不断深入,LED灯制造工艺的不断进步和新材料的开发应用,湖北工业大学理学院2014届毕业论文（设计）3LED灯的发展取得了突破性进展,价格也大幅度下降,其应用于植物设施栽培的研究逐渐被各国学者关注。尤其是在超高亮度LED灯开发成功后,被广泛应用于植物生理或栽培领域的研究,如光形态发生、光合作用及叶绿素合成研究等。LED灯应用于植物组织培养的研究在植物组织培养中,光合光量子通量密度、光照周期和光谱分布对植物的光合作用和形态建成起重要作用。植物组培主要依靠电光源,传统电光源对植物的生物能效极低、发热量大,是植物组织培养中最高的非人力成本之一。因此在植物组织培养中采用LED灯提供照明,调控光质,不仅能够调控组培植物的生长发育和形态建成还能缩短培养周期。12其他光疗以紫外线为例紫外线对微生物营养细胞的杀灭作用主要与细胞内的核酸的光化学变化有关，其灭活的机制主要包括产生嘧啶二聚体以及DNA解螺旋。生物损害机制与DNA对紫外线的吸收相一致，DNA在紫外线C波段的250NM处有最大吸收峰。DNA在真空波段也有最大吸收。一般情况下生物学效应并不明显，这是因为大气对其具有很强的吸收。当微生物被紫外线（UV）副照射时，只有在菌体吸收了紫外线（UV）后，才能显示出紫外线（UV）的杀菌作用【4】。微生物细胞内能吸收紫外线（UV）的物质上核酸和部分氨基酸，而构成细胞的绝大部分蛋白质，因其具有透明性固不易吸收紫外线（UV）。当吸收紫外线（UV）后，DNA链的磷酸酯键和氢键断裂，胸腺嘧啶和胞嘧啶发生水合作用以及胸腺嘧啶二聚体形成，这些均使得DNA双链结构扭曲变形，阻碍碱基对的正常配对，破坏DNA模板的正式功能，影响双链的解开、复制和转录，从而引起菌体死亡。紫外线（UV）杀菌的间接作用于其产生的OH、过氧基、氢过氧自由基等有关。这些高活性的氧化基团可以进行细胞膜、蛋白质、酶和DNA。感光物质可以加强自由基的产生及其作用效果。因此当感光材料与紫外线（UV）协同作用杀菌时，紫外线（UV）和DNA的直接作用、感光化学效应产生的活性分子和自由基的间接作用共同形成了杀菌机制。但结果并不是产生一般的胸腺嘧啶二聚体，而是形成链接独特的胸腺嘧啶二聚体，由于此胸腺嘧啶二聚体具有超级修复机制，使得芽孢营养细胞具有更强的抗紫外线（UV）能力。当然芽孢是休眠体，其修复功能是在其开始发芽生长时才体现出来的，紫外线（UV）对病毒DNA也有同样的作用。除此以外，人们对紫外线（UV）与人类及其他生物的关系也进行了广泛的研究。得出的结论为紫外线（UV）对包括人类在内的生物的作用与生物种类、紫外线（UV）波长和辐照剂量有关；高剂量的UVC、UVB或UVA对所有的生物都有害，且三种紫外线（UV）作用强弱的顺序为UVCUVBUVA；对UVC和UVB而言，它们可损害核酸和蛋白质，造成细胞基因突变或死亡；湖北工业大学理学院2014届毕业论文（设计）4UVA的损害作用目前还不是十分了解，它可能与产生活性氧分子有关；活性氧对细胞中的很多成分，包括核酸和蛋白质都有损害作用。低剂量的UVA辐照可通过活化某些特别的基团导致生物的生理反应，但基团的活化机制目前尚不清楚，而且也不清楚UVC和UVB是否也有相似的作用【5】。很多UVA的生理和病理作用可以通过蓝紫光获得，这很可能与核黄素和类胡萝卜素等物质的常见光化学传感作用有关。第二章有关LED治疗仪的文献综述21医学上LED的优势我们已经知道因为激光器的发明引起了光学疗法的快速发展，激光技术经过40多年的发展，使得激光成为在医疗器械中应用得最广泛，也是最成熟的医疗光源。在外科532NM激光具有切割组织效率高，止血效果好等特点。随着光纤和内窥镜技术的进步，半导体激光器体积小，稳定性高等优点让腔内疾患进行开放性手术治疗成为了可能【6】。后来人们发现利用弱激光对生物组织照射可以促进其血液循环、刺激和加快伤口愈合，增强机体免疫力。这样比激光器体积小，光电转换效率更高，寿命更长的半导体发光二极管在临床医疗上获得了人们越来越多的研究。