基于单片机的超短波理疗仪电路系统设计

李亚年，王云光，2

（1.上海理工大学医疗器械与食品学院，上海 200093；2.上海健康医学院 医疗器械学院，上海 201318）

0 引言

超短波治疗仪是一种传统的治疗仪器，它是采用电子管振荡产生超短波高频电场来进行治疗的仪器设备［1］。通常将波长为1～10m、频率为30～300MHz的射频电流称为超短波电流，用于临床称为超短波疗法［2］。超短波治疗的积极因素是电磁场的电成分，其治疗作用主要是超短波对组织带电粒子的热效应和振荡效应［3-4］。临床实践证明，超短波治疗还可以应用于颈椎病、脊髓损伤等神经系统疾病［5-6］。

超短波理疗仪作为一种传统的医疗仪器，在康复医疗领域越来越重要。国内的超短波理疗产品主要有D2-C-Ⅱ型五官科超短波治疗机、DL-C-B 型柜式超短波治疗机、DL-C-M 型脉冲式超短波治疗机等［7］，这些超短波理疗仪调谐方式均为手动调谐，输出超短波频率为27.12MHz，体积大，操作难度高。国外的仪器较为先进，如美国DJO、日本丸高等［8］，其智能化程度高于国内。我国对理疗仪的研究较多，如王志成等［9］研制出基于频率自动跟踪的便携式超声理疗仪；杨依华［10］对超短波理疗仪系统设计进行了综述并提出4 种测控系统性能指标。随着医疗科技的不断发展，对医疗器械数字化、智能化、精准度以及便携性要求越来越高。作为一种较为传统的医疗设备，超短波理疗仪在临床中应用越来越重要［11］。本文针对国产超短波理疗仪的不足开发了一种新型数字化超短波理疗系统，实现超短波理疗系统的数字化控制，提高了系统的稳定性和安全性。

1 硬件系统设计

1.1 硬件流程设计

超短波理疗系统总体设计架构如图1 所示。超短波理疗仪由单片机控制系统、电源电压采样模块、调压控制模块、超短波发生模块、外部输出接口模块、调谐电路采样模块、调谐电路控制模块组成。

Fig.1 Overall architecture of ultrashort wave therapy instrument system图1 超短波理疗仪系统总体架构

整体硬件流程为：开机后系统初始化，随后进入预热阶段，预热完成后通过数显板显示治疗强度和时间，设定治疗强度等级和治疗时间后，单片机通过控制高压电路继电器的开关调节治疗强度，此时超短波发生模块产生功率为40.68MHz 正弦波，自动调谐模块通过采集电路信号输送给单片机，单片机通过调节可变电容矩阵完成输出电路的自动调谐［12］。

1.2 电源模块

超短波理疗仪供电部分分为低压供电和高压供电两部分，其中低压供电用于供电给单片机微控制器等芯片运行，高压供电用于超短波产生模块运行，产生超短波。

低压供电电路如图2 所示。通过变压器将220V 市网交流电压转化为9V 副边电压，副边电压通过桥式整流滤波电路进行整流滤波处理，处理后的电流由交流电转化为5V直流电，再经过三端稳定器MC7805C 进行稳压处理，得到5V 直流电［13-14］。高压供电电路同样采用桥式整流滤波电路对变压器副边电压进行处理，原理相同。

Fig.2 5V DC voltage regulator circuit图2 5V 直流电压稳压电路

1.3 超短波发生模块

超短波发生模块以两个三极电子管为核心，采用推免式自激振荡电路产生40.68MHz的超短波。超短波发生电路如图3 所示。三极电子管灯丝由变压器副边输出5.9V 电压进行供电，用于显示电子管的工作状态和开机前预热。三极电子管与电阻R10、R11，电感L1、L2为自激振荡电路的基本元件，利用电子管的栅极反馈产生正弦波等幅振荡信号［15］。自激振荡通过两电感线圈L1、L2之间的互感作用，使三极电子管阳极端和振荡端产生360°的相位差，从而形成推免式自激振荡，稳定输出频率为40.68MHz 超短波。图3 右侧部分为超短波输出电路，L6、L7两电感通与超短波发生电路之间的互感作用将信号输出，输出端分别接有两块电极板作用于人体。

Fig.3 Ultra-short wave generating circuit图3 超短波发生电路

1.4 输入和显示模块

输入和显示模块电路如图4 所示。显示模块主要由HD7279 芯片构成，拥有8 个数码管显示治疗时间和治疗强度，治疗强度分为P0-P5共6 个级别。其中P0为空挡，即未启用治疗，治疗时间最长为30 分钟，默认时长为10 分钟，显示单位精确到秒。与显示模块功能匹配，输入模块由7个按键连接单片机实现，包含P+，P-，T+，T-，开关机，开始治疗，复位。其中P+、P-用来调节治疗强度，T+，T-用来调节治疗时间，治疗时间按键每次改变1 分钟，强制中断可以使用复位键重置治疗强度和治疗时间。

