多功能脉冲治疗仪的实现

湖南人文科技学院(设计) 湖南人文科技学院毕业论文(设计) 多功能脉冲治疗仪 摘 要:用纯电路实现的多功能脉冲治疗仪，主要由时序分频器集成电路IC(CD4060与电容和电阻组成的震荡分频器、由时序分频器集成电路IC(CD4060与电阻R1-R8组成三角波电路、脉冲选择放大器、升压电路以及电极组成。脉冲治疗仪采用频率、节律和振幅不断变化的复合波，模拟中医的按摩、推拿，治疗时随着电脉冲信号的变化患部肌肉会产生不断抽动，从而改善人体镇痛、调整内脏功能、提高机能状态，临床运用较多，副作用较小，深受大家宠爱． 关键词：震荡分频器；三角波电路；升压电路；电极；脉冲选择放大器 The multifunctional impulsive therapeutic apparatus Abstract：The multifunctional impulsive therapeutic apparatus mostly be made up of oscillation frequency divider 、triangular waving circuit、impulsing selective amplifier、boosting circuit and electrode.Oscillation frequency divider include sequential frequency divider integrated circuit(IC(CD4060))、capacitance and resistance.Triangular waving circuit is made up of sequential frequency divider integrated circuit(IC(CD4060))and resistance(R1-R8). with usage of the complex which changes continually in frequency、amplitude and rhythm impulsive therapeutic apparatus imitate the massage and manipulation.During the treatment,the changments of the signal of electrical impulse lead to muscular spasm in the affected part.in this way,impulsive therapeutic apparatus can relieve pain ,regulate splanchnic function and improve functional condition.It have more clinical utilize and fewer side effects,so,impulsive therapeutic apparatus are very popular. KeyWords： oscillation frequency divider; triangular waving circuit; boosting circuit; electrode; impulsing selective amplifier 目录 IV第一章引言 IV1．1课题研究意义与背景 V1．2现在研究的主要方向 V1．3 与医学的关系 VI1．4治疗机理 VI第二章 对比与分析 VII2．1方案一 IX2．2方案二 IX2.2.1 纯电路实现的特点 IX2．3方案的对比与选择 X第三章 多功能脉冲治疗仪总体设计 X3．1多功能脉冲治疗仪的基本原理 X3.2振荡分频器电路分析 XI3.2.1 CD4060 XII3．3 三角波形成电路分析 XIII3.4 脉冲选择放大器电路分析 XIV3.5升压电路分析 XV第四章 元器件的选择 XVI第五章 电路安装与调试 XVI4.1 电路安装 XVII4.2 调试 XVII致谢 XVIII参考文献 XVIII附录 正文 第一章引言 1．