随着半导体技术的进步，半导体发光二极管在波长、发光强度和价格比激光毫不逊色，人们也发现它的光生物效应与低强度激光几乎是完全相似的，因此在未来在生物医学，半导体发光二极管完全有可能成为代替激光的新型光源，应用前景十分光明。如今我们面临能源枯竭，生态环境恶化等全球性问题，许多国家都加快新型LED的研发，之所以如此是与LED自身的优势是分不开的，在医学上LED的优势有LED具有很高安全性，一般在使用LED医疗仪器时不需要带防护眼镜，而激光器发出的高强度激光束对人眼有极大的伤害，几秒钟就会造成对人眼不可挽回的损伤。并且LED具有高的光电转换效率，不需要像激光器提供高电压，能确保人机安全，LED天然的固态性质更进一步提高了其安全性能；LED具有很好的稳定性，其平均无故障运行时间是100000小时。在医疗应用上，LED的体积小，重量轻特性极大的提高了医疗设备的在临床使用上的灵活性，LED阵列模块可以直接手持或固定在目标上进行直接照射。有文献报道称，LED可以不通过光纤传输而直接插入体内照射医疗。LED相比激光器具有高的电光转换效率，一般等离子体激光器其电光装换效率只有01不到，而半导体材料的LED电光转换效率可以达到1418，因此LED不像激光器大量的电能转换成了热能，因此LED不需要复杂的液体或空气冷却系统；激光器由工作物质、泵浦源、冷却系统和光学系统几部分组成，其中每一部分器件价格成本和维护费用都是十分高的，相比之下，LED主要是由半导体材料组成，价格低廉，并且可以一小块基片制作生成几十块LED，它的可靠性和高寿命更进一步间接地降湖北工业大学理学院2014届毕业论文（设计）5低了成本；随着半导体技术的发展和新的半导体的材料的发现，LED将会更多的新波长输出。目前LED的光谱范围主要在可见光波段，以后扩展的LED新波长将会开启医疗应用的新方向；激光器的高成本和复杂的控制系统一定程度上阻碍了医疗激光器的研究和发展【7】。相比较而言，LED的低成本，低能耗，高稳定性，将使LED在医疗上会有更广泛的应用前景，而其光束质量较差的缺点和亮度不够高，也会随着工艺水平的提高和合适的新型光学系统出现而得到改善。并且LED具有十分高的响应度，通常为几十毫秒，这是激光器和其他光源望尘莫及的，以上LED的各种特性将使医疗设备的设计更加具有医用导向性。22LED治疗仪在国内外的研究状况采用光来治疗人类的疾病是一种很古老的方法，早在几千年前的中国等国家的时候就采用日光来治疗疾病。而LED作为一种新型光源，随着其生物学效应逐步被人们所认识，目前正逐步应用于医学中并发挥积极的作用，本文将对LED在皮肤医学中的应用进行详细地讲解与描述。LED的生物学效应取决于不同的光学参数，包括不同的波长、流量、强度、辐照时间、连续波还是脉冲波以及在临床上的治疗次数、治疗间隔等。不同的波长可以到达皮肤组织的不同位置。一般来说，波长越长穿透能力越强，在400NM处穿透的皮肤组织距离不超过1MM，517M穿透的距离约05MM，630NM穿透距离约6MM。同时不同波长的光可以被组织中不同的色基所吸收。在临床上红光常被用于治疗深层的皮肤组织结构，例如皮脂腺；光在光动力学治疗中用于治疗位于表皮的皮损如果想到达皮肤的真皮层则需要更长的波长，如660NM的波长可以到达真皮的网状层从而对真皮中的皮肤成纤维细胞发挥作用，而这也是LED光源用于光子嫩肤的原理之一。表1列出了临床常用的LED光学参数。光子嫩肤技术被定义为使用连续的强脉冲光在低能量密度下进行非剥脱方式的嫩肤治疗。自2000年问世以来短短几年内，光子嫩肤技术迅速普及全国，在各大中城市得到广泛应用，目前已成为改善皮肤光老化的主要手段之一，这种技术可明显改善皮肤皱纹、质地粗糙、不规则色素沉着及毛孔粗大等现象，已经得到众多技术专业人员和美容诉求者的认可【8】。皮肤光老化的特征性组织学改变是真皮基质中弹力纤维变性和胶原纤维成熟障碍，从而导致皮肤出现松弛和皱纹。