激光辅助治疗仪的设计毕业论文.docx
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激光辅助治疗仪的设计毕业论文
届毕业生
毕业论文
题目:
激光辅助治疗仪的设计
院系名称:
电气工程学院专业班级:
学生姓名:
学号:
指导教师:
教师职称:
讲师
年06月10日
摘要
近年来随着生活水平的提高,人们对健康的关注程度的逐渐增加,相应的对医疗设备的关注也得到进一步提高。
该课题所研究的激光治疗法是一种非常安全的治疗方法。
该课题设计的激光治疗仪是一种医用器械,以AT89S52单片机为核心,采用5V电源供电,利用激光发射器件发射激光,作用于人体敏感部位,产生辅助治疗作用。
利用按键对激光器发送的脉冲形式和时间进行控制,从而使末端激光器发射出最适宜身体接受的光波。
为了解决治疗强度和治疗时间的问题,我们采用了四位LED数码管动态显示治疗时间,并设置了三个按键,一个用来控制治疗强度,也就是控制激光发射头高低电平的切换,两个按键用来控制治疗时间的加减。
为了提醒使用者是否真的采取按键操作功能,我们设计了当有按键按下时蜂鸣器发出报警信号以确定是否采取该操作。
利用C语言设计相应的软件实现其功能。
该课题设计的治疗仪以单片机为核心,完成了所需要的各项功能,具有结构简单、使用方便的特点。
关键词:
单片机;激光治疗仪;LED
TitleDesignofLaserAidTreatmentInstrument
Abstract
Inrecentyears,alongwiththelivingstandard’senhancement,people’sattentiontohealthgraduallyincreases,correspondinglytheattentiontomedicalequipmentalsohasfurtherenhancements.Thelaserinstrumentwhichthistopicstudiesisaverysafemethodoftreatmentauxiliary.
Asakindofmedicalinstrument,thislasertreatmentmeter,inviewofitsdesign,AT89S52wastookmonolithicintegratedcircuitasthecore,and5Vpowersourcewasusedforsupplyingpowerandlasertransmissioncomponentforlaunchinglaser.Itaffectsinthehumanbody’sensitivespot,andhastheaidtherapeuticaction.Themetercarriesonthecontroltothepulsemodeandtimewhichthelasertransmits,thusitmakestheterminallasertolaunchsuitablelightwaveswhichthebodyaccepts.Inordertosolvetheproblemthatpatient’streatmenttimeandintensityisdifferent,weusefourLEDnixielightdynamicdemonstrationtodemonstratethetreatmenttime,Ithasthreepressedkeys,twopressedkeysareusedforcontrollingthetreatmenttime’sadditionandsubtraction,oneforthetreatmentintensityandoneusedfortreatmentmeter'sheightlevelcut.Inordertoremindthecurerofthetreatmentconclusionandtomaketheoperationeasy,thisdesignusesthesoftwaretocontrolpressedkeys’warningfunction.UsethecorrespondingClanguagedesignsoftwaretorealizethecorrespondingfunction.
Thestructureofthistreatmentmeterwhichmytopicdesignsissimpleandeasytooperate.
