基于单片机的超短波理疗仪控制系统

王科 王云光 程海凭 王鑫

摘 要：为实现超短波理疗仪的数字化控制，提出一种超短波理疗仪控制系统方案。该方案以单片机为控制中心，包含低压模块、高压模块、市网电压稳压模块、超短波发生模块、调谐模块、输入和显示模块，详细介绍了软件控制流程。经过通电测试，仪器正常运行，测试结果证明该控制系统可行。

关键词：超短波理疗仪;数字化控制;控制系统;单片机

DOI：10. 11907/rjdk. 181911

中图分类号：TP319文献标识码：A文章编号：1672-7800（2019）003-0118-03

0 引言

超短波理疗仪是基于超短波疗法研制的一种康复医疗设备，应用波长为1～10m的超高频交流电作用于人体组织以达到治疗目的，是一种物理疗法，称为超短波疗法，也称超高频电场疗法[1]。超短波治疗可使人体组织产生热效应[2]，热效应能够加速细胞繁殖，促进血液循环，对消炎和伤口愈合治疗效果明显[3-5]。临床实践证明，超短波治疗还可应用于颈椎病、脊髓损伤等神经系统疾病[6-7]。

“中國制造2025”把高性能医疗器械列为未来重点发展的十大领域之一[8]，智能化是今后医疗器械行业的发展方向。作为一种传统的康复医疗设备，国内生产的超短波理疗仪主要由模拟电路控制，体积大、操作复杂、精确度较低，而国外已经基本实现了数字化控制，以美国DJO公司生产的1602超短波理疗仪最为先进，其由嵌入式控制，触摸屏显示，智能化程度相对较高。国内超短波理疗仪研究成果主要有：种晓晨[9]针对电源完整性和信号完整性对超短波理疗仪进行抗干扰和电磁兼容性设计;程继旺[10]基于dsPIC30F6010数字信号控制器设计了超短波理疗仪的检测系统，降低了输出信号的信噪比;杨依华[11]对超短波理疗仪系统设计进行综述并提出了4种测控系统性能指标;肖洪[12]利用半导体固态源代替电子管作为高频振荡源。这些研究多基于模拟电路控制进行硬件优化设计，对超短波理疗仪的数字化控制研究有限。本文设计一套基于单片机的超短波理疗仪控制系统，实现了超短波理疗仪的数字化控制。

1 系统总体设计

超短波理疗仪控制系统总体设计如图1所示，该系统主要由单片机控制单元、电源模块、输入模块、显示模块、调谐模块、超短波发生模块组成，单片机微控制器控制各模块的有效运行。治疗档位和治疗时间通过输入按键输入并由数码管显示，治疗结束时会发出报警提醒。仪器开始运行后，调谐电路采样模块在超短波输出端实时检测功率，将采样数据发送至单片机计算，判断电路是否达到谐振状态。如果没有达到，单片机就发出指令调节调谐电容使超短波谐振电路产生谐振[13]。

2 系统模块

2.1 电源模块

超短波理疗仪的超短波由高压供电产生，控制部分由低压供电实现，系统电源模块由低压供电模块和高压供电模块组成。

2.1.1 低压供电

仪器控制部分所需供电电压为直流5V电压，为了将220V、50Hz的市网交流电转化为稳定的5V直流电，本方案接入一个降压变压器，经过半波整流和滤波，然后通过稳压芯片7805进行稳压，从而给电路板上的控制芯片提供稳定的驱动电压[14]。低压供电模块主要给单片机芯片和电路中的其它芯片供电。

2.1.2 高压供电

为产生多种输出功率，满足不同治疗剂量需求，仪器采用机床控制变压器供电。该变压器共有6组交流电输出端，每组输出168V交流电，可实现多个档位的切换。168V交流电同样需要整流滤波，其原理和低压模块整流滤波原理类似，经过整流桥和滤波电路后输出的直流电为：

变压器的每组输出端分别连接一个继电器，继电器通过驱动芯片ULN2003和光偶隔离芯片TLP521-4与单片机连接。ULN2003是一种耐高压、大电流的达林顿阵列，常应用于步进电机、继电器等大电流驱动元件[15]。TLP521-4主要应用于隔离模拟电路对数字电路中单片机的电磁干扰[16]。TLP521-4芯片除了能隔离电磁干扰还能控制ULN2003芯片输入电压。当单片机输出低电平“0”时，TLP521-4芯片CE不通，输出为高电平“1”，即ULN2003芯片输入端为高电平，继电器被驱动，变压器输出对应的高压。按此原理，单片机通过输出高低电平控制继电器的通断，选择不同的治疗档位。当6组变压器全部接通时为最高档位，最大输出电压约为1 425.53V。