研究发现可见光到近红外的LED光穿透皮肤表皮到达皮肤真皮层后，通过光热和光化学作用，促使弹力纤维和胶原纤维再生和重新排列，从而达到减轻皮肤皱纹、增加弹性的效果。预防或治疗炎症后色素沉着炎症后皮肤出现色素沉着在皮肤物理和化学美容中是常见的、很难避免的现象，特别易于出现在亚洲人群。例如在临床上为减轻激光治疗后皮肤色素沉着的程度，一般都避开紫外线过强的季节、嘱患者避免日晒、涂抹防晒霜等，但炎症后色素沉着还是很难完全避免。近年来有研究发现，660NM的LED光可以预防甚至可以治疗这种炎症后出现的皮肤色素沉着，这将会是皮肤美容界一个新的研究热点。湖北工业大学理学院2014届毕业论文（设计）6减轻炎症已经有系列的研究表明LED具有抗炎的作用。研究发现635NM的LED光可以抑制牙龈的成纤维细胞释放炎症介质前列腺环素E2PGE2，从而减轻牙龈的炎症反应。在脉冲染料激光治疗皮肤光老化前如果采用LED光源提前照射，可以减轻染料激光引起的皮肤红斑、肿胀和疼痛等不适。在乳腺癌患者的放射治疗前采用LED光源提前照射可以减轻放疗的副作用。疤痕的预防瘢痕疙瘩是临床上影响美容而且治疗困难的一种皮肤疾患，是皮肤损伤后结缔组织过度增生所引起。患者往往具有瘢痕体质。在临床上开始为小而坚硬的红色丘疹，缓慢增大，产生圆形、椭圆形或不规则性瘢痕，高出皮面，呈蟹足状向外伸展，皮肤光滑、发亮，可伴有疼痛、瘙痒等不适。临床治疗困难、疗效不理想【9】。有研究发现LED可明显改善患者的疼痛、瘙痒等不适感，使瘢痕变平，同时具有无创的优点。23LED基本常识231LED基本结构及其封装LED（发光二极管）封装是指发光芯片的封装，相比集成电路封装有较大不同。LED的封装不仅要求能够保护灯芯，而且还要能够透光。所以LED的封装对封装材料有特殊的要求。LED封装技术大都是在分立器件封装技术基础上发展与演变而来的，但却有很大的特殊性。一般情况下，分立器件的管芯被密封在封装体内，封装的作用主要是保护管芯和完成电气互连。而LED封装则是完成输出电信号，保护管芯正常工作，输出可见光的功能，既有电参数，又有光参数的设计及技术要求，无法简单地将分立器件的封装用于LED。根据发光颜色、芯片材料、发光亮度、尺寸大小等情况特征来分类的。单个管芯一般构成点光源，多个管芯组装一般可构成面光源和线光源，作信息状态指示及显示用，发光显示器也是用多个管芯，通过管芯的适当连接包括串联和并联与合适的光学结构组合而成的，构成发光显示器的发光段和发光点。表面贴装LED可逐渐替代引脚式LED，应用设计更灵活，已在LED显示市场中占有一定的份额，有加速发展趋势。固体照明光源有部分产品上市，成为今后LED的中、长期发展方向【10】。经过多年的发展，中国LED封装产业已趋于成熟。近几年LED封装企业积极过会上市，在资本市场及下游应用产业持续增长的需求助力下，企业规模扩张速度加快，产能高速增长，国内LED封装产业规模不断扩大，2012年国内LED封装总产值达到438亿元，与2011年相比增长5368，其中广东省产值达到323亿元，增长5756，占国内LED封装总产值的7374。国内LED封装产业产值高速增长主要是因为多数国际LED封装厂家因看好中国国内应用市场，纷纷在国内设立生产基地，加大国内产业销售力度，以及国内公司扩大产能规模，投资的产能得到释放所致【11】。湖北工业大学理学院2014届毕业论文（设计）7图21LED结构图图22LED使用寿命与温度关系图232LED性能参数LED的心脏是一个半导体的晶片，晶片的一端附着在一个支架上，是负极，另一端连接电源的正极，整个晶片被环氧树脂封装起来。半导体晶片由两部分组成，一部分是P型半导体，在它里面空穴占主导地位，另一端是N型半导体，在这边主要是电子。但这两种半导体连接起来的时候，它们之间就形成一个“PN结”。当电流通过导线作用于这个晶片的时候，电子就会被推向P区，在P区里电子跟空穴复合，然后就会以光子的形式发出能量，这就是LED发光的原理。而光的波长决定光的颜色，是由形成PN结材料决定的。