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基于单片机的智能电疗仪设计

时间:2016-08-17 12:03:00 编辑:知网 阅读:

摘  要

电脉冲理疗仪是一种模拟中医推拿和针灸的医疗设备,它可以输出频率、间隔、幅值不断变化的脉冲以实现治疗功能。设计出治疗功能多样、便携性好、功能配置便捷、易于操作的电疗仪可以让大量有中医按摩、针灸与保健需求的用户方便的进行治疗。

本设计为基于单片机的智能电疗仪,具体设计模块有单片机系统控制模块、LCD显示模块、报警模块、电源模块、放大模块、按键模块。系统通电后,用户设置理疗的时间、幅度,在LCD液晶屏上显示相关参数。当时间结束后,报警响,电疗仪停止工作,脉冲强度受占空比影响,占空比越大,输出强度越大。脉冲理疗仪的作用就是通过电流作用于患部穴位,使人体疼痛得到缓解。本设计基本能实现脉冲发生的功能,并且操作简单,便携易用。

1 绪论

 

1.1 课题研究的目的与意义

中医是我国民族文化的瑰宝,源远流长。中医诊治疾病主要使用望、闻、问、切四种手段,治疗方式多样,包括拔罐、按摩、针灸、食疗等方式。其中流传最广,使用效果最佳的两种方法就是针灸和按摩,其中针灸在2006年经国务院批准被列为第一批国家非物质文化遗产。针灸,顾名思义包含针法和灸法两个部分,针法(又称针刺法)是在经过中医理论研究后,将毫针刺入人体经络节点(即穴位),通过提插,捻转等手法对穴位进行刺激疏通以达到治疗目的。经统计,人体共有361个正经穴位;灸法就是将事先制好的灸炷放在人体的穴位上进行灼烫,利用热量刺激穴位疏通,达到治疗目的,因为经常使用灸疗的材料是艾草,所以又称为艾灸。按摩。又称为推拿,是中国历史最悠久的一种医疗手段。它以中医经络理论为基础,通过人手指在身体的不同穴位灵活运动(揉、搓、推、捏等),拿到缓解肌肉疲劳,促进血液循环,减小伤处疼痛等作用[1]。按摩分为医疗按摩、保健按摩和运动按摩。医疗按摩可以治疗外科和内科疾病,对发育疾病,功能性疾病作用良好;保健按摩是通过反射的方式影响神经体液分泌,从而实现消除疲劳的效果;运动按摩现如今使用也较广泛,在运动员比赛前,训练前进行按摩,可以有效地消除紧张,舒缓肌肉。针灸和按摩治疗效果极佳,但需要良好的中医理论学习与技术培训,学习与治疗周期较长,一般人没有精力和时间进行学习和坚持治疗。因此,如果研制出能够代替中医师的简单医疗仪器,就能让大部分患者实现在家里就能自行治疗,意义重大。

20世纪70年代以来,单片式微型计算机(简称单片机)一经面世,就因其具有非常高的研发前景及较低廉的开发成本,引起了大家的广泛关注和研究兴趣。单片机的优点众多,其中代表性的几点是体积较小、重量较轻、抗干扰能力较强、且环境要求低、价格相对便宜、可靠性较高、灵活性较好、开发也相对简单等。正因为其众多优点集于一身,在我国对于单片机的应用场景已非常广泛,如机电一体化设备、自动化控制、智能仪器仪表、电力电子和家用电器等领域,而51系列单片机是各类单片机中极具代表性的一种。本次设计以对它的学习和研究为基础,所选的核心控制单元是Atmel公司的89系列芯片,加上必要的外围硬件设备,设计了一个简单的以单片机为基础的脉冲理疗仪。

作为一种应用广泛的医疗设备,目前电疗仪在社会上,医院中乃至大家每个人的日常生活中都担任着极其重要的角色。本次设计过程使用Atmel公司的89系列51单片机设计的电疗仪。它通过单片机产生频率不断变化的电路转化成不同的波形,将输出信号施加到身体各个关节穴位上,变化的频率使人体各个穴位受到刺激,从而达到治疗病体的目的。本次设计的系统具有优点较多,如硬件设计选型较简单、工作过程相对稳定、成本相对低廉等。

本文以对单片机的学习和认知为基础,通过设计过程对理论知识加以应用,从而达到巩固和更深一步理解所学理论知识的目的。由于这次设计是电路设计过程,因此就必须按照电路设计的原则来一步步进行设计。对于一个电路设计过程来说,首先应该根据设计要求想出可能使用的系统设计方案,将几种方案与要求比较选出最适合的一种(综合考虑设计成本与所学知识的局限性),选定系统后对系统各个功能模块进行评估分析,再进一步的对各个模块进行具体的设计。首先进行硬件电路设计,此时要根据设计需求考虑好要用何种元件(比较选优)是否使所求功能得以实现,定好元器件后列出其具体的设计参数,从而得出完整的硬件电路。硬件电路设计完成后,软件设计依照对应的硬件模块设计对应功能模块,先完成程序流程图的设计,心中做到对整个运行过程的了解。根据完成的流程图对各个模块编程设计,编程过程要不断反复地调试程序、运行程序、更正错误,直至程序无误且既定功能得以实现。最终将软件与硬件结合进行调试、运行并修改,最终测试其功能实现,并且要反复考虑测试中遇到的问题,找到错误原因,并将这些问题一一处理掉。这个过程应该有较高的反复性并绝不放过任何一个微小的问题,绝对无误够才算完成本次设计的功能要求,达到本次设计的最终目的。

