基于AT89S52的野戰便攜式中頻治療系統的設計

劉 琳 蔡雪花

戰傷救護是為戰時減少傷亡、迅速恢復戰斗力以保持戰爭實力而必須采取的一項重要措施[1]。在戰傷救護過程中，出現的貫通傷、盲管傷、擦傷、骨折等各種創傷，在急救處理和手術后仍需要漫長的治療和理療過程，才能促進傷員康復的進程，而中頻治療系統在傷員的治療和理療過程中能夠起到重要的作用[2]。

中頻治療系統的中頻電流不僅能夠改善后局部組織的血液循環，組織水腫減輕，炎癥產物的吸收和排除加速，局部組織的營養和代謝增強，免疫防御機能提高；而且能夠刺激擴大細胞與組織的間隙，使粘連的結締組織纖維、肌纖維、神經纖維等活動而得到分離，達到軟化疤痕、松解粘連[3]。除上述治療作用外，中頻治療系統還有刺激運動神經和肌肉引起正常骨骼肌和神經肌肉收縮、鍛煉肌肉、防止肌肉萎縮的作用，并提高平滑肌張力、引起平滑肌收縮和調整植物神經功能的作用[6]。傳統的中頻治療系統采用市電供電，結構笨重，設備功耗較大，在面對野戰醫療和機動醫療的特殊環境下，不便于攜帶操作；由于內置電池的使用時間問題，有些傷員需在戶外做康復理療，幾乎不可能[7]。為此，本研究設計野戰便攜式中頻治療系統，不僅能夠滿足醫院門診、康復理療的運用，還能夠適合野戰醫療條件下，戰時傷員的治療康復的運用。

1 中頻治療系統設計路線和實現

系統采用AT89S52為主控芯片，通過振動電路產生各種治療波，運用于各級戰時疾病的治療作用，整個控制模塊集成化設計，盡可能降低功耗；該設備不僅可以采用市電供電還內置以串聯的方式連接兩個12 V、7 Ah的鉛酸電池供電，可以采用市電充電，也可以采用光伏充電，可以在野外或者戶外調節下，完全擺脫市電的束縛，實現野外或戶外治療康復運行[8]。

系統主要包括中頻信號設計模塊、供電模塊，通過中頻信號設計模塊輸出各種治療波形作用在電極片上；供電模塊采用內置蓄電池供電，一種可以采用市電充電模塊，一種采用光伏充電模塊，光伏充電模塊主要包括太陽能電池板、太陽能充電器，其系統結構如圖1所示。

圖1 中頻治療系統結構示意圖

1.1 硬件設計

系統采用的主芯片為AT89S52，是一款低功耗、高性能金屬氧化物半導體(complementary metaloxide semiconductor，CMOS)的8位微控制器。內置8 K字節Flash，256字節隨機存儲器(random access memory，RAM)，32位I/O口線，看門狗定時器，2個數據指針，3個16位定時器/計數器，一個6向量2級中斷結構，全雙工串行口，片內晶振及時鐘電路。此外，AT89S52可降至0 Hz靜態邏輯操作，支持2種軟件可選擇節電模式，空閑模式下，中央處理器(central processing unit，CPU)停止工作，允許RAM、定時器和(或)計數器、串口、中斷繼續工作，在掉電保護方式下RAM內容被保存，振蕩器被凍結，單片機一切工作停止，直到下一個中斷或硬件復位為止[9](如圖2所示)。

圖2 中頻治療系統控制電路系統框圖

1.1.1 電源電路設計

系統采用的供電電壓為+5 V電壓，市電通過變壓器降低+9 V，經過D1、D2、D3及D4整流，通過C1、C2進行濾波，再通過穩壓芯片LM7805進行穩壓，最后輸出+5 V電壓給系統供電[10](如圖3所示)。

圖3 中頻治療系統市電電源電路圖

系統內置2個12 V、7 Ah的鉛酸電池，便于傷員進行戶外康復治療。該電池可以采用市電進行充電，也可以采用太陽能進行充電(如圖4所示)。

圖4 中頻治療系統市電充電電路圖

圖4 顯示，市電經過變壓器，再整流后通過穩壓芯片LM7824輸出+24 V給蓄電池充電，蓄電池可以通過R3限壓，再通過穩壓芯片LM7805、C7濾波輸出+5 V給本系統供電[11]。鑒于野戰醫療的特殊環境，為了適應野戰供電，系統可以采用光伏充電。光伏充電系統包括2塊光伏電池板、光伏充電器、蓄電池、中頻治療系統等(如圖5所示)。

