基于AT89C51的超声波治疗仪控制核心电路

殷 杰

（四川理工学院自动化与电子信息学院，四川 自贡 643000）

1 引言

超声波是振动频率高于20kHz的机械波，当超声波进入人体组织时，会产生机械效应、温热效应和理化效应等生物效应。超声波的这些作用可软化组织、提高代谢、刺激神经系统和细胞功能，因此超声波具有独特的治疗意义，尤其在类风湿性关节炎病变和关节、肌腱、韧带的退行性病变的治疗方面具有较好疗效[1]。传统的超声波治疗仪主要依靠治疗师的经验来手动设置超声波强度和治疗时间，在临床大量使用时存在一定的局限性，也不适于在家庭使用。

本文介绍的超声治疗仪器控制核心电路采用AT89C51单片机来实现控制要求，用以保障超声波的治疗效果，避免人为因素造成的超声波能量过大、机体受伤等问题。原始的超声激励信号由单片机的晶振产生，经分频后产生1MHz方波，此方波经单片机控制信号调制后，变成频率为100Hz的脉冲方波。方波信号首先经过一个正弦波发生电路，并用波形控制电路控制它的工作，得到连续正弦波和调整正弦波，然后将此信号送入放大器进行电压调整，最后由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。超声波治疗仪的控制核心电路方框图如图1所示。

图1 超声治疗仪控制核心电路方框图

2 波形控制电路设计

波形控制电路要在波形控制信号的作用下，控制正弦波发生电路工作在连续或脉冲状态，使其能够分别输出连续正弦波和脉冲重复频率F=100Hz、占空比D=10%、基频f=1MHz的调制正弦波，并且实现两种波形的切换。

如图2所示，首先用NE555组成一个频率F=100Hz、占空比D=90%的脉冲发射电路，再经过74HC04反相器，可以得到D=10%的脉冲波，最后将它输入到正弦波发生电路中NE555的RESET脚。RESET脚与控制系统中单片机的一个 I/O 口相连，接收波形控制信号。当输入为“0”时，3 脚输出为“0”，则74HC04输出为“1”，正弦波发生电路持续工作，输出f=1MHz的连续正弦波；当输入为“1”时，3脚输出D=90%的脉冲波，则74HC04输出D=10%的脉冲波，正弦波发生电路工作在脉冲状态，输出F=100Hz、D=10%、f=1MHz的调制正弦波。

3 电压调整电路设计

运算放大器和多路选择器在步进调整信号的控制下，对正弦波发生电路的输出信号进行电压放大和调整，使其满足前级驱动电路对信号的要求，并实现输出电压的步进调整。将正弦波发生电路输出信号放大 2～4 倍，输出电压峰峰值最大要达到20V。此处选用单位增益带宽达到26MHz的高速运放AD825组成同相放大电路，如图3所示。

图2 波形控制电路

电压的调整是由单片机来控制的，然而单片机采用+5V电源供电，输出高电平为+5V，无法达到+15V供电的CD4051的控制输入端电平要求，因此必须将单片机的输出电平抬高。±15V供电的双运放芯片TL072可以将+5V的电压放大到至少+12V，以满足CD4051对控制输入信号电平的要求。这样，当单片机I/O口P3.7和P3.6输出的步进调整信号为“00”、“01”、“10”、“11”时，可以调整放大器输出电压分别达到10V、14V、17V、20V，实现发射声强的调整。

4 温度传感器

超声波辐照于机体后，对机体产生生物效应，其中最明显的就是超声的机械效应和热效应，热效应可以使机体声场区域产生升温，适当控制温升温度和温升区域，可实现局部加热治疗的目的；而过大的超声波能量导致的高温则有可能对机体造成伤害。通过检测治疗部位的温升情况可以掌握超声治疗的效果。

设计中采用接触式温度传感器DS18B20进行体表温度测量，在-10℃～+85℃温度范围内，其精确度可以达到±0.5℃，适用于体表温度测量[2]。在使用中，将它安置在超声发射探头附近，与接受超声辐射部位附近的皮肤紧密接触，测得该处的体表温度。用户可以分别设定各路温度的上、下限，并写入随机存储器RAM中，利用报警搜索命令和寻址功能，可迅速识别出发生了温度越限报警的器件。DS18B20具有1-wire总线结构，仅需一根数据线与主控设备相连，通过此引脚进行数据的读写操作，另外两只引脚分别接电源和地。单片机通过P3.4口与DS18B20相连，控制其正常工作，并读取其测温数据。

图3 电压调整电路

5 主控单元设计

本系统采用AT89C51单片机作为主控单元。AT89C51是一款廉价的单片机，它具有4kB的片内程序存储空间（ROM）和128字节的用户可支配数据存储空间（RAM），32个I/O口，2个定时/计数器中断，2个外部中断，工作频率最高可达24MHz[3]。

由于本设计中不需要很精确的时间控制，因此外接一个12MHz的无源晶振，使AT89C51的一个机器周期约为1μs；按键S0、电容C2、电阻R1和R2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P0.3～P0.0与7段显示译码器的译码输入端相连；P1.6～P1.4与2位共阴极数码管相连；P1.3～P1.0与3位共阴极数码管相连；P2.7～P2.0检测按键输入；P3.7、P3.6控制放大器电路增益；P3.5控制波形控制电路的工作；P3.4实现与温度传感器的通信；P3.2接收外部中断输入；P3.1、P3.0控制4只LED指示灯的亮灭。

AT89C51的P3.5口与波形控制电路中NE555的RESET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。AT89C51的P3.7和P3.6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“00”、“01”、“10”、“11”这4种组合，调整电压放大电路的4级增益，最终实现输出声强的调节。

图4 单片机各引脚与外围电路连接图

此外，自动模式下还可调用温度比较子程序，将测得的温度值与设定的温度阈值进行比较，当测温值高于温度阈值高值时，输出调制波；当测温值低于温度阈值低值时，输出连续波；当测温值处于温度阈值范围内时，维持输出波形不变。温度阈值是预先设定并储存在数据表RNGH和RNGL中的，每一组温度阈值具有一个相同的查表偏移量。设定温度阈值，测量人体温度，进行温度比较，自动转换波形。

通过本文控制核心的设计，可以避免超声波辐射过量对人体造成伤害，比传统的手动控制超声治疗仪更具安全性，适合家庭用户使用和大规模使用。

[1]崔建国，韦云隆，王洪. 超声治疗学在生物医学工程中的应用[J]. 重庆工学院学报（自然科学版），2007，21(5)：111～114.

[2]张军. 智能温度传感器DS18B20及其应用[J]. 仪表技术，2010，4：68～70.

[3]高伟. AT89单片机原理及应用[M].北京：国防工业出版社，2008.