1课题研究意义与背景 1）研究背景：随着社会经济活动的13益频繁和现代生活节奏的不断加快，社会各阶层越来越广泛的人群已明显地感觉或体会到了精神压力带来的沉重，而由其引发和导致的如精神萎靡、神情恍惚、抑郁焦虚、心烦易怒、动作失调乃至神经紊乱、精神失常和记忆力减退、注意力涣散以及偏头痛、荨麻疹、高血压、缺血性心脏病、风湿关节炎、肩周炎、颈椎病、腰肌劳损、腰腿痛、坐骨神经痛、失眠、中风偏瘫、骨质衰弱、咽喉肿痛、牙周炎、鼻炎、静脉曲张、乳腺炎、手脚麻木、支气管哮喘、月经失调、性欲低下等一系列疾病已呈现出逐年大幅上升的态势．可以说，精神压力迄今已经成为现代社会的一大“隐形瘟疫”，对人们的身心健康构成了相当大的威胁，如不加以重视，其危害和遗患将十分严重． 2）理论意义：随着现代科技发展，经络学与现代高科技的结合，在国内率先采用纳米复合材料，研制出多功能脉冲治疗仪，纳米微一亿的十亿分之一，在常态物质达到纳米级时，其物理与化学性质也发生了质的变化，将纳米材料的这种特性与仪器内部精心设计的永磁、脉冲磁及远红外辐射结合在一起，便产生了一种纳米生物效应场，它可以与人体原始能量场产生“共振效应”，从而可疏通不活跃的经络系统和病灶部位的闭塞状态，同时具有较强的活血化瘀作用。实际意义：随着科技的发展，医学与现代科技的联合，使得医学向更高层次发展，多功能脉冲治疗仪主要有捶打﹑振动﹑推拿﹑自动循环四种模式选择，强度、频率都可以根据个人感觉而进行自行调节，简单小巧、方便随身携带，柔和启动设置。 3）随着电子科技的发展，国内外已经有多家研究机构针对多功能治疗仪的研究已达到了巅峰的进步，如研制出了低周波理疗仪等。我觉得随着现代高科技的发展，人类知识的进步，在原有的基础上，综合现代高科技的技术，在电子产品这一块定能为人类做出贡献，随着现代生活水平的提高，人们针对健康也有自己的见解，所以这也促进了技术往这方面发展，多功能脉冲治疗仪拥有捶打﹑振动﹑推拿﹑自动循环四种模式选择，因此在原有的基础上，定会向着更高的方向发展。 1．2现在研究的主要方向 1）多功能脉冲治疗仪[1]，模拟中医针灸及推拿、按摩、敲打等多种动作，具有舒筋活血、迅速缓解疲劳、恢复肌体等功能，对急慢性周围神经疾病、肌肉损伤等有一定的治疗作用，对失眠、抑郁症、风湿、面瘫等疾病也有一定的辅助治疗．适合中老年人、办公一族、强体力劳动者及体育运动员使用．能产生频率为1-150Hz,幅度为10-70V 的低频低幅脉冲电压，通过两只电极将电压施于患者的病灶部位，使病灶部位微电位得到调节，促其与正常值接近。临床主要用于亚健康人群的理疗康复以及治疗由体力、脑力所引起的头痛头皮麻木、腰酸、背酸、背痛等症状 1．3 与医学的关系 多功能脉冲治疗仪临床治疗机制是[1-3]：人体组织是由水分、无机盐和带电的胶体组成的复杂电解质导电体．当脉冲电作用于机体时，使带电的离子定向运动，消除细胞膜的极化现象，使离子的浓度及分布发生显著变化，从而使组织的生理代谢发生改变；另一方面通过作用于淋巴管壁和血管壁的神经感受器，通过植物神经中枢反射到局部，出现毛细血管的扩张、血管壁的渗透性增加，改善了备注供给和营养，提高组织细胞的生活力，再生过程得到加强，因而，不同的脉冲波形、频率、时间变换、刺激强度具有不同的治疗作用包括人们常说的亚健康状态，此时人体往往表现为大脑较为紧张，表现在身体其他局部，可能会腰酸、背痛、头皮麻木、四肢无力，在这些部位会表现为与人体基点电位之间有微弱的偏差。这是由于病理部位及相应的大脑皮层部位的神经细胞相对处于兴奋状态，频繁或一直处于这样的兴奋状态，带动痛觉反馈给大脑产生疼痛感觉，久之则会有人体疲劳、神经衰弱或抑郁症等症状。 1．4治疗机理 本仪器就是给予人体以一定的微电压，这一电压为低频、低幅脉冲电压，它打乱了神经元的离子泵的紧张输入和输出入状态并重新回复到正常的平衡状态。从而使病理部位电压相对平衡，疼痛及紧张现象消失，达到理疗治病的目的。当外部施加电压时，影响N a 、K 离子(还有Ca 离子)的出入，从而调节神经细胞。 物理疗法即理疗是应用自然界和人工的各种物理因素作用于机体，以达到治疗和预防疾病的目的。随着科学技术的不断进步，理疗仪器得到了迅速的发展，其在医疗中的作用日益突出。所研究的是目前临床上具有重要治疗意义的用O～150Hz低频电流对中频电流进行幅度调制的电疗仪，兼备了低、中频电疗仪的特点，治疗作用明显。