基于AT89C51的超聲波治療儀控制核心電路

殷 杰

（四川理工學院自動化與電子信息學院，四川 自貢 643000）

1 引言

超聲波是振動頻率高于20kHz的機械波，當超聲波進入人體組織時，會產(chǎn)生機械效應、溫熱效應和理化效應等生物效應。超聲波的這些作用可軟化組織、提高代謝、刺激神經(jīng)系統(tǒng)和細胞功能，因此超聲波具有獨特的治療意義，尤其在類風濕性關節(jié)炎病變和關節(jié)、肌腱、韌帶的退行性病變的治療方面具有較好療效[1]。傳統(tǒng)的超聲波治療儀主要依靠治療師的經(jīng)驗來手動設置超聲波強度和治療時間，在臨床大量使用時存在一定的局限性，也不適于在家庭使用。

本文介紹的超聲治療儀器控制核心電路采用AT89C51單片機來實現(xiàn)控制要求，用以保障超聲波的治療效果，避免人為因素造成的超聲波能量過大、機體受傷等問題。原始的超聲激勵信號由單片機的晶振產(chǎn)生，經(jīng)分頻后產(chǎn)生1MHz方波，此方波經(jīng)單片機控制信號調(diào)制后，變成頻率為100Hz的脈沖方波。方波信號首先經(jīng)過一個正弦波發(fā)生電路，并用波形控制電路控制它的工作，得到連續(xù)正弦波和調(diào)整正弦波，然后將此信號送入放大器進行電壓調(diào)整，最后由功放來激勵超聲換能器，使探頭能夠發(fā)射出足夠聲強的超聲波。超聲波治療儀的控制核心電路方框圖如圖1所示。

圖1 超聲治療儀控制核心電路方框圖

2 波形控制電路設計

波形控制電路要在波形控制信號的作用下，控制正弦波發(fā)生電路工作在連續(xù)或脈沖狀態(tài)，使其能夠分別輸出連續(xù)正弦波和脈沖重復頻率F=100Hz、占空比D=10%、基頻f=1MHz的調(diào)制正弦波，并且實現(xiàn)兩種波形的切換。

如圖2所示，首先用NE555組成一個頻率F=100Hz、占空比D=90%的脈沖發(fā)射電路，再經(jīng)過74HC04反相器，可以得到D=10%的脈沖波，最后將它輸入到正弦波發(fā)生電路中NE555的RESET腳。RESET腳與控制系統(tǒng)中單片機的一個 I/O 口相連，接收波形控制信號。當輸入為“0”時，3 腳輸出為“0”，則74HC04輸出為“1”，正弦波發(fā)生電路持續(xù)工作，輸出f=1MHz的連續(xù)正弦波；當輸入為“1”時，3腳輸出D=90%的脈沖波，則74HC04輸出D=10%的脈沖波，正弦波發(fā)生電路工作在脈沖狀態(tài)，輸出F=100Hz、D=10%、f=1MHz的調(diào)制正弦波。

3 電壓調(diào)整電路設計

運算放大器和多路選擇器在步進調(diào)整信號的控制下，對正弦波發(fā)生電路的輸出信號進行電壓放大和調(diào)整，使其滿足前級驅動電路對信號的要求，并實現(xiàn)輸出電壓的步進調(diào)整。將正弦波發(fā)生電路輸出信號放大 2～4 倍，輸出電壓峰峰值最大要達到20V。此處選用單位增益帶寬達到26MHz的高速運放AD825組成同相放大電路，如圖3所示。

圖2 波形控制電路

電壓的調(diào)整是由單片機來控制的，然而單片機采用+5V電源供電，輸出高電平為+5V，無法達到+15V供電的CD4051的控制輸入端電平要求，因此必須將單片機的輸出電平抬高。±15V供電的雙運放芯片TL072可以將+5V的電壓放大到至少+12V，以滿足CD4051對控制輸入信號電平的要求。這樣，當單片機I/O口P3.7和P3.6輸出的步進調(diào)整信號為“00”、“01”、“10”、“11”時，可以調(diào)整放大器輸出電壓分別達到10V、14V、17V、20V，實現(xiàn)發(fā)射聲強的調(diào)整。