1光通量LM湖北工业大学理学院2014届毕业论文（设计）8由于人眼对不同波长的电磁波具有不同的灵敏度，我们不能直接用光源的辐射功率或辐射通量来衡量光能量，必须采用以人眼对光的感觉量为基准的单位光通量来衡量。光通量用符号表示，单位为流明LM。2发光强度CD光通量是说明某一光源向四周空间发射出的总光能量。不同光源发出的光通量在空间的分布是不同的。发光强度的单位为坎德拉，符号为CD，它表示光源在某单位球面度立体角该物体表面对点光源形成的角内发射出的光通量。1CD1LM/1SRSR立体角的球面度单位。3亮度CD/M2亮度是表示眼睛从某一方向所看到物体发射光的强度。单位为坎德拉/平方米CD/M2，符号为L，表明发光体在特定方向单位立体角单位面积内的光通量，它等于1平方米表面上发出1坎德拉的发光强度。4色温COLORTEMPERATURE当光源所发出的光的颜色与黑体在某一温度下辐射的颜色相同时，黑体的温度就称为该光源的色温，用绝对温度K开尔文，开氏度摄氏度27315表示。LED的亮度是跟LED的发光角度有必然关系的,LED的角度越小它的亮度越高,没有什么超亮不超亮的,那是骗小孩的,如果是质量好的LED不管是哪家LED厂家生产的大家的亮度都差不多的【12】,只是生产工艺不一样,使用寿命略有不同,因为大家用的都是那几家国外的LED芯片如果是5MM的LED180度角的白光的发光强度只有几百MCD,如果是15度角的光强就要去到一万多两万MCD的了,光强相差好几十倍了,如果是用于照明用的,在户外最好是用大功率的LED了,亮度就更高了,单个功率有1W,3W,5W,还有的是用多个大功率组合成一个大功率的LED,功率去到几百W都有。色温和亮度没关系，而亮度和流明值有关。5显色性COLORRENDERINGPROPERTY原则上，人造光线应与自然光线相同，使人的肉眼能正确辨别事物的颜色，当然，这要根据照明的位置和目的而定。光源对于物体颜色呈现的程度称为显色性。通常叫做“显色指数“RA。显色性是指事物的真实颜色其自身的色泽与某一标准光源下所显示的颜色关系。RA值的确定，是将DIN6169标准中定义的8种测试颜色在标准光源和被测试光源下做比较，色差越小则表明被测光源颜色的显色性越好。RA值为100的光源表示，事物在其灯光下显示出来的颜色与在标准光源下一致【13】。湖北工业大学理学院2014届毕业论文（设计）9第三章方案设计本节提出了一套LED治疗仪器设计方案，该仪器具有程序自动控制，用户自定义操作，工作方式（脉冲和连续）自由选择、光强度、治疗时间可调的特点。虽然LED在生物医学方面的应用非常广泛，但治疗机理大体相同，都是基于光生物调节作用，在治疗过程中主要关心的是治疗波长、照射剂量（照射光强治疗时间）和LED光工作方式三个参数，而本套设计方案的主机电路控制与驱动部分具有LED光强调节、时间调节和工作方式选择的功能。31系统总体设计方案仪器要求能够从按键屏获得用户的输入信号，并且能对输入信号做出回应，将处理过程同步显示在数码管上，根据用户的定制需要输出控制信号，控制LED阵列以脉冲和连续两种方式工作，同时可以由选择不同的波长来进行治疗。并且预制若干种治疗方案，还能够进行手动设置治疗方案。同时设计合理的用于皮肤治疗的LED阵列结构，使输出光波能量密度均匀。湖北工业大学理学院2014届毕业论文（设计）10图31系统框架图如图31所示，本仪器以CPU为控制中心，以按键屏为输入设备，数码管作为显示指示设备，音乐播放功能通过另一模块的存储芯片与单片机引脚的连结实现，CPU通过外部接口电路控制LED阵列工作【14】。系统供电的有两个部分，其中一部分给控制电路供电，另一部分为LED提供电源。32LED阵列设计根据生活实际的应用需求，我们的LED阵列采用两种波长的LED，分别是630NM，596NM，波长范围22NM。LED的直径为5MM，每个LED的额定功率为015W左右。由于LED是半导体组成的器件，所以采用恒定电源的方式来驱动比较好。