具有镇痛、改善局部血液循环、锻练骨骼肌等作用。可用于治疗扭伤、腰疼、颈椎病和各种炎症，亦可用于消除运动后疲劳 第二章 方案对比与分析 实现多功能脉冲治疗仪有很多种方法，主要分为简单的电路实现和单片机控制电路实现。现在就分别就这两种方法进行阐述。 2．1方案一 首先，我对单片机实现多功能脉冲治疗仪进行描述。单片机实现功能的框图如图2.1。 图2.1 单片机实现多脉冲输出原理框图 单片机在控制应用领域中，有如下几方面的优点[4-5]： （1）体积小、成本低、运用灵活、易于产品化，它能方便地组成各种智能化的控制设备和仪器，做到机电仪一体化： （2）面向控制，能针对性地解决从简单到复杂的各类控制任务，因而能获得最佳的性能价格比； （3）抗干扰能力强，适应温度范围宽，在各种恶劣的环境下都能可靠地工作，这是其它机种无法比拟的； （4）可以方便地实现多机和分布式控制，使整个控制系统的效率和可靠性大为提高。 （5）单片机中的存储器ROM和RAM是严格分工的。ROM为程序存储器，只存放程序、常数及数据表格。而RAM则为数据存储器，用作工作区及存放变量。这样的结构主要是考虑到单片机用于控制系统中，有较大的程序存储空间，把已调试好的程序固化在ROM中，而把少量的随机数据存放在RAM中，这样，小容量数据存储器能以高速RAM形式集成在单片机内，以加快单片机的执行速度。但单片机上RAM是作为数据存储器用，而不是当作高速数据缓冲存储器（Cache）用。 （6）采用面向控制的指令系统。为满足控制的需要，单片机的逻辑控制能力要优于同等级的CPU，持别是单片机具有很强的位处理能力。单片机的运行速度也较高。 （7）单片机的I/O引脚通常是多功能的。由于单片机芯片上引脚数有限，了解决实际引脚数和需要的信号线数的矛盾，采用了引脚功能复用的方法，引脚处于何种功能，可由指令来设置或由机器状态来区分。 （8）系列齐全，功能扩展性强。单片机有内部掩膜ROM、内部EPROM和外接ROM等形式，并可方便地扩展外部的ROM、RAM及I/O接口，与许多通用的微机接口芯片兼容，对应用系统的设计和生产带来极大的方便。 （9）单片机的功能是通用的。单片机虽然主要作控制器用，但是功能上还是通用的，可 以象一般微处理器那样广泛应用在各个方面。 基于单片机上述特点，我们使用单片机来控制脉冲电路的幅度和频率将会更加准确，更加便于控制。单片机有硬件和软件构成，硬件和软件都可以控制外接脉冲电路的基本参数。在硬件不改动的条件下，只要通过修改软件的部分参数就可以很好的增加脉冲频率和幅度的变化范围，而且单片机是属于低功耗的集成芯片，可以降低能量的消耗。又由于单片机的可扩展性，可以使脉冲治疗仪更加具有开发其他功能的潜力，增加其适用性。用单片机驱动和控制的脉冲治疗仪，使用的是按键操作，所以增加它的可操作性。单片机的高集成也是单片机控制的脉冲治疗仪具有体积小、便于随身携带的好处，增加了它的实用性。并且可以实现捶打、振动、推拿、自动的功能。 2．2方案二 纯电路方式实现多功能脉冲治疗仪，主要由震荡分频器、三角波电路、脉冲选择放大器、升压电路以及电极组成。它的原理框图如图2.2所示： 图2.2 电路实现多脉冲输出原理框图 2.2.1 纯电路实现的特点 从电子系统要实现的工程功能来看，任何一个工程系统都可以被看成是一个信号处理系统，而信号处理的基本概念实际上就是一种数学运算。数字电路的工程功能，就是用硬件实现所设计的计算功能。不难看出，用模拟电路可以实现连续函数的运算功能，但由于系统的运算功能比较复杂，因此，模拟电路所能实现的系统功能是十分有限的。数字电路与模拟电路不同，数字电路可以实现基本的运算单元。所以，数字电路可以实现各种复杂运算。目前，数字电路已经成为现代电子系统的核心和基本电路，掌握数字电路的基本工作特点和行为特性，是现代电子系统的基础之一。而采用数字电路和模拟电路相结合，可以同时兼备数字电路和模拟电路的优点，不仅可以使设计变得简单，还可以使设计的扩展性增强。同时降低设计电路的复杂度，减少元器件的使用，降低电路的成本。 2．3方案的对比与选择 用单片机和纯电路都可以实现多功能脉冲治疗仪的功能，本次设计的要求是设计并制作一台多功能脉冲治疗仪，使其输出脉冲电压25V，输出脉冲频率1HZ-150HZ，输出脉冲宽度0.05mS-0.35mS。