基于STC12C5A60S2单片机的中低频脉冲理疗仪的设计

基于51单片机的中频脉冲治疗仪设计

赵鹏飞

新疆维吾尔自治区阿克苏技师学院机电技术系 843000

摘要

随着电疗科学理论研究的不断深入，中频脉冲电流治疗技术的潜力被迅速开发，中频治疗仪在大众医院和百姓家庭广泛应用。在研究、检测和对比数十款主流中低频治疗设备的基础上，我们集众家之长、另辟蹊径、极力优化，成功设计出了这台中低频脉冲治疗仪。下面是其设计思路和关键技术的说明。

关键词：单片机中频治疗设计

1中低频脉冲治疗技术

1.1中低频治疗法

中低频脉冲治疗全称为“低频调制中频脉冲治疗”，是将低频信号用中频电流信号进行调制，然后通过专用电极作用人身的特定部位，利用电流对细胞的刺激作用和热效应治疗疾病的方法（简称MMFE）。该方法是现代分子学、细胞学、神经学和传统中医学理论的深度融合，对颈椎病、腰椎病、骨性关节病、关节炎、肩关节周围炎、腰背肌筋膜炎、周围神经伤病、神经痛、胃肠张力低下、尿潴留、术后肠麻痹、术后粘连、瘢痕增生等疾病疗效明示，相比药物和手术疗法具有创伤小、费用低、副作用小、可靠性高等特点。

1.2中低频治疗仪现状

中频治疗仪是进行脉冲电流治疗的主要医疗设备，其核心功能是产生波形、频率和幅度可调的脉冲电流。目前市场上销售的中频治疗设备功能单一、技术陈旧、外形笨重，而且控制精确低、价格昂贵、人机交互性能较差。

针对以上不足，我们以更高的控制精度、更多的功能整合、更好的人机交互性能和更简捷的整体设计为突破点，精心选择、验证和优化每一个工作单元的结构，最终完成了整机的方案设计和性能测试。

2中低频脉冲治疗仪的设计

2.1系统整体架构设计

我们将系统整体设计划分为三个部分：系统硬件电路设计、单片机控制程序设计和产品外形结构设计。系统硬件结构设计和电路参数优化是前期设计工作的核心，经反复调整和优化最终确定的硬件电路结构示意图如下：

图1 中频治疗仪电路硬件结构示意图

2.2系统主要模块设计

2.2.1单片机模块

综合考虑系统I/O资源、软件资源、可靠性和经济性要求，选用STC12C5A60S2-DIP40型工业级单片机作为核心控制器，用外部12.0MHz晶振电路提供固定时钟，LM2596S-ADJ型DC/DC 稳压电路提供高可靠5V电源，采用外部上电自动和手动强制双重复位电路，正确设置单片机I/O工作模式。

2.2.2 D/A转换模块

D/A转换模块的主要功能是将MCU输出的数字调制信号转换为模块波形。DAC0832LCN是较为常用的8位数模转换芯片，具有并行数据输入、双锁存缓冲、精度高、速度快等特点，配合集成运算放大电路对波形进行转换和调整。

2.2.3中频调制模块

用MC1496P模拟乘法器搭建双边调幅电路，将DA转换后的调制信号用中频方波进行调制，从而产生2～12.5KHz中频SSD调制信号。时域波形的包络由单片机数字调制信号确定，应用单片机进行数学函数就可以产生任意调制波形。

2.2.4功率放大模块

经实验强度在15～90mA的中频脉冲电流对治疗比较适宜，TDA7297是非常成熟的一款集成功率放大IC,具有功率大、效率高、频带宽、信噪比和性价比高等优点。用TDA7297为核心芯片搭成功率放大模块，将SSD信号功率进行放大，并且使用数字电阻调节电路实现输出功率连续可调。

2.3单片机程序算法设计

2.3.1可调中频载波发生算法

中频载波是2～12KHz的方波信号，将单片定时器T1设置为1T/8位自动重装/定时/中断允许模式，这样调整T1的初值将中断脉冲从I/O输出，加之波形调整和放大电路就可以得到频率可调的中频脉冲信号，经推算定时器T1的初值和载波频率之间存在以下函数关系,中频信号频率调整分辨率为2.08Hz。

D_T1 = 0.48*f + 59056 (2.08

2.3.2可调低频调制信号发生算法

应用Matlab软件丰富的函数运算指令，生产三角、正弦、锯齿、指数、阶跃等函数单周期的函数值序列，采样间隔为1，采样点为256个，归一化到0～255之间，然后以短整数组格式保存为TXT文档。将单片机定时器T0设置为1T/16位自动重装/定时/中断允许模式，这样调整T0的初值就可实现中断脉冲在0.042～210Hz之间可调，频率分辨率为0.042Hz。调制信号频率与T0初值之间存在以下线性关系：

D_T0 = 23.37*F + 60622 （0.042

3系统仿真与综合调试

3.1系统电路设计与定型

为提高系统设计效率、减低开发成本，采用了“电脑仿真+模块调试+整合定型”的设计思路。首先，在Multisim 软件中搭建各个功能模块，待调试成功后进行整体仿真调试；然后根据仿真调试电路采购样片、制作电路模块实物、进行实物调试；最后根据实物调试的电路参数完成PCB和单片机程序定型。

3.2电路性能和参数检测

在软件仿真、模块调试和整机优化的各个阶段都密切监控系统关键参数，最终确保了系统电气参数特性达到设计标准，关键点信号波形如下图：

图2 系统关键点信号波形图

4总结

从系统整机硬件架构设计、单元设计、仿真调试、模块调试、整机设计到系统优化定型，经历了三个多月的风雨历程，最终完成了这台中频脉冲治疗仪的硬件电路和单片机程序设计。经检测关键参数均达到预先设计的范围，较同类产品实现了控制精度更高、功能更全、人机交互更方便的目标。往后我将在模式化治疗方案和极端条件下的安全性两个方面作进一步的研究和完善，努力将该设计方案转化面向商场的产品。

参考文献

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【2】/link?url=NSP4Fn7NtRfYOsxUiUOxwS5ubHSkuOMy512zrqYqQ4jB BCBK1xMNc3CwUNaXJCkmLhzsllM6g9g5jfsAykR8HK