如下图32所示，波长不同的LED的额定正向压降各不相同，因此，如果将2种波长的LED使用相同的高电平，必将造成某种波长的LED的正向电压过载，正向电流急剧上升，可能会导致某种波长LED的损坏。或者，使用相同的低电平，则将有其中一种波长的LED的发光功率不足。因此，为了便于控制，保证LED的正常工作，使用2路电源分别对2种波长的LED（即红蓝光）进行供电。湖北工业大学理学院2014届毕业论文（设计）11图32深圳蓝科公司生产的三种波长的LED的UI曲线图33LED阵列示意图在LED阵列的排列上，要求各种波长的LED的发光的均匀性。并且要便于PCB板的制作。一个阵列的尺寸为288192MM，共有两个相同大小的阵列组成。2种波长的LED的外径为65MM，每个LED额定功率为01W，LED阵列总共需要消耗较大的功率。两个阵列中，单种波长的LED有384个，根据前面的分析，每种波长的LED采用单独的电源供电，因此单个电源的输出功率必须要大于768W。两种波长的LED采用如上图33所示的排列方式进行排列。湖北工业大学理学院2014届毕业论文（设计）1233硬件电路设计331输入部分设计输入的部分由三个按钮组成，“TIME”按钮负责时间设定，“START”按钮控制开与关，“WAY”按钮实现红蓝灯的切换。图34时间键、开始/终止键、灯控键332显示部分设计LED数码管是由多个发光二极管封装在一起组成“8”字型的器件，引线已在内部连接完成，只需引出它们的各个笔划，公共电极。LED数码管常用段数一般为七段有的另加一个小数点，还有一种是类似于3位“1”型。位数有半位，1，2，3，4，5，6，8，10位等等，LED数码管根据LED的接法不同分为共阴和共阳两类，了解LED的这些特性，对编程是很重要的，因为不同类型的数码管，除了它们的硬件电路有差异外，编程方法也是不同的【15】。图2是共阴和共阳极数码管的内部电路，它们的发光原理是一样的，只是它们的电源极性不同而已。颜色有红，绿，蓝，黄等几种。LED数码管广泛用于仪表，时钟，车站，家电等场合。选用时要注意产品尺寸颜色，功耗，亮度，波长等。下面将介绍常用LED数码管引脚图。湖北工业大学理学院2014届毕业论文（设计）13图35数码管结构图与引脚编码图36二段八位数码管电路图湖北工业大学理学院2014届毕业论文（设计）14从上面可以看出，要是数码管显示数字，有两个条件1、是要在VT端（3/8脚）加正电源；2、要使（A,B,C,D,E,F,G,DP端接低电平或“0”电平。这样才能显示的。以共阳极LED数码管为例，其内部结构原理图如下图37共阴极数码管的内部结构图排阻，就是若干个参数完全相同的电阻，它们的一个引脚都连到一起，作为公共引脚，其余引脚正常引出。所以如果一个排阻是由N个电阻构成的，那么它就有N1只引脚，一般来说，最左边的那个是公共引脚。它在排阻上一般用一个色点标出来【16】。内存颗粒走线的必经之处安装一排电阻，则能够帮助内存起到稳压作用，让内存工作更稳定。从而提升内存的稳定性，增强内存使用寿命。排阻具有方向性，与色环电阻相比具有整齐、少占空间的优点。图38排阻示意图为了增加带负载的能力，经常需要在排阻与数码管之间安装一个驱动芯片，提高驱动电流之外，加驱动芯片也可以省I/O口,驱动芯片一般有一个使能端,单片机的PI口和驱动芯片的输入端相连,当你想用数码管时,让驱动芯片的使能端使能,这是PI口直接和数码管相连,当驱动芯片的使能端无效时,这是驱动芯片内部程高阻状态,即PI口和数码管断开连接,这个时候PI口就可以接其他的硬件,如果没有加驱动芯片的话,同一个I/0口就只能接数码管这种硬件,这就达到节省I/0口的目的。湖北工业大学理学院2014届毕业论文（设计）15333时钟电路几乎所有的数字系统在处理信号都是按节拍一步一步地进行的，系统各部分也是按节拍做的，要使电路的各部分统一节拍就需要一个“时钟信号”，产生这个时钟信号的电路就是时钟电路。