要求实现的功能比较简单，使用纯电路实现比单片机实现更加简单，所需要的元器件比使用单片机时更加简单，数量更加少，价钱更加便宜，它们实现多功能脉冲治疗仪的效果相当。综上所述，我用数字电路实现多功能脉冲治疗仪更加合适，下面就数字电路实现多功能脉冲治疗仪做简单的描述。 第三章 多功能脉冲治疗仪总体设计 3．1多功能脉冲治疗仪的基本原理 电路如图3.1，电路主要由四部分组成，外加附属配件电极[6-8] 图3.1 电路原理图 3.2振荡分频器电路分析 振荡分频器由内置振荡器的时序分频器集成电路IC(CD406O)和电容器C1 、电阻器R 10、R11 、电位器Rp1等组成。CD4060是14位二进制计数器／振荡器电路，接通电源开关S3后，振荡分频器内部的振荡器振荡工作，产生的振荡信号经内部分频后，从IC的15脚输出1O次分频的方波信号。IC的6脚、10脚、13脚和15脚输出的经7次、8次、9次和10次分频的方波信号，由电阻器R1 ～R8组成的电阻网络处理成简单的三角波。 3.2.1 CD4060 CD4060由一振荡器和14级二进制串行计数器位组成，振荡器的结构可以是RC或晶振电路，CR为高电平时，计数器清零且振荡器使用无效。所有的计数器位均为主从触发器。在CP1(和CP0)的下降沿计数器以二进制进行计数。在时钟脉冲线上使用斯密特触发器对时钟上升和下降时间无限制。CD4060引脚如图3.2.1所示： 图3.2.1 CD4060引脚功能图 CD4060内部原理图主要是有6个RS触发器和一些与非门、非门组成。其内部原理图如图3.2.2所示： 图3.2.2 CD4060内部方框图 3．3 三角波形成电路分析 三角波形成电路由时序分频器集成电路IC(CD4060)和电阻器R1 ～R8组成。IC输出的方波信号经电阻器R1 ～R8组成的电阻网络处理成简单的三角波。该三角波信号于IC的15脚输出的方波信号作为两种不同按摩方法的控制波形(方波用来产生强度不变的振动按摩手法，三角波用来产生强度由大到小的按摩手法)，经按摩手法选择开关S3选择及晶体管V1 放大后，从V1 的发射极输出至后级电路。电路原理图如图3.3所示： 图3.3 三角波形成电路原理图 3.4 脉冲选择放大器电路分析 脉冲选择放大器由选择开关S2 、电阻器R9、R12电容器C2、晶体管V1和工作方式选择开关S3、S4等组成。工作方式选择开关S2用来选择敲击与按摩两种工作方式。将S3置于敲击位置时，由IC的15脚输出方波信号直接来控制升压电路(高压发生器)的工作频率；将S2置于按摩位置时，升压电路的工作频率由电阻器R12、W3(T的一个绕组)、电容器C3组成的LRC谐振回路和V1发射极输出信号共同决定。其电路原理图如图3.4所示： 图3.4 脉冲选择放大器 3.5升压电路分析 升压电路由输出放大管V2、升压变压器T、电位器RP2等组成。升压电路工作后，从T 的二次绕组(绕组W2)上产生低频脉冲高压，该电压经电位器RP2控制后，通过两只外接电极片a、b作用到人体的病灶部位(心脏部位和头部禁用)，从而完成按摩或敲击(捶打)动作,升压电路原理图如图3.5所示。 VL为工作状态指示发光二极管。C4为蓄能滤波电容器。电阻器R13、二极管VD和电容器C5组成触发电路。 在治疗工作时，发光二极管VL发光。 调节电位器RP1的阻值或者开关S1，可以改变振荡分频器的工作频率，从而改变按摩动作的节奏。 调节电位器RP2的阻值或者开关S5，可以改变脉冲电压的幅度，从而改变按摩或敲打的强度。 图3.5 升压电路原理图 第四章 元器件的选择 元器件的选择，一定要根据性能要求，正确选择，否则事半功倍。要考虑使用方便、成本低、不易损坏、功耗低、抗干扰、高低电平一致性好的器件。对于CMOS器件，可以与TTL器件混合使用的，为使二者的高、低电平兼容，CMOS器件应尽量使用+5V 电源。但与用+15V供电的情况相比，CMOS器件某些性能有所下降。例如，抗干扰的容限减小，传输延迟时间增长等。因此，必要时CMOS器件仍需+15V电源供电。此时， CMOS器件与TTL器件之间必须加电平转换电路[9]。 