1.2 课题发展历程与研究现状

1.2.1 电疗技术的发展与应用

在公元6世纪,中国的针灸技术传到日本、韩国等地,17世纪传入欧洲。由于历史的因素,电疗技术首先在外国发展起来,从萌芽到发展再到传遍全世界,用了不多2个世纪的时间。

在国外,1810年,法国医生白丽沃兹(Louis Berlioz)第一次提出了针上加电的想法,1825年,萨朗蒂埃(Sarlandiere)第一次将白丽沃兹的想法付诸现实,他尝试用电针治疗了神经和风湿痛[2],1915年,戴维斯(Darts)应用电针术缓解坐骨神经痛[3]。19世纪20年代,戈尔登(Goulden E.A.)医师尝试电针治疗神经炎,并获得了值得肯定的疗效。这是电针用于疾病治疗的开始。

相比外国,我国的电疗技术始于19世纪30年代后,起步较晚。

1934年,我国专业针灸期刊《针灸杂志》第一次发表文章介绍了电针治疗用于临床的情况,但在当时没有人对它的医疗效果表示肯定,以至于应用并不广泛。建国后,1951年,陕西医师朱龙玉结合西医中的刺激肌肉的感应圈,制造出第一台电针机(陕卫式电针机),这次中西医并用的成果治疗效果明显[13]。1956,《中国医学杂志》发表“电针疗法”文章。1983年,《中国电针学》出版,这本书是对几十年电针疗法发展情况的总结。20世纪60-70年代,在我国针刺麻醉大行其道,引起国内外专家学者的广泛关注,其中就包括提出闸门疼痛学说的Melzack和Wall,他们通过理论研究证明了电针镇痛是科学的,又通过科学实验验证了临床效果,这使得电针疗法的研究有了科学的理论依据,大大促进了电针疗法在临床医学方面的发展与应用。

1.2.2 电脉冲理疗仪的研究现状

目前,我国对于电脉冲理疗仪的研究已经日趋成熟,逐渐形成了两大种类。它们的分类标准是模拟按摩或是模拟针刺。前者使用的电极为片状,面积大,可以很好地模仿人手指按摩推拿的效果;后者使用针状电极,主要模仿的是针刺穴位的效果。

在理论研究方面我国学者们取得了丰硕的成果,比如范志、沙宪政、余学飞、刘志鹏、杜敏安等前辈在各自发表的文章中介绍了诸如通过脉冲组模拟中医推拿手法[16],改善调制脉冲的不稳定性的及其带来的人体适应性的解决办法[20],换用数模转换芯片减少外围电路带来的信号干扰问题[17]。这些学者们的理论研究为电脉冲医疗的发展有极大的促进作用,也为电脉冲理疗仪的研制指明了方向。

在理论研究蓬勃发展的基础上,市场上脉冲理疗仪的产品种类也日趋丰富。目前来说,在医院或理疗所中使用的大都为大型电脉冲理疗仪,其尺寸较大(25cm × 15cm × 7cm),重量大约2kg,由于大型理疗仪需要使用220V交流电进行降压,因此需要配备相应的变压器。而变压器体型笨重不易移动与携带。大型理疗仪功能较多,甚至可以多达20种,但它只能在设计阶段进行频率、周期等参数配置,不能由用户自主调整,有一定的应用局限。除了大型理疗仪,中型理疗仪应用也较为广泛,其体型相对大型稍小一些,实现的治疗模式有十几种,功率只有大型的40W的一半,但他的有点是,可以由用户进行选择不同的档位,实现不同的频率输出。除此之外也不用配备昂贵的变压器,经济性更好一些。小型的脉冲理疗仪大多为手持便携式,功能数量较少,不如大、中型号,但胜在体积小巧,便于单手操作,可以在自己家里进行保健理疗,应用场景较之前两者更为广泛。除此之外,小型理疗仪仅需一节电池即可工作,工作电压低,输出功率一般低于2W,对人体影响也较小,无需变压器,也更加经济。但中、小型理疗仪多使用直流-直流的升压方式,要想实现正负脉冲双向输出,还需另外设计外围电路,相对复杂。

对于波形输出的实现方式,传统方式是硬件电路实现,这种方法不仅电路复杂,使用元器件较多增加成本,而且由于元器件质量良莠不齐,所以输出的波形可能与理论设计相去甚远。随着芯片产业的不断发展,搭载新一代控制芯片的脉冲理疗仪已经面世。新一代的单片机如STC系列,AT系列、MSP系列等可以通过与数模芯片(如DAC0832等)的结合,实现通过软件编程进行波形输出。这不仅控制了波形的精度,还精简了电路,节省了元件成本。

综上所述,现有大、中、小三类脉冲理疗仪都各有其缺陷与不足,大型理疗仪参数调节的不便性,中小型理疗仪输出功率偏低,尤其是使用电池的小型理疗仪,待机时间也成问题。基于以上几点不足,本次设计的脉冲理疗仪使用小型220V,5W的交流变压器进行降压,解决小型脉冲理疗仪输出功率低的问题,选择AT系列单片机与DAC芯片结合进行软件控制波形输出,通过不同按键由用户实现不同波形参数(如频率,周期等)的调节,改善大型脉冲理疗仪的不便。知网论文查重

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