1.5 自动调谐模块

由于电路在谐振状态下输出功率能达到最大值［16］，因此当开始治疗时电路应处于谐振状态，但由于人体阻抗值不同，不能保证每次工作电路均处于谐振状态，因此需要对电路进行调谐处理。振荡电路频率公式如下：

Fig.4 Circuit of input and display modules图4 输入和显示模块电路

当电感值L 与电容值C的乘积改变时，频率f 也会改变，由图3 可知，电感值L 为L6+L7，为固定值，所以需要改变电容值C 来使电路达到调谐状态［17］。

自动调谐模块由输出信号采集电路和高压输出电路的继电器控制两部分组成，信号采集电路如图5 所示。信号采集电路的采集端与输出电路线圈平行且同轴，通过电磁感应原理可知，两线圈会有同样的电压信号产生，采集信号后通过低通滤波电路和包络检波电路将信号传入ADC8032 模数转换芯片，将电路模拟信号转化为数字信号并传输至单片机主控芯片。

Fig.5 Output signal acquisition circuit图5 输出信号采集电路

1.6 主控芯片及外围电路

选用STC的51 单片机STC89C54RD+芯片作为主控芯片，该芯片具有16KB的Flash 内存、1280B的RAM 和16K的EEPROM［18］，能够满足本设计主控芯片控制的6 个主要模块需要，且性价比高。

主控芯片的外围电路主要有时钟电路、自动下载电路、单片机复位电路等，其电路图如图6、图7、图8 所示。时钟电路采用频率为12MHz的石英振晶，为单片机提供计时等功能。自动下载电路采用CH340G 芯片，可将软件程序烧写入单片机，复位电路用于初始化单片机。

Fig.6 Clock circuit图6 时钟电路

Fig.7 Automatic download circuit图7 自动下载电路

Fig.8 Reset circuit图8 复位电路

2 系统软件设计

系统软件流程如图9 所示。

Fig.9 Software system flow图9 系统软件流程

本文设计的治疗工作流程如下：开机后初始化单片机，三极管灯丝预热一分钟，预热结束后设置治疗强度和治疗时间，设置完成后按开始键开始进行治疗，变压器向超短波发生模块提供相应档位的电压值，调谐检测电路在接收到电压信号后进行模数转换，将数据发送到微控制器，随后可变电容改变电容值，检测电路继续发送信号给微控制器，微控制器判断电压已达最大值时计时器开始工作。显示模块进行倒计时，计时结束或者按复位键强行停止即回到预热后的初始状态，一次治疗结束。

3 自动调谐原理

本方案采用步进法作为调谐算法。步进法即逐步逼近法，其与直接搜索法最大的不同是有针对地选择起始点，有条件性地逐步扩大或缩小范围，直到找到最优解。算法流程如图10 所示。通过找到常用谐振点确定初始谐振点在60PF，通过增加1PF 电容来比较测得电流值大小。电流值变大则继续增加，直至找到变小前的点，即为谐振点，调谐结束；电流值变小则减小2PF 电容，若变小60PF 则为谐振点，若变大则继续减小1PF 电容，直至找到变小前的点，同理为谐振点，调谐结束。

Fig.10 Flow of automatic tuning by step method图10 步进法自动调谐流程

4 实验数据与结论

通过示波器对超短波理疗仪的不同治疗强度输出波形进行采集，得到波形图如图11 所示。5 个治疗等级的波形频率均在40MHz 左右，且输出波形稳定，振幅随等级增加而增加，因此满足治疗要求。

Fig.11 Waveforms of 5 different treatment intensity levels图11 5 个不同治疗强度等级波形

5 结语

数字化超短波理疗仪电路系统以单片机为核心，配合电源电压采样模块、无线通信模块、调压控制模块、超短波发生模块、外部输出接口模块、调谐电路采样模块、调谐电路控制模块进行超短波治疗，相比传统的模拟电路能够更方便智能地操作和使用理疗仪。本文详细介绍了系统的软件控制流程。通电实验、仿真测试表明，本设计能顺利完成超短波作业治疗，仪器运行正常，达到了预期的治疗效果。医疗器械在未来会以智能化、自动化为发展目标，因此单片机和嵌入式仍是智能医疗设备的潮流，本设计在智能化、自动化方面还有短板，需进一步提高，引入物联网是理疗仪的发展方向。