基于AT89C2051单片机的超声波理疗仪的构成原理

0 引言

目前国内外的多数超声治疗仪(理疗型)普遍都是以连续正弦波(1～3 MHz)或脉冲正弦波(低频调制100 kHz左右)的方式进行工作，其输出声强≤3．0 W／cm2，所存在的问题是超声波主要作用于皮肤、肌肉和结缔组织，发射波形峰值高、穿透力差等，对较深病灶点的治疗效果不明显。因此，治疗和促进肌肉恢复和骨骼愈合需要很长的时间。本设计的理疗仪能产生波形峰值低、穿透力强的特定超声波能量，可以更加深层地作用于肌肉骨骼上，起到加速愈合的作用。本设计使用电路模块化的设计思路，并结合实际电路设计了一种简单适用的多参数超声波治疗仪。目前，该设计在国内外无类似的产品报道，产品设计原理涉及许多关于超声波对骨伤治疗的最前沿的研究成果和报道。

1 系统构成原理

该系统主要分为5个主要模块。其中单片机控制模块是系统核心，它控制着超声波产生的强度。其他(如MAX038则)主要是产生高频波，NE555构成多谐振荡器，混频后产生的超声波经过放大输出，即可作用于人体的受伤部位，其基本的系统构成如图1所示。



本系统的基本工作原理是先由集成芯片MAX038输出一个高频信号，同时由NE555构成的多谐振荡器通过7474组成的二分频电路和MAX029以及外围电路构成的低通滤波器得到低频信号，再用低频信号调制高频信号，以得到适当频率的超声波。由于信号比较微弱，所以需要功率放大器来对信号进行放大。这里的功放电路采用三级放大电路，最后再经过换能器输出，并由单片机控制超声波的输出强度。

2 高频信号的产生

产生高频信号可选用美信公司的MAX038高频波形发生器芯片。该方法的各种波形曲线均可以用三角函数方程式来表示。能够产生多种波形的函数信号。函数信号发生器也可以由晶体管、运放IC等通用器件制作，而美信公司的函数信号发生器MAX038的频率高、精度好，因此，它被称为高频精密函数信号发生器IC。该芯片组成的高频信号产生电路如图2所示。



图2中，第3脚和第4脚(即A0和A1脚)即是控制输出的波形，而输出的波形频率则由外接电容C1和第8脚和第10脚共同确定。

3 低频信号发生电路

低频信号发生模块电路可采用NE555构成多谐振荡器，当该振荡器输出波形信号后，再接以7474锁存器为主要部件组成二分频电路，最后再用MAX298组成低通滤波器以进行滤波，就能得到所需的低频信号波。MAXIM公司生产的MAX29X系列8阶低通开关电容滤波器由于使用方便、设计简单、尺寸小(有8-pin DIP封装)，因而在ADC的反混叠滤波、噪声分析、电源噪声抑制等领域得到了广泛的应用。这里不采用MAX03 8来产生低频波的原因主要是两种波形参杂的直流电平不同时，其混频以后效果不明显。而用MAX298进行滤波，则可以在5 kHz～10 kHz频率内得到很好的滤波效果，具体的低频信号发生电路如图3所示。其中振荡周期由NE555中R1，R2和C1确定，具体公式为：





4 混频电路的设计

混频可以用乘法电路来实现，并可以用下面的关系式来设计电路：



因为使用乘法运算电路可以很方便地实现两个模拟信号的相乘，而且，以乘法运算电路为基本单元，也可以很容易地组成除法、乘方和开方等运算电路。因此，在无线电通讯领域，利用乘法运算电路还可以组成调制，解调电路。目前市场上已有可实现乘法运算的集成电路，称为模拟乘法器。

模拟乘法器的表达式是：



式中，k为比例系数，一般各电路的比例系数都不大相同。

在本电路的设计当中，乘法器主要用于实现两种信号的相乘，以将低频信号变到中频。本设计需要两种频率的信号，一种是载波(即高频信号)，另一个是调制波(即低频信号)。为了实现AM调制，需要使用合理的乘法器电路。本设计选定由Motorola公司的MC1496集成双平衡模拟乘法器。MC1496是Motorola公司生产的一种性能优良的模拟乘法器，可用作宽带、抑制载波双边带平衡调制器，它不需要耦合变压器或调谐电路，还可作为高性能的SSB乘法检波器、AM解调／解调器、FM解调器、混频器、倍频器、鉴相器等。