2.2 市网电压稳压

由于受负荷增加等影响，市网电压并不完全稳定在220V，有可能激增到240V，也有可能降低到180V[17]。为了使输出功率更加稳定，在高压电源模块中必须对输入的市网电压进行检测，使市网电压稳定在220V上下，避免短时过高的电压损坏元器件。本系统选用ADC0832数模转换芯片进行电压采集。ADC0832是一种8位D/A转换器，最高分辨率可达256级，片内有输入数据寄存器，直接与单片机接口连接[18]。所选机床控制变压器共有4个输入端，分别为0V、12V、196V、220V，这4个输入端分别连接一个继电器，继电器的驱动设计同高压供电模块。ADC0832芯片实时读取转换后的数值，并通过程序转换成幅值显示在数码管上。当ADC0832采集到的电压值U>184V时，变压器输入端接入0～220V，当172V

2.3 超短波发生模块

热效应是人体组织在高频电场中产生的，本系统的超短波发生模块采取推挽式自激振荡电路，利用两个三极电子管震荡产生40.68MHz的高频电场。发射线圈两端接出两块电极板，振荡的高频高压信号从发射线圈传出，然后通过这两块电极板以电磁波的形式输出高压高频能量。超短波的产生需要高压环境，本机可供选择的高压共有5种，分别对应5种不同的治疗强度。

2.4 调谐模块

由振荡电路频率[f=12πLC]可知，调谐有两种方法：①改变电感L;②改变电容C，本机采用改变调谐电容C的方法进行调谐。超短波理疗仪工作在谐振状态时输出效率最高[19]，因此必须进行调谐。调谐模块由功率检测和阻抗调谐两部分组成。功率检测用于检测电感线圈的输出功率，阻抗调谐用于调节功率输出电路中调谐电容大小，当检测到的功率为最大值时停止调节调谐电容。

2.5 输入与显示

显示模块包含8个数码管，显示治疗档位和治疗时间，治疗档位和治疗时间通过4个微控按键，利用51单片机的外部中断1进行输入，按键和数码管由HD7279芯片控制。HD7279具有串行接口的智能显示驱动芯片[20]，可同时驱动8位共阴数码管和连接多达64键的键盘矩阵。当有按键按下时，外部中断1被触发，在中断1程序中HD7279智能芯片检测到按键值，判断治疗档位大小和治疗时间长短。输入模块还包括启动按键和强制关闭按键，强制关闭按键按下将触发外部中断0，在外部中断0程序中关闭仪器，外部中断0的优先级要高于外部中断1。该控制系统的治疗时间由定时器1控制，开机预热时间由定时器0控制。单片机中断控制情况见表1。

治疗档位共有5档，默认治疗档位为空挡，显示为P0，档位输入包含P+、P-两个按键，分别对应档位增加和档位减小。最长治疗时间设置为30min，默认治疗时间是10min，最小时间单位精确到秒，时间输入包含T+、T-两个按键，分别对应治疗时间的增加和减小，每次增加或减小时间为1min。复位按键直接连接单片机的复位端口，当按下复位按键时，数码管显示初始治疗时间和治疗档位。

3 控制系统软件流程

本机选用STC89C54RD+芯片作为系统控制核心。STC89C54RD+支持最高时钟达到80M，并且支持6时钟周期模式运行，具有ISP在线系统编程功能，拥有16K ROM和1k RAM以及20个管脚[21]。该仪器需要控制6个模块，每个模块需要控制的端口不要求运算高速度和大内存，价格相对便宜的STC89C54RD+芯片完全满足要求。控制系统软件流程如图3所示。

超短波理疗仪工作过程如下：机器上电运行，初始化单片机，打开总中断，设置外部中断0、外部中断1为下降沿触发，定义定时器T0、T1均为工作方式1;模数转换芯片ADC0832采集市网电压并通过数码管显示，单片机根据采集到的电压值控制机床变压器4个输入端的通断进行稳压;开启定时器T0，仪器预热1min;通过按键触发外部中断1，输入治疗档位和治疗时间并在数码管上显示;按下开始按键，单片机根据输入键值开启相应的高压控制继电器，向超短波发生电路输入电压;按下开始按键之后，自动调谐程序实时采集检波电路电压并调节调谐电容，同时开启定时器中断T1，治疗计时程序开启;当计时结束或按下强制关闭按键触发外部中断0（高优先级）后，仪器停止工作，数码管显示初始治疗档位和治疗时间，此时程序结束。

4 结语

基于单片机的超短波理疗仪控制系统以数字化形式控制仪器运行，代替了传统的模拟电路控制方式，更方便智能地实现了对仪器的控制。经过上电测试，该控制系统可顺利完成软件流程，仪器运行正常。

超短波疗法在炎症治疗方面应用较广泛，对软组织受伤治疗效果更佳，已经被广泛使用。单片机功耗较低，价格便宜，速度快，在康复医疗设备中的应用越来越广。本文介绍了以单片机为核心的超短波理疗仪控制系统，以及该系统的低、高压供电模块，市网电压稳压设计方案，超短波发生模块、调谐模块、输入和显示的实现以及详细的软件控制流程。智能化是今后康复理疗设备的发展方向，单片机和嵌入式将会在智能理疗设备领域扮演更重要的角色。该控制系统可扩展性高，在输入、显示、自动调谐等方面可向更智能化和多样化方向扩展。

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（责任编辑：杜能钢）