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标题: 基于C8051F015的手持式电刺激器系统设计 [打印本页]

作者: liyf 时间: 2012-1-16 16:16
标题: 基于C8051F015的手持式电刺激器系统设计
【摘要】本文介绍了一种由高速单片机C8051F015控制的手持式电刺激器的实现方案，具体介绍了整个方案的设计思想以及软硬件实现。该设计可以用于家庭及社区居民的医疗保健，有一定的实用价值。
【关键词】医疗保健?电刺激器?C8051F015?时钟芯片

1.引言
??? 随着社会的不断进步，人们的健康意识不断增强，家庭保健仪器得到越来越广泛得应用。电刺激器是产生一序列电压或是电流脉冲的保健仪器。通过将电传递到神经或是肌肉组织上，以达到诊断或是医疗保健的目的。从生物学观点来看，生物体兴奋组织对外界刺激均能产生反应，但只有对电的刺激可以精确地控制其参数。而且适度的电刺激即使重复多次也不会使组织损伤。电刺激器可依靠产生电流脉冲频率的高低，使电流经过皮肤，进而刺激感觉神经，常应用在舒缓疼痛方面，对于急、慢性与神经性疼痛均有治疗效果。
??? 目前的医用电刺激器通常都自成一体[1]。但是在一些较大型的医疗设备中，电刺激器常常只作为设备中的一个组成部分，它既要受控于主机系统，又要与主系统良好地隔离，以免对主系统设备的其它部分产生干扰。本文介绍的使由高速单片机控制的电刺激器，特点是成本低、体积小、重量轻、便于家庭或社区医院使用。
2． 整体设计
手持刺激器系统基本的功能要求如下。
2.1设备的每个脉冲宽度均为最大输出幅度的50%，脉冲宽度为250μs ±1%。
2.2设备脉冲的上升时间和下降时间小于5 μs；脉冲的顶降小于2%，为矩形脉冲。在任意的输出电流或负载时输出波形不失真。
2.3设备输出幅度在最大时，额定负载阻抗为0～6kΩ时，流入负载的电流为80mA，但不大于80mA。输出电流为恒定不变，恒流误差±1%。
2.4设备的额定负载阻抗为0～6kΩ，在负载阻抗大于6kΩ时，切断输出（电流和电压为0），并且报警。设备输出的直流分量为零。
2.5设备输出幅度的调节应连续均匀,波形不失真，最小输出不大于最大输出的1%。
2.6 设备开路测量时，输出电压峰值应不大于500V。
??? 根据上述要求，系统采用一块单片机作为主控制芯片。考虑到手持设备的要求，选择4×1.2V镍铬电池组作为供电电源，并挑选合适的电源管理芯片，提高系统的使用时间，并可通过适配器输出12V直流电压进行充电，配合软件采集电池电压参数，实时计算电池剩余容量，在低电量时蜂鸣警报用户。采用压控恒流源的方法，快速打开和关闭电流，使脉冲上升时间和下降时间的要求。采用外部存储器，记录不同用户的刺激参数。采用串口接口，使刺激器和PC机能方便的进行通信。采用LCD，设计图形文字界面，操作简单，大幅度提高系统的便利性[2] 。
3．硬件设计

?? 图3 电源管理芯片的硬件连接如图

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图4 升压部分的电路连接

4． 软件设计
设备系统分成4个模式：启动系统、菜单模式、回放模式和刺激模式。

图5?设备系统的状态转换示意图
(1)??? 启动系统
执行系统初始化工作，LCD显示欢迎信息。
(2)??? 菜单模式
响应键盘操作，新增和修改记录号及其对应的刺激参数，实现人机对话，包括电流、模式、人员、回放、连接、声音、背光、时间、内存和初值。
选择电流，确定刺激强度（1～80mA），默认值为60mA。选择刺激，确定刺激模式（STC、TS、TOF、DbS和PTC）。选择人员，确定记录号，设置范围：000～999。选择回放，进入回放模式。选择连接，经串口和PC通信。选择声音和背光，确定声音和LCD背光的开关。选择时间，修改和确定时间。选择内存，查看现有记录占总内存的百分比。选择初值，可以将内存清零，所有设置成默认值。
(3)??? 回放模式
查看各记录对应的刺激参数，选择相应的记录号，进入刺激模式。此模式下不能修改刺激参数。
(4)??? 刺激模式
在刺激时，可以根据LCD的显示，响应键盘操作，对刺激参数进行调整，并保存。在某些非周期刺激模式下，需要用户按键对刺激间隔时间进行控制。
该统主要任务是LCD的文字界面显示和响应用户的按键操作，因此程序的主循环是按键响应程序，同时对其三级菜单共四十余种状态，用一个8位状态字进行区别和比对。三级菜单的状态字的高2bit，表示0级的四个状态，其后4bit表示1级的十个状态，低位2bit表示最后级的子状态，只有时间模式用到4个。
系统主要记录当前状态字和上一个状态字，根据其相互关系决定用户输入的命令内容，进而执行响应的操作。
6． 系统效果
刺激模式下，LCD的显示如图6所示。

图6?刺激模式下LCD的显示
6.1 静音符号，位于显示屏左下方。记录号显示，位于显示屏左下底部，静音符号下。
6.2。时钟显示，位于显示屏左上方。距下次施行刺激时间，位于显示屏左上下方，时钟显示下。
6.3电量显示，当电量尚存30%时发出报警，位于显示屏右上顶方。刺激模式显示，位于显示屏右上下方，电量显示下。
6.4 当前刺激强度显示，单位为mA，即时显示，位于显示屏右上下方。
6.5 T1/Tc百分数显示，单位为%，即时显示，位于显示屏中上方。
6.6 T4/T1百分数显示，单位为%，即时显示，位于显示屏中央方。
6.7 反馈信号强度以直方图（竖条线显示，竖线的高度为反馈信号强度）即时显示，位于整个显示屏的中间。
7．小结
由于系统各器件要求的电压较多，并需要产生最高500V的刺激电压，受转换效率的影响，需要较高容量的电池，在以后可考虑采用更高效率的电压转换芯片，使系统能运行更长的时间。另外，此系统只能对一个部位进行刺激，在以后的系统中可改进为多个刺激输出，使系统更满足实际需要。在设计下一代产品时，可以考虑可移植操作系统的嵌入式芯片和更大的LCD显示屏，使用户图形界面更易于操作，使系统更人性化。
本文作者创新点：电路设计新颖，将医疗保健器械小型化、便携化，填补了市场空白。
参考文献：
[1] 曾磊神经刺激器的初步研究中国知网优秀博硕士论文 2004(5)
[2] 章江李满成医用电刺激器的研制电工电能新技术[J] 1995(4)
[3] C8051F010/1/2/5/6/7 Mixed-Signal 32Kb ISP FLASH MCU ?Datasheet
http://www.xhl.com.cn/sjsc/sjscdetail.asp?sid=16
[4] 庞清乐孙同景秦伟刚基于C8051F330单片机的多路温湿度测控系统微计算机信息[J] 2004年 20卷 4期, 51-52页

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