多功能理疗保健仪的研制_石建国

现代医学仪器与应用 2008 年第 20 卷第 3 期 Modern Medical Equipment and Application Vol 20. No. 3 Oct. 2008 1 引言 随着人们生活水平的提高和健康意识的增强，兼 具康复治疗和保健、美容功效的电子理疗设备受到广 泛欢迎，迅速普及到一般家庭。 目前市场上销售的电子理疗设备不下数千种， 但相当一部分存在功能单一、 智能化程度低、 疗效 欠佳等问题。 为此， 经过认真论证和反复实验， 我 们研制出一款以 AVR 单片机为核心， 集雾化吸入治 疗、 室内杀菌消毒、 皮肤护理、 电疗、 按摩、 体温 测量、 脉搏测量功能于一体的新型理疗保健仪。 该 仪器既可单独使用， 也可连接 PC 机， 利用上位软件 进行数据处理和参数下载， 为进一步提高治疗效果 创造了条件。 2 系统组成 多功能理疗仪由 ATmega169P单片机、人机交互设 备、PC通信接口、3个理疗模块（超声雾化、电疗、按摩）、 2个测量模块（体温、脉搏）构成，总体结构如图 1所示。 ATmega169P 是 AVR 系列中的一款中高档 LCD 型单 片机， 内含 16kB Flash程序存储器、1kB数据存储器、 512B E2PROM、4×25 段 LCD 驱动器、54 个多功能 I/O 口、3个带预分频器和比较输出的定时/计数器 （可提供 4 路 PWM）、22 个中断源、8 路 10 位 A/D 转换器以及 USART、SPI、USI、WDT、低压监视器等部件。丰富的片内 资源，优化的 CPU结构，保证了 ATmega169P执行输入 输出控制、人机交互、数据传送等多项任务的实时性。 图 1 也同时给出了单片机口线分配，这里充 分利用了不同口线的特殊功能，以简化系统软硬件设 计。 下面以超声雾化和电疗模块为重点，介绍该理疗 仪的具体实现。 多功能理疗保健仪的研制 石建国 陈永海 王丽娟 [摘 要] 介绍的多功能理疗保健仪利用高性能 ATmega169P 单片机实现对超声雾化、电疗、按摩、体温 测量、脉搏测量共 5 个功能模块的控制与处理，可通过 LCD 显示屏、轻触按钮查看和设置工作参数，还可借 助计算机进行数据处理、参数配置、处方下载等操作。具体阐述了该理疗保健仪的系统组成、硬件电路和软件 流程。 [关键词] 单片机；ATmega169P；理疗仪；超声雾化器；电疗 Development of a multi-purpose physiotherapy and health care apparatus SHI Jianguo, CHEN Yonghai, WANG Lijuan （Zhongshan Institute, University of Electronic Science and Technology of China, Guangdong, Zhongshan 528402, China） [ABSTRACT] This paper introduces a multi-purpose physiotherapy and health care apparatus which takes ATmega169P microcontroller as the core to control five functional modules including ultrasonic fogger, electrother- apy, massage, thermometer and heart rate meter. The work parameter could be displayed and set with LCD panel and buttons. This physiotherapy apparatus could either be independently used or connected with PC to carry out data process, parameter configuration and prescription downloading. The system structure, hardware circuit and software flowchart is described in detail. [KEY WORDS] Microcontroller; ATmega169P; Physiotherapy apparatus; Ultrasonic fogger; Electrotherapy 作者单位:电子科技大学中山学院,广东,中山 528402 ·论著· ·7· 现代医学仪器与应用 2008 年第 20 卷第 3 期 Modern Medical Equipment and Application Vol 20. No. 3 Oct. 2008 3 硬件实现 3.1 理疗模块 3.1.1 超声雾化模块： 图 2 为超声雾化模块的具 体电路。 以三极管 T11为核心的振荡电路通过压电换 能器 TD产生 1.7 MHz 的超声波， 超声波穿过水槽中 的水和雾化杯底部的透声膜，使杯中药液产生空化效 应，形成直径 1～5 μm的细微雾粒，再借助送风装置和 螺纹管输送至医用面罩进行吸入治疗或面部皮肤护 理[1]，也可喷射到室内空间进行加湿或杀菌消毒。 单片机通过 PB7 输出频率为 15 kHz 而脉宽可变 的 PWM 信号，经光电隔离、功率驱动和低通滤波后为 T11提供基极偏流，实现雾量调节功能。 直流风机 MT 的转速与雾量大小保持同步，具体由单片机 PB4 口控 制（也采用 PWM 方式）。液位开关 K1的状态通过 PF6 读入单片机，缺水状态下令雾化模块停止工作，并给 出报警提示。 