圖5 中頻治療系統光伏充電系統結構圖

光伏電池板接收陽光后產生的電壓經過C1穩壓，在經過Q1、Q2開關管進行調制，經過變壓器變壓輸出+24 V電壓給電池供電，D1為穩壓管，R5和R6進行輸出電壓采樣，反饋到Q1上，進而控制Q1的導通角，控制變壓器的初級電壓，光伏充電模塊電路如圖6所示。

圖6 中頻治療系統光伏充電器電路圖

1.1.2 系統電路設計

中頻治療系統采用的波形頻率為1000～100000 Hz，通過1000～100000 Hz的中頻電路作用于人體，人體受到電刺激后神經系統會釋放一些具有鎮痛效應的物質，達到鎮痛的作用。系統采用的主控制芯片為AT89S52，采用正弦波發生器產生正弦波，通過AT89S52調制電路，產生連續調制波、間隙調制波、變頻調制波三種波形，再通過功率放大電路、電壓器隔離電路、雙通道輸出電路作用在電極片上[12]。其信號調制電路結構如圖7所示。

圖7 中頻治療系統信號調制結構圖

正弦波發生器產生的正弦波通過主芯片進行調制，經過Q1、Q2、Q3、Q4進行功率放大，通過變壓器T1進行隔離輸出到兩個電極片上；輸出電流可以通過電位器R8進行調節，控制輸出電流的大小，輸出電流的大小可以顯示在電流表A1上，其中頻治療系統輸出信號電路如圖8所示。

圖8 中頻治療系統輸出信號電路圖

1.2 軟件設計

系統開機后進行系統的初始化并掃描按鍵，在確定治療方案過程中，必須確定治療時間、治療功率和治療波形才能輸出電流。在治療過程中，顯示器顯示治療值，并計時治療時間，當治療時間到時，報警電路報警，提示患者治療結束，其主程序如圖9所示。

圖9 中頻治療系統主程序流程圖

2 中頻治療系統臨床應用

野戰便攜式中頻治療系統操作簡單，便于攜帶，且有多種供電方式，患者可以根據自身要求選擇治療地點。系統通過100例門診治療和50例野戰醫療、機動醫療治療測試，患者可以根據自身的傷病情況，選擇合適的治療時間、治療功率和治療波形，能夠滿足患者的治療要求。該系統配備光伏充電系統，可滿足戰時傷員野外治療的特殊要求[13]。中頻治療系統臨床應用測試效果見表1。

表1 中頻治療系統臨床應用測試效果

系統在野外治療過程中，通過光伏充電系統進行充電，整個中頻治療系統可以完全離開市電的情況下，在野戰長時間的運用治療。在戶外治療過程中，采用光伏充電模塊充電，其充電曲線如圖8所示。

圖10 中頻治療系統光伏充電電壓曲線圖

系統的光伏充電系統采用2塊并聯的光伏電池板接收太陽光，這樣太陽能電池板輸出的電壓最大可達36 V，通過太陽能充電器輸出26 V給蓄電池充電，在野外充電測試中，從圖8的電壓曲線圖，充滿該系統的蓄電池需要的時間大約為3.5 h，可以滿足患者在野戰醫療或者戶外的治療使用[14]。

3 結語

中頻治療系統在治療過程中，對促進患者局部血液循環、鍛煉肌肉、軟化疤痕、松解粘連、消炎、鎮痛等有著良好的療效。本系統針對目前大部分中頻治療系統依賴市電、功耗高、不方便攜帶等特點，面臨野戰醫療、機動醫療等特殊環境和有些傷員想戶外治療的特殊要求，設計一種野戰便攜式中頻治療系統，該系統采用內置鉛酸電池供電，并可以采用光伏充電系統進行充電，達到野外或者戶外治療的目的。整個系統功耗較低，不受物理環境的束縛，操作簡單，自由度高，適合戰時傷員的野戰醫療和普通患者的戶外治療活動[15]。