时钟电路的核心是个比较稳定的振荡器一般都用晶体振荡器），振荡器产生的是正弦波，频率不一定是电路工作的时钟频率，所以要把这正弦波进行分频，处理，形时钟冺，然后分配到需要瞄地方，让系统里各部分工作时使用。334执行部分髱动LED的电路爆为两个飨分三极管放大和继电器。三极管昏电流放大器件，有三个极，分别叫偒集电极C，基极B，发射极E。分成NPN和PNP两种。以NPN三极管的共发射极放奧电路为例来说明三极管放大电鷯的基本原理。以NPN型硅三极管为例，我们把从基极B流至发射极E的电流叫做基极电流IB；把从集电极C流至发射极E的电流叫做电极眵流IC。这两个电流的方向都是流出发射极的，所以发射极E上就用了一个箭头来表示电流的方向。三极管的放大作用就是集电极电流受基极电流的控制假设电源能够提供给集电极足够大的电流的话，并且基极电流很小的变化，会引起集电极电流很大的变化，且变化满足一定的比例关系集电极电流的变化量是基极电流变化量的倍，即电流变化被放大了倍，所以我们把叫做三极管的放大倍数一般远大于1，例如几百上千。如果我们将一个变化的小信号加到基极跟发射极之间，这就会引起基极电流的变化，IB的变化被放大后，导致了IC很大的变化。如果集电极电流IC是流过一个电阻R的，那么根据电压计算公式URI可以算得，这电阻上电压就会发生很大的变化【17】。我们将这个电阻上的电压取出来，就得到了放大后的电压信号了。电磁继电器一般由铁芯、线圈、衔铁、触点簧片等组成的【18】。只要在线圈两端加上一定的电压，线圈中就会流过一定的电流，从而产生电磁效应，衔铁就会在电磁力吸引的作用下克服返回弹簧的拉力吸向铁芯，从而带动衔铁的动触点与静触点（常开触点）吸合。当线圈断电后，电磁的吸力也随之消失，衔铁就会在弹簧的反作用力返回原来的位置，使动触点与原来的静触点（常闭触点）释放。这样吸合、释放，从而达到了在电路中的导通、切断的目的【19】。对于继电器的“常开、常闭”触点，可以这样来区分继电器线圈未通电时处于断开状态的静触点，称为“常开触点”；处于接通状态的静触点称为“常闭触点”。继电器一般有两股电路，为低压控制电路和高压工作电路【20】。湖北工业大学理学院2014届毕业论文（设计）16图39继电器电路图在完成掌握了解LED治疗仪的工作原理与结构设置后，剩下的音乐输出功能就成为整个系统设计的关键了。如图是一个存储芯片，它是一个独立的系统，具有录音和音乐输出的功能。通过P22引脚的设置实现音乐控制，具体过程是通过CPU产生一个命令，将P22置零，高电平产生一个下降沿，存储芯片感知到命令，开始播放音乐【21】。图310独立的音乐存储芯片34软件设计将系统的软件处理任务，分成几个步骤显示进程，按键屏处理进程，时钟进程，电源控制进程和系统进程。（1）系统启动初始化完成后，其进程主要是根据时间片轮转，将不同的进程调入系湖北工业大学理学院2014届毕业论文（设计）17统中运行。系统的时间片由时钟进程产生，时钟进程采用内部中断的方式。（2）户命令识别进程根据当前的命令状态与新的坐标值产生新的用户命令。该进程有两个表的查询，分别是根据坐标和当前显示页面值查询区域【22】。然后根据区域和当前的命令状态字查询新的命令。在本系统中，将各种操作的显示预存为显示页面框架，页面号是页面的唯一标识。然后对页面框架进行划分区域，生成一个页面的区域表。因此查找区域操作完成后，将会得到两个值，页面号和区域号【23】。然后根据页面号，区域号和当前命令状态字查询命令表，获得新的命令。（3）状态字包括了一系列的状态信息，通过进程通过传递命令状态字来完成通信。（4）源管理进程本诛程主要完成对电源的管理工彜，可以监控控制电路电源的状态而主要是根据命令状态字控刾ED电源【20】。（5）钟进程可以丧生进程切换盄时间片，也可以产生长时间的计时服务LED进行治疗时，往往需要设置治疗时间，迉个讣时工作由时钏进程完成，一旦计时的开始或者结束，则修改命令状瀁字【25】。图耳11软件部分逻辑图湖北工业大学理学院2014届毕业论文（设计）1