4 溫度傳感器

超聲波輻照于機體后，對機體產(chǎn)生生物效應，其中最明顯的就是超聲的機械效應和熱效應，熱效應可以使機體聲場區(qū)域產(chǎn)生升溫，適當控制溫升溫度和溫升區(qū)域，可實現(xiàn)局部加熱治療的目的；而過大的超聲波能量導致的高溫則有可能對機體造成傷害。通過檢測治療部位的溫升情況可以掌握超聲治療的效果。

設計中采用接觸式溫度傳感器DS18B20進行體表溫度測量，在-10℃～+85℃溫度范圍內(nèi)，其精確度可以達到±0.5℃，適用于體表溫度測量[2]。在使用中，將它安置在超聲發(fā)射探頭附近，與接受超聲輻射部位附近的皮膚緊密接觸，測得該處的體表溫度。用戶可以分別設定各路溫度的上、下限，并寫入隨機存儲器RAM中，利用報警搜索命令和尋址功能，可迅速識別出發(fā)生了溫度越限報警的器件。DS18B20具有1-wire總線結構，僅需一根數(shù)據(jù)線與主控設備相連，通過此引腳進行數(shù)據(jù)的讀寫操作，另外兩只引腳分別接電源和地。單片機通過P3.4口與DS18B20相連，控制其正常工作，并讀取其測溫數(shù)據(jù)。

圖3 電壓調(diào)整電路

5 主控單元設計

本系統(tǒng)采用AT89C51單片機作為主控單元。AT89C51是一款廉價的單片機，它具有4kB的片內(nèi)程序存儲空間（ROM）和128字節(jié)的用戶可支配數(shù)據(jù)存儲空間（RAM），32個I/O口，2個定時/計數(shù)器中斷，2個外部中斷，工作頻率最高可達24MHz[3]。

由于本設計中不需要很精確的時間控制，因此外接一個12MHz的無源晶振，使AT89C51的一個機器周期約為1μs；按鍵S0、電容C2、電阻R1和R2共同組成高電平復位電路，按鍵閉合則實現(xiàn)復位。單片機的I/O口P0.3～P0.0與7段顯示譯碼器的譯碼輸入端相連；P1.6～P1.4與2位共陰極數(shù)碼管相連；P1.3～P1.0與3位共陰極數(shù)碼管相連；P2.7～P2.0檢測按鍵輸入；P3.7、P3.6控制放大器電路增益；P3.5控制波形控制電路的工作；P3.4實現(xiàn)與溫度傳感器的通信；P3.2接收外部中斷輸入；P3.1、P3.0控制4只LED指示燈的亮滅。

AT89C51的P3.5口與波形控制電路中NE555的RESET腳相連，通過輸出“1”和“0”使波形控制電路處于工作和不工作狀態(tài)，輸出超聲波為調(diào)制波和連續(xù)波。AT89C51的P3.7和P3.6口分別與雙運算放大器芯片的兩個同相輸入端相連，通過輸出“00”、“01”、“10”、“11”這4種組合，調(diào)整電壓放大電路的4級增益，最終實現(xiàn)輸出聲強的調(diào)節(jié)。

圖4 單片機各引腳與外圍電路連接圖

此外，自動模式下還可調(diào)用溫度比較子程序，將測得的溫度值與設定的溫度閾值進行比較，當測溫值高于溫度閾值高值時，輸出調(diào)制波；當測溫值低于溫度閾值低值時，輸出連續(xù)波；當測溫值處于溫度閾值范圍內(nèi)時，維持輸出波形不變。溫度閾值是預先設定并儲存在數(shù)據(jù)表RNGH和RNGL中的，每一組溫度閾值具有一個相同的查表偏移量。設定溫度閾值，測量人體溫度，進行溫度比較，自動轉換波形。

通過本文控制核心的設計，可以避免超聲波輻射過量對人體造成傷害，比傳統(tǒng)的手動控制超聲治療儀更具安全性，適合家庭用戶使用和大規(guī)模使用。

[1]崔建國，韋云隆，王洪. 超聲治療學在生物醫(yī)學工程中的應用[J]. 重慶工學院學報（自然科學版），2007，21(5)：111～114.

[2]張軍. 智能溫度傳感器DS18B20及其應用[J]. 儀表技術，2010，4：68～70.

[3]高偉. AT89單片機原理及應用[M].北京：國防工業(yè)出版社，2008.