图 2 中使用了两个光耦器件，以消除振 荡电路和感性电机负载对单片机的反向干扰，确保系 统可靠工作[2]。 Fig 2 Ultrasonic fogger schematics 图 2 超声雾化模块原理图 Fig 1 Block diagram of the physiotherapy apparatus 图 1 理疗仪的总体结构框图 ·8· 现代医学仪器与应用 2008 年第 20 卷第 3 期 Modern Medical Equipment and Application Vol 20. No. 3 Oct. 2008 3.1.2 电疗模块： 电疗模块由软件波形发生器和 图 3 所示的信号调制与驱动电路构成，图 4 为电路各 点的基本信号波形。 单片机在软件控制下， 由 PF0、 PF1 输出两相低频脉冲信号 [3]，通过三极管 T8、T9 对 PB5 输出的中频载波进行调制， 已调波加到 T3、T4、 T5、T6 构成的 H 桥驱动电路进行功率放大，最后通过 医用电极输出，作用于人体穴位或病变部位[4]。 T1、L1、 D1、 C1 构成升压变换电路， 单片机通过 PB6 输出 15 kHz 脉宽可变的 PWM 信号， 使升压电路的输出 （即 H 桥工作电压）在 60~120 V 之间变化，起到调节 刺激强度的作用。 电疗模块已固化 60 种经验波形的数字编码，亦 即处方。 每种处方由多个波形参数（低频信号的脉宽、 周期、持续时间、休止时间、两相低频信号的间隔、中 频信号的频率、已调波的幅度）的静态值及其变化特 性的数字描述构成， 采用带起止标志的非等长编码， 以节省存储空间。 需要添加新处方时，可借助配套的 上位软件在计算机上进行配置，再通过串口下载到单 片机 ， 单片机程序会将新处方编码存放在片内 E2PROM 中，并自动更新处方索引。 3.1.3 按摩模块：按摩模块的执行部件是 12 V 直 流电机。 由单片机 PB3输出的低频调制 PWM 波经光 电隔离和功率驱动后使电机以规定的转速和间歇比 运转，再通过弹簧轴带动偏心轮，产生相应力度和节 奏的按摩动作。 按摩电机驱动电路的结构与雾化器风 机类似。 3.2 测量模块 体温测量采用高灵敏度 NTC 热敏电阻。 先利用 单片机 ADC5 测量热敏电阻与 10 K 精密电阻的分压 值，转换为电阻值以后，再代入 R-T分段线性关系式， 即可得到对应的体温。 脉搏测量模块由 HTD 压电传感器、 电压放大 器、 低通滤波器和整形电路构成。 单片机通过 PB2 接收数字脉搏信号， 利用引脚中断和定时器对最新 若干个相邻脉冲累积计时， 实时换算为以 min 为单 位的脉搏数。 Fig 3 Modulation and H-bridge drive circuit of the electrotherapy module 图 3 电疗信号调制与 H 桥驱动电路 Fig 4 Waveform of the electrotherapy module 图 4 电疗模块工作波形 ·9· 现代医学仪器与应用 2008 年第 20 卷第 3 期 Modern Medical Equipment and Application Vol 20. No. 3 Oct. 2008 3.3 人机交互设备 理疗仪设有 8 个按键，其中 3 个可令系统进入雾 化、电疗或按摩模块的参数设置状态，4 个用来对每个 理疗模块的两个参数进行增减设置，还有 1 个用于输 出允许或关闭。 每个按键独自占用单片机的一根口 线，且都具有中断功能，提高了系统响应的速度。 双色发光管和蜂鸣器用于状态指示 （水槽缺水、 自检出错、按键提示等），可由单片机 PF2、PF7 和 PF3 三根口线直接驱动。 ATmega169P 内部自带 LCD 驱动器， 通过 4 根 COM 线和 25 根 SEG 线与开模定制的 100 段液晶面 板相连接。 LCD 工作电源由驱动器提供，只需在 AT- mega169P的 LCDCAP引脚对地接一个 1μF电容。LCD 屏幕显示效果见图 5。 4 程序设计 理疗仪通过单片机程序实现各功能模块的运行 控制与参数设置，以及人机对话和 PC通信功能。同硬 件一样，程序也采用模块化设计方法。 主模块为循环 结构，根据需要调用不同层次的子模块，如 LCD 显示 模块、输出控制模块、按键处理模块，程序运行期间还 将根据不同的中断事件执行相应的处理操作。 主模块 的流程结构如图 6所示。 理疗仪程序设计使用 C 语言开发工具 ICCAVR， 代码在 AVR Studio 环境下利用 JTAG ICE 进行仿真 调试与编程。 PC 上位程序采用 C++ Builder6.0 开发 而成。 5 总结 该理疗仪充分利用 AVR 单片机出色的控制性能 和丰富的片内资源，以模块化的软硬件设计实现了多 种理疗和测量功能。 ATmega169P内建的 LCD驱动器 改善了人机界面，同时降低了硬件成本。 支持联机操 作的开放性设计拓展了理疗仪的应用范围，不仅可满 足一般家庭中理疗保健、美容护理的需要，也是医院 开展康复治疗和实验研究的理想器械。 参考文献 [1] 林书玉, 杨月花. 医学超声治疗技术研究及其应用[J]. 陕西 师范大学学报(自然科学版), 2004, 32(2): 117-122. [2] 潘新民, 王燕芳. 微型计算机控制技术[M]. 北京: 人民邮电 出版社, 1999: 250-251. [3] 范能胜. 便携式尿失禁电刺激治疗仪的研制 [J]. 现代医学 仪器与应用, 2007, 19(2): 69-71. [4] 沙宪政, 霍纪文. 新一代低频电治疗仪的研制[J]. 医疗设备 信息, 2003, 18(2): 7-9. Fig 5 LCD display 图 5 LCD 显示画面 Fig 6 Flowchart of the main program 图 6 主程序流程图 ·10·