基于工業(yè)觸摸屏光動(dòng)力治療儀控制系統(tǒng)的應(yīng)用研究

沈良++曾慶燕++陳靈明++楊青

摘 要：文中基于工業(yè)觸摸屏控制系統(tǒng)，使用液晶屏設(shè)計(jì)人機(jī)交互界面。分析了利用單片機(jī)的串口與觸摸屏控制系統(tǒng)通信，獲取了光動(dòng)力治療儀運(yùn)行的主要參數(shù)，并通過紅光和藍(lán)光分別控制光動(dòng)力治療儀的運(yùn)行。結(jié)果表明，該儀器的各項(xiàng)功能指標(biāo)均可滿足設(shè)計(jì)要求，效果良好。

關(guān)鍵詞：觸摸屏；單片機(jī)；光動(dòng)力治療儀；控制系統(tǒng)

中圖分類號：TP13 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：2095-1302（2016）11-00-03

0 引 言

操作比較簡單的光動(dòng)力治療儀是新一代光動(dòng)力治療設(shè)備之一，對于痤瘡（又名青春痘、粉刺等）患者而言，這是一種比較理想的治療儀器，不僅治療效果好，還沒有明顯的痛苦。80%以上的痤瘡患者都明白這是發(fā)病率很高的皮膚病之一，從醫(yī)學(xué)的角度來講，這是一種毛囊皮脂腺的慢性皮膚病。光動(dòng)力治療儀通過紅、藍(lán)光照射作用，達(dá)到治療痤瘡的目的。我們在研發(fā)過程中發(fā)現(xiàn)：當(dāng)使用625 nm的紅光照射痤瘡時(shí)，可以起到消炎消腫，鎮(zhèn)痛等作用，從而使創(chuàng)面愈合，加快血液的循環(huán)作用；而使用415 nm的藍(lán)光照射痤瘡時(shí)，大量的單態(tài)活性氧釋放出來，卟啉從皮膚酶質(zhì)內(nèi)被激發(fā)出來，集中所有能量一起消滅痤瘡丙酸桿菌，從而達(dá)到治療痤瘡的目的。現(xiàn)在市場上售賣的紅光治療儀存在成本高、性能不夠穩(wěn)定、操作不易、工作時(shí)間短等缺點(diǎn)，因此具有工業(yè)控制屏且可人機(jī)交互的光動(dòng)力治療儀具有更加廣泛的市場前景。從外觀我們可以看出，光動(dòng)力治療痤瘡為LED面罩式設(shè)備，可以根據(jù)臨床實(shí)際情況考慮選擇紅光還是藍(lán)光進(jìn)行治療，也可以局部或大面積全部治療，且更換不同的治療頭十分方便，但仍存在以下不足：

（1）采用人工電位按鍵開關(guān)方式進(jìn)行紅藍(lán)光的選擇，沒有人機(jī)界面；

（2）使用人工記時(shí)器進(jìn)行記時(shí)，無法實(shí)時(shí)顯示紅、藍(lán)光使用時(shí)間（分或小時(shí)）；

（3）記時(shí)結(jié)束沒有倒記時(shí)提示或報(bào)警鈴聲。

我們的研發(fā)基于工業(yè)觸屏方式，采用單片機(jī)STC12C5A60S2作為控制系統(tǒng)以控制光動(dòng)力治療儀的紅、藍(lán)光。研究光動(dòng)力治療儀的實(shí)現(xiàn)原理并設(shè)計(jì)了光動(dòng)力治療的控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)紅光光強(qiáng)調(diào)節(jié)、治療時(shí)間調(diào)節(jié)、報(bào)警系統(tǒng)、優(yōu)美的人機(jī)交互界面等功能。

1 光動(dòng)力治療儀控制系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)