集成电路的常用封装方式有三种，即扁平式、直立式和双列直插式，为便于安装、更换、调试和维修，一般情况下，应尽可能选用双列直插式集成电路。 阻容元件的选择：电阻和电容是两种常用的分立元件，它们的种类很多，性能各异。阻值相同、品种不同的两种电阻或容量相同、品种不同的两种电容，用在同一电路中的同一位置，可能效果大不一样；此外，它们的价格和体积也可能相差很大。设计者应当熟悉各种常用电阻和电容的种类、性能和特点，以便根据电路的要求进行选择。 本例中所使用的器件如下： 电阻器R1～R8 选用1／4 W 或1／8 W 的碳膜电阻器。 RP1选用小型合成膜电位器；RP1选用带开关的小型合成膜电位器(与S3为一体)。 C1和C5选用独石电容器或涤纶电容器；C2～C4选用耐压值为16 V 的铝电解电容器。 VD选择IN4007型硅整流二极管。 VL选用φ5 mm 的发光二极管。 V1选用$9O14型的硅NPN晶体管；V2选用3DA401A或2SD4Ol、2N5655、MJE5655型NPN晶体管。 Ic选用CD4060型时序分频器集成电路。 S1选用小型拨动式开关；S2选用双极双位开关。 XS和XP选用夺3.5 mm 的耳机插座和插头。 T使用夺30 mm 的磁罐和 0.14 mm 的高强度漆包线制作：w1绕组绕16匝，w2绕组绕900匝，w3绕组绕10匝。 电极a、b使用成品导电橡胶电极。 第五章 电路安装与调试 4.1 电路安装 根据上面的设计，正确选择好器件，制定安装工艺卡。按照工艺卡的顺序和要求插接元件。集成芯片CD4060、电阻、电容安装全部采用卧式安装；二极管、发光二极管可以采用卧式，也可以采用立式。 4.2 调试 在调试过程中，采用边安装边调试，以便及时发现问题并给予解决 [10]。振荡分频器电路部分元件插接好后，接通电源，从CD4060时序分频器电路的引脚6脚、10脚、13脚和15脚，用示波器观察输出的信号。调试好后再连接下一级电路，最后将电极连接好，再进行整机调试，并作临床试验。 安装技术与工艺的优劣不仅影响外观质量而且影响电子产品的性能，并且影响到调试与维修，因此，必须给予足够的重视。 致谢 本文的工作是在钟明生老师的悉心指导和帮助下完成的。钟老师学识渊博，治学作风严谨，工作兢兢业业; 钟老师的严格要求、谆谆教诲使我受益匪浅。在学校四年的学习生活中，钟老师在学习和生活中给予了我极大地关怀和悉心的指导。从钟老师那里我不仅掌握了基础知识理论，更重要的是还学到了分析问题和解决问题的思想方法。在此，谨向导师致以最衷心的感谢和最诚挚的谢意 在学校的四年中，还有许多老师、同学和朋友都给了我热心的帮助，在此谨向你们表示诚挚的感谢。 最后，我要特别感谢我的父母和家人，是他们一直在默默地关心我、爱护我，是他们在我面临人生重大选择的时候鼓励我、支持我。我今天的成绩凝聚着他们的无私奉献殷切希望。 参考文献 [1] 陆为民，卢宁．生理学I-M']．上海：复旦大学出版社，2005 [2] 蔡建新，张为真．生物医学电子学I-M]．北京：北京大学出版社，1997 [3] 谢永林，王溶泉．理疗机械学I-M]．北京：人民军医出版社，1999 [4] 张鑫.单片机原理及应用[M].北京：电子工业出版社，2005.8 [5] 楼然苗，李光飞.单片机课程设计指导.北京：北京航空航天大学出版社，2007.7 [6] 罗安奇．常用医疗诊断电子仪器I-M．1．南京：南京大学出版社，1995 [7] 赵负图．数字逻辑集成电路手册[M]．北京：化学工业出版社，2005：276—280 [8] 全新实用电路集萃丛书编辑委员会编著．医疗保健应用电路集萃I-M]．北京：机械工业出版社，2005：84—90 [9] 彭介华. 电子技术课程设计指导.北京：高等教育出版社，1997 [10] 马全喜．电子元器件与电子实习I-M]．北京：机械工业出版社2007：167—208 附录 II III _1366030565.vsd � � � 震荡 分频器 三角波 电路 脉冲选择放大器 升压 电路 电极 _1366048103.dwg _1366049386.dwg _1366049466.dwg _1366047845.dwg _1364801698.vsd � 键盘输入 单片 机控 制单 元 液晶显示 电源供电 脉冲 发生 电路 人体