基于89C52 的腕关节康复评估系统设计

冯利军，陶大锦 ，冉康康

(温州医学院生物医学工程系，浙江 温州325035)

康复评估是康复医学中的重要组成部分，由此可制定出合适的康复治疗方案，并评估其治疗效果。腕关节损伤的康复评估，最重要的测量指标是关节活动范围，常以度数表示，亦称关节活动度。目前关节活动范围的主要测量工具为通用量角器和方盘量角器，测量时需要注意参考点的选取，因此专业人员必须掌握一定的技能，否则测量误差会比较大。若采取电子化测量关节活动度，能比较准确地测定关节运动的角度范围。并通过计算机软件的识别分析，将能很好地解决量角器测量带来的参考点误差问题，而且将减少检查者的主观因素，以客观、准确地图像再现病人腕关节康复的情况。同时，可以将病人的关节图像进行存储，这样能方便临床医生随时调阅病人的信息。

本系统即是基于光敏二极管等简单电子元件与微机相结合的腕关节康复评估系统，对腕关节骨折病人的康复情况进行周期性评估，将病人腕关节的活动情况直观地显示于屏幕上，利于医护人员更好地对病人情况进行分析、诊断与护理，使病人对自己的康复情况有更直观和全面的了解。

1 总体设计思路

康复评估系统的总体结构由5 部分组成:采集系统电路、单片机控制单元、串行通信模块、稳压电源电路、接收显示系统。系统的总框图如图1 所示。

图1 系统总体结构框图

采集系统的最小组成部分是光敏二极管。通过病人手腕的移动改变其手腕下部的光敏二极管对于光照的接收，并将光敏二极管接收到的信号先输入到单片机。单片机对接收到的信号数据首先进行内部的存储，然后通过串行通信系统发送到上位机，最终由上位机接受并存储到数据库，并通过软件的编写，显示图像，并计算出最终的角度。

2 下位机硬件构成

2.1 单片机控制单元

单片机作为系统的核心，负责信号采集、启动转换、数据前期处理、与上位机通讯等主要工作，是整个系统的灵魂，也是测量装置智能化的重要体现。选用STC89C52RC 型号单片机，指令代码完全兼容传统8051 单片机，工作电压3.3 V ～5.5 V，工作频率范围0 ～40 MHz，时钟电路和复位电路如图2 所示。

图2 单片机时钟和复位电路

2.2 采集系统电路

采集系统由3 个模块组成:64 个光敏二极管、4个模拟开关CD4067 和1 个四集成运放LM324，如图3 所示。信号由光敏二极管采集，通过单片机控制选通模拟开关，然后经过运算放大器将结果输入单片机。

图3 采集系统结构框图

2.2.1 光敏二极管

光敏二极管在无光照时，反向电阻接近于无穷大;有光照时，反向电阻随光照强度增加而减小，阻值为几十到几百欧。可将光敏二极管与1 MΩ 电阻串联，然后接入5 V 电源，如图4 所示。在无光照时，光敏二极管电阻很大，L1端输出高电平，电压接近4.2 V;有光照时，光敏二极管电阻减小，L1端输出低电平，电压接近0 V。

承德市20世纪50年代粮食总产量为493万t，到2010年达到932万t。粮食产量的提高与农田水利建设是分不开的。随着科技发展和农田节水措施实施，粮食单产用水量逐步减少。20世纪80年代，农业全年用水量16.8亿m3左右，粮食总产量在101万t左右，2010年农业用水量5.2亿m3，粮食总产量达到130万t。节水型农业的发展，使得农业用水量大大降低，单方水的粮食产量由90年代的1.4kg提高到2010年的2.5kg，效益显著。

考虑到手腕的实际大小，横向纵向分别选取8 个光敏二极管，构成8×8 的矩阵，实际电路如图5 所示。各光敏二极管之间为等间距排布，间距约为2 cm。

图4 光敏二极管与CD4067 连接电路图

图5 光敏二极管实际电路

2.2.2 模拟开关

89C52 单片机输入/输出口是有限的，因此如果将64 个光敏二极管直接接入是难以实现的，因此采取先接入芯片CD4067，即16 选1 路模拟开关，共需4 片。模拟开关是一种三稳态电路，它可以根据选通端的电平，决定输出端的状态。