1.1 光動(dòng)力治療儀總體介紹

根據(jù)對熱能、光能、化學(xué)能和磁場效應(yīng)等的反復(fù)實(shí)驗(yàn)，我們知道在治療過程中激光扮演著非常重要的角色。光動(dòng)力治療儀通過激光來刺激痤瘡的表面，深入經(jīng)絡(luò)穴位，使得靶組織細(xì)胞壞死或凋亡。或者通過刺激和影響細(xì)胞的作用，使病變組織脫落，恢復(fù)正常的形態(tài)和功能，而并不影響附近的正常組織和細(xì)胞。光動(dòng)力治療儀外觀圖如圖1所示。光動(dòng)力治療儀系統(tǒng)框圖如圖2所示。

半導(dǎo)體發(fā)光二極管（LED）是光動(dòng)力治療儀的發(fā)光體，也是新一代光動(dòng)力治療的專用光源。波長范圍為紅光630±10 nm、藍(lán)光417±10 nm。中心功率密度為紅光85 mW/cm2±20% 藍(lán)光105 mW/cm2±20%，與現(xiàn)已上市的同類儀器相比，該儀器采取了二次光學(xué)設(shè)計(jì)，使LED的輻射角度壓縮在30°以內(nèi)，大大提高了單位面積的光功率。

我們要先將控制程序?qū)懞茫缓髮懙絾纹瑱C(jī)STC12C5A60S2中，并將其作為光動(dòng)力治療儀的控制系統(tǒng)。單片機(jī)啟動(dòng)工作后，根據(jù)人機(jī)界面的上位機(jī)工業(yè)觸屏（迪文K600+）治療功能的選擇來控制兩個(gè)繼電器的開關(guān)，開啟/關(guān)閉紅/藍(lán)光源，并控制時(shí)間長短及報(bào)警鈴聲。控制電路與人機(jī)界面采用串口通訊，使用RS-232接口，通訊使用115 200的波特率。

1.2 光動(dòng)力治療儀硬件電路設(shè)計(jì)

我們使用宏晶科技的STC12C5A60S2單片機(jī)作為硬件設(shè)計(jì)的主控芯片，該芯片內(nèi)置兩個(gè)串口、支持PWM，可以控制輸出功率、支持內(nèi)部E2PROM，可存儲出廠設(shè)計(jì)和功率校正參數(shù)等。

利用K600+工業(yè)觸摸屏和MPU進(jìn)行串口通信，數(shù)據(jù)交換，控制MPU并顯示相應(yīng)的狀態(tài)和數(shù)值。

需要控制紅光工作時(shí)，工業(yè)觸摸屏發(fā)送指令給MPU，MPU打開U2繼電器，將36 V電源接通紅光燈頭，再由MPU控制發(fā)出PWM信號以控制功率管的導(dǎo)通/斷開比值，控制燈頭的功率。光動(dòng)力治療儀電氣原理圖如圖3所示。光動(dòng)力治療儀PCB板設(shè)計(jì)圖如圖4所示。

需要控制藍(lán)光工作時(shí)，工業(yè)觸摸屏?xí)l(fā)送指令給MPU，MPU打開U1繼電器，將24 V電源接入藍(lán)光燈頭。

設(shè)備出廠時(shí)，將不同功率等級的PWM數(shù)值存入MPU的E2PROM中，用戶使用時(shí)，從E2PROM中調(diào)出相應(yīng)的數(shù)據(jù)控制功率管，再現(xiàn)出廠時(shí)的功率。

2 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

人機(jī)交互系統(tǒng)是人與光動(dòng)力治療儀的通信系統(tǒng)，通過人機(jī)交互系統(tǒng)可以對治療儀進(jìn)行操作，可設(shè)置治療時(shí)間，調(diào)節(jié)治療頭高度，顯示治療剩余時(shí)間并報(bào)警等。

人機(jī)操作界面（工業(yè)觸屏采用迪文K600+的串口屏）將編寫好的操作界面圖片和程序通過SD卡方式寫到觸屏的寄存器中，通過觸屏操作將指令發(fā)至單片機(jī)控制系統(tǒng)，單片機(jī)則根據(jù)人機(jī)操作指令將操作結(jié)果發(fā)至顯示屏。實(shí)際使用工業(yè)屏顯示界面優(yōu)美，操作簡單，人機(jī)操作交互界面良好。