MC1496可以采用单电源，也可以采用双电源供电，两者效果相同。单电源供电时，其直流偏置由外接元件来实现。本设计选用单电源，单电源供电输出是对地信号。而在双电源中，输出为双输出的差分信号。其具体电路如图4所示。
 

5 功率放大器设计

超声发生器的功率放大电路除了要具有一般放大器中的整流、振荡、放大和保护等通用电路外，还应有一些特殊的电路，如频率自动跟踪、匹配、功率自动控制、振动系统振幅控制等电路。这些电路是发生器负载(即换能器)的特殊性质所要求的。通常发生器有一个最佳负载值(有时亦称为输出阻抗)，只有当实际负载等于此值时，发生器才能工作于设计状态，并向负载提供额定的输出。否则就需要通过输出变压器作阻抗变换。除此之外，还必须进行调谐，因为换能器为一有抗负载，因此，直接联接到发生器上会产生相当大的无功损耗，这不仅会使效率降低，而且会影响到发生器的安全使用。因而需要有一个电抗相反的元件来“抵消”换能器中电抗分量的影响，这就是所谓的调谐。在此功放中，比较重要的就是匹配，由于压电换能器有静电容，而且磁致伸缩换能器有静电感，因此，在换能器谐振状态时，换能器上的电压与电流间存在着一相位角φ，其输出功率P=cosφ。由于φ的存在，输出功率达不到最大值。只有当φ=0时，输出功率才可达最大值。因此，为了使换能器上电压VRL与电流同相(φ=0)，就必须在换能器上并联或串联一个相抵消的阻抗。对于压电换能器而言，即并联或串联一个电感即可，而磁致伸缩换能器则应并联或串联一个电容。[page]

对于超声波的功率放大部分，本文做了一些测量和计算，实际电路的设计为三级放大。图5所示是其前级电路，其中采用场效应管作为第一级前端放大，其后使用射集放大电流。每个放大在输出端都加入了射集输出电路以此来降低输出阻抗，从而达到放大电流的效果。中间级三极管放大电路如图6所示，其输入和输出都有电容滤波，并在输出端加入射集跟随器，以降低输出阻抗。末级三极管放大电路采用东芝公司的2SC3281功率三极管，其电路如图7所示。







6 单片机控制

本设计采用ATMEL公司的AT89C2051单片机来组成控制系统。由于系统的要求不很严格，即不要求高运算速度，也不要求大内存，而只要求有一定的抗震性，且价格便宜，以达到经济实惠的目的即可。因此，笔者选用AT89C2051型CPU。这种CPU的使用温度范围为-40℃～125℃，有20个管脚，是8051型CPU的简易版，完全能满足本系统的使用要求。由于主程序主要完成模块初始化以及自身程序的调用，因而其结构清晰简单，图8所示是它的控制软件流程图。



其次就是初始化模块，其作用是让定时器、中断等回复到最原始的状态。比如使定时器工作在工作方式1，定时器1的中断优先级最高等等。它的初始化流程图如图9所示。

第三就是功率输出调节，本理疗仪输出功率共分三档(低、中、高)，设计时采用单片机输出控制后续BJT电路的静态偏置电压，从而改变BJT静态工作点，使压电晶体两端的输出电压幅度发生变化，以调节输出功率。设计时可通过外部按键中断来调用中断服务程序，从而实现这一功能。其原理是通过按键的次数来判断进入哪一个中断，并且调用相应的子程序。由于这里的功率分为三档，因此，可用按键次数除以4所得的余数来判断，即：

如果按键次数为4N(N=0，1，2，3………)，那么不输出功率；

如果按键次数为4N+1(N=0，1，2，3………)，则调用低功率输出子程序；

以此类推，便可以实现三种不同功率的输出。

以下是其部分代码：



7 结束语

本设计主要给出了超声波从产生到控制的一个较详细的实现方案。相对于其他方法，此方案较为简单，并且成本较低，用的器件都是比较常见的。高频和低频信号独立产生，便于对两种信号进行调整，而且用单片机作为控制芯片，其灵活性较高，同时还可以根据不同的要求进行修改，从而满足各种实际需求。