将每16 个光敏二极管的输出编为1 组接入到CD4067，即左上角16 个接入到第1 块模拟开关，左下角16 个接入第2 块，其它依次类推。每块CD4067 的第1 个引脚为输出端，A、B、C、D 4 个引脚分别接到单片机的P2.0、P2.1、P2.2、P2.3 口，如图4 所示。通过单片机这4 个引脚，控制模拟开关的输出口状态，每次选通1 个通道读入，依次循环，直到64 个数据全部读入到单片机内部。

2.2.3 放大模块

光敏二极管输出的信号非常微弱，单片机无法直接读取其信号。因此先将模拟开关的输出通过电压跟随器，然后再接到单片机。电压跟随器的显著特点就是输入阻抗高而输出阻抗低，同时可以保证输出电压与输入电压相等，它能够有效地提高电路带负载的能力。电压跟随器采用四运放集成芯片LM324 实现，单个电压跟随器接法如图6 所示。

图6 电压跟随器

2.3 串行通信模块

为了能让单片机与上位机通信，采用RS232 构成一个标准通信的电路。电路如图7 所示，图中芯片11、12 脚分别与单片机TXD、RXD 相连，13、14 脚分别与上位机TXD、RXD 相连。

图7 串行通信电路

2.4 稳压电源电路

通过直流电源供12 V 左右的电压，经过7805 稳压后供单片机及其它芯片工作，如图8 所示，二极管D2 是防止电源接头反接而设置的，电容C10、C13、C11、C14分别为电源电路输入输出端的滤波电容。R13为发光二极管的限流电阻，发光二极管作为电源指示灯，当电源电路正常工作时，发光二极管被点亮。

图8 电源电路

3 系统软件设计

3.1 下位机程序

图9 下位机程序流程图

系统使用C 语言编写单片机程序，总体可分为两大块，一是读入，二是发送，程序流程如图9 所示。关于读入模块，主要采用循环来实现。64 个光敏二极管的信号送入单片机P1.0 口～P1.3 口，然后由P2.0 口～P2.3 口选通输入信号。通过控制模拟开关的ABCD 4 个引脚，每次选通一路数据读入。由于四块模拟开关的ABCD 4 个引脚都是连在一起的，因此每次选通，都可以读入4 个数据，这样总共循环16 次，刚好可将64 个数据读入单片机。

对于发送模块，将单片机的设置成串口1 工作方式，波特率设置为4 800。通过循环，将64 个在单片机内存储的数据送到缓冲器SBUF，SBUF 缓冲器自动将数据发送到上位机。

3.2 上位机程序

上位机处理程序采用VB 编写。程序功能包括:

(1)用户登陆，可添加、删除用户，修改密码等。

(2)接收下位机上传的数据。

(3)用Access 数据库进行保存并作处理，得到评价结果。

(4)病人基本信息录入。

(5)将病人腕关节转动情况、评价结果以图片形式保存。

(6)医生诊断结果录入。

其主程序流程如图10 所示。

图10 上位机主程序流程图

4 系统运行结果

系统运行界面的功能可分为3 部分:图像显示及评价功能、病人信息录入和诊断、医嘱录入功能。测量前图像为患者手腕转动前的图像轮廓，测量后图像为患者手腕转动后的图像轮廓，提取2 副图像的主干，并对比二者的偏离角度，即可进行手腕康复情况的评价。

限于实验条件所限，光源的问题难以解决。若将腕关节直接放置上去，由于手部是立体的，因此光照到手部会产生阴影投射到光敏二极管上，影响实验的精确性。因此本文采取剪裁一个手腕部模型，采用平面的硬纸板代替手腕，得到实验结果如图11 所示。

图11 系统运行结果

5 结束语

本系统主要包括三大模块:信号的采集、信号的传输、信号的显示。采集部分主要器件为光敏二极管。通过病人手腕的移动改变光敏二极管对于光照的接收，并将光敏二极管接收到的信号通过单片机串行口传输到上位机，由VB 编写的软件对数据进行存储和读取并最终显示，同时通过软件的编写，计算出关节活动的角度，最终达到测量腕关节的活动范围。

本系统不足之处在于手腕部位的图形存在一定的失真度，其原因主要为调试中所使用的灯源不理想。实际临床应用时，可以使用医用无影灯来减小影像方面的干扰。另外，光敏二极管矩阵密度不够大，如欲提高精确度，可以考虑采用16×16 或者更高密度的矩阵。

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