2.1 人機(jī)界面設(shè)計(jì)

工業(yè)觸屏人機(jī)界面主程序流程圖如圖5所示。工業(yè)觸屏的人機(jī)界面切換流程圖如圖6所示。

圖7所示的控制系統(tǒng)所需的人機(jī)界面顯示畫面先由圖片處理軟件生成BMP格式的界面，然后在PC機(jī)上使用迪文軟件編輯器，將編輯好的圖片和操作指令生成程序文件，通過SD卡將BMP圖片文件、觸控配置文件、變量配置文件等多個(gè)文件寫到觸屏的寄存器中并加載到觸摸液晶屏中，這樣我們就可以通過串口發(fā)送指令將編輯的畫面顯示出來。本控制系統(tǒng)中所需要的全局位圖及局部位圖可以在此軟件下編輯并下載到觸摸液晶屏中以供調(diào)用并顯示。

2.2 程序設(shè)計(jì)

設(shè)置指令通訊協(xié)議。工業(yè)觸控指令操作參數(shù)如表1所列。工業(yè)觸控顯示調(diào)用參數(shù)如表2所列。

部分單片機(jī)內(nèi)部控制程序如下：

/******************************************************

函數(shù)原型：switch_picture（char picture）

函數(shù)功能：切換顯示畫面

輸入?yún)?shù)：char picture畫面編號

輸出參數(shù)：無

******************************************************/

void switch_picture（uchar picture）

{ // A5 5A 04 80 03 00 64

uchar xdata write_register[] = {0xA5，0x5A，0x04，0x80，0x03，0x00，0x00}；//寫HMI的寄存器

uchar temp；

ES=0；//關(guān)閉串口中斷

write_register[6] = picture；

for（temp=0；temp<7；temp++）

{SBUF = write_register[temp]；

while（！TI）；TI=0； }

ES=1；

WDT_CONTR=0x36；

}

/******************************************************

函數(shù)原型：UART_（void）interrupt 4

函數(shù)功能：串口中斷，接收從工業(yè)屏發(fā)出的指令

輸入?yún)?shù)：無

輸出參數(shù)：無

人機(jī)界面通信協(xié)議：起始代碼A5 5A

******************************************************/

void UART_（void）interrupt 4

{uchar temp=0；

ES=0；//關(guān)閉串口中斷

while（！RI）；

receiving_receive[0]=SBUF；

RI=0；

if（receiving_receive[0]==0xA5）

{while（！RI）；

receiving_receive[1]=SBUF；

RI=0；

if（receiving_receive[1]==0x5A）

{while（！RI）；

receiving_receive[2]=SBUF；

RI=0；

temp=3；

while（temp <= receiving_receive[2]+2）//接收命令字節(jié)數(shù)

{while（！RI）；

receiving_receive[temp]=SBUF；//接收數(shù)據(jù)

RI=0；

temp++；

WDT_CONTR=0x36； }

}

INT_UART（）；

ES=1；//打開串口中斷

WDT_CONTR=0X36；

}

3 結(jié) 語

目前美容醫(yī)療方面對紅藍(lán)光治療儀尤為青睞，也將其廣泛應(yīng)用于臨床治療中，因此研究穩(wěn)定、性價(jià)比高的、操作方便簡單的光動(dòng)力治療儀控制系統(tǒng)非常有必要。我們的研究集合了觸摸屏控制系統(tǒng)和人機(jī)交互界面，利用單片機(jī)的串口與觸摸屏控制系統(tǒng)通信來獲取光動(dòng)力治療儀運(yùn)行的主要參數(shù)，并通過紅光和藍(lán)光分別控制光動(dòng)力治療儀的運(yùn)行。雖然實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明各項(xiàng)功能指標(biāo)均滿足設(shè)計(jì)要求，效果良好，但光動(dòng)力治療儀屬于醫(yī)療器械，而醫(yī)療器械要求很高，需要在控制系統(tǒng)中保存治療者的信息并存入網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫，以便后期與醫(yī)療企業(yè)進(jìn)行深入探討，加大資金的投入和技術(shù)改進(jìn)。

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