Keywords:
Single-chipprocessor;Lasertreatmentinstrument;LED
目次
1绪论
1.1课题研究的目的和意义
随着近年来随着人们生活水平的提高,物质资料的增加和各种疾病的增多,人们对自己和亲人健康问题的关注程度的逐渐增,很多人和医院对医疗设备的关注也得到进一步提高。
很多人对医疗设备的要求也在进一步增加,倾向于健康安全的医疗器械。
激光照射血液以改变血液生化指标的物理疗法,是目前国内外比较成熟的心脑血管等疾病的治疗方法之一。
利用激光的光辐射及波长相关性改变细胞生物学特性,提高细胞活性,增强细胞携氧能力,改善细胞变形能力,降低血液的中分子浓度,改善血液流变形能力,降低血液的中分子浓度,改善血液流变形,降低血脂、胆固醇,有效预防心脏病、脑血栓、心肌梗塞等疾病的发生。
是一种非药物非手术的疗法。
从而避免了引起各种毒副作用的发生,具有非特异性和广谱的治疗作用。
1.2治疗仪的使用背景
激光手术目前主要用于普外科、肝胆外科、泌尿外科、心胸外科、烧伤外科、骨外科、神经外科、妇科、皮肤科、五官科等各科手术。
医用激光器作为治疗的设备已充分体现了它无与伦比的优越性。
中国医学科学院基础医学研究所、中国协和医科大学基础医学联合作“导体激光辅助治疗仪血管内辐射安全性的实验研究”。
全国近10年来,各地用此法治疗心脑血管疾病的人数以十万计,激光安全等级为3A,未见不安全病例的报导。
因此,我们可以放心大胆的在治疗仪器上应用激光来治疗疾病,而这种治疗将会给我们的医疗界带来一个更为广阔的方向和发展空间。
激光治疗比以往的手术和药物治疗更安全,对人体无毒副作用,是患者治疗疾病的最佳选择。
在经济快速发展的今天,激光辅助治疗仪有了很大的发展空间和应用前景。
该课题所研究的激光辅助治疗仪是一种对以AT89S52单片机为核心,采用5V电源供电,利用激光发射器件发射激光,作用于人体敏感部位,产生辅助治疗的医用器械。
对激光器发送的脉冲形式和时间进行控制,从而使末端激光器发射出最适宜身体接受的光波。
1.3国内外的应用现状
在1960年美国贝尔实验室发明红宝石激光器一年后,我国第一台红宝石激光器在长春光机所诞生。
自此以后,我国在激光器和激光应用技术研究方面有了许多的成果。
激光器和激光应用仪器在八十年代走向市场。
我国激光医疗仪器发展较早,在七十年代就有少量应用,但尚未形成市场,“八五”前期激光器械发展势头大减,直到1994、1995年才又重新高速增长。
激光医疗器械是我国的出口大项。
因为我国激光医疗应用开发较早,激光医疗器械的水平和质量也有较大提高,而价格又比西方国家便宜,作为中、低档激光医疗器械在国际市场上具有一定的优势,历年均在出口,并有逐步增长。
1.4课题的发展要求
从激光诞生至今,随着激光技术的发展及其在医学领域中的研究和临床应用,今后激光医学必将取得更快的发展。
在激光的发展中,我们应该开拓广阔的视线,在更多方面设计出更多的人性化的器械,能够让我们的治疗和健身变成日常化。
在该激光辅助治疗仪的设计中,针对问题,我们通过单片机控制激光发射的时间和强度治疗病人身上的穴位和病变部位。
在激光的应用中,主要有两个关键所在,在设计中有按键控制时间的加减和强度,这种简易化的设计似的患者可以独自治疗,而不是通过在医院花费昂贵的费用和耽误宝贵的时间来治疗疾病,无论是老人还是孩子都可以放心安全的使用该仪器,在看电视或者休闲聊天的时候就可以轻松的使用这种仪器治疗。
该课题我们所研究的激光辅助治疗仪是一种简单便携的设备,使用+5V电压,使得治疗更加简单方便,患者可以不受时间和地点的限制反复治疗。
患者使用时,只需插上5V电源即可进行治疗,使用简单方便,安全可靠。
该设计中设有报警功能,有按键按下时,蜂鸣器就会发出报警声音,以此来提示使用者是否需要选择该功能,操作简单方便。
2方案论证
2.1课题所需的总体功能
该课题设计的是一种基于单片机为核心的治疗仪,在家庭中可以方便实用。
该治疗仪采用激光发射器件,作用于人体敏感部位,产生辅助治疗作用。
设计需要把学过的自动控制原理、模拟和数字电路、MCU等多方面专业知识综合运用。
在了解治疗仪原理的基础上,采用单片机为核心部件,对激光器发送的脉冲形式和时间进行控制,从而使末端激光器发射出最适宜身体接受的光波。
在该课题中,有一个停止开始开关来控制开关的开断,根据不同的疾病选择不同的治疗时间和强度,在设计时应利用单片机控制“+”、“—”键来加减时间,由此来选择治疗时间的长短;在治疗过程中还需根据单片机来控制一个按键来控制方波和连续波的切换;利用+5V电压供电;同时具有设置显示功能和报警等功能。
总体设计框图如下图2.1所示,主要结构有单片机,显示器、键盘、报警电路和激光发射电路组成。
图2.1激光辅助治疗仪设计结构框图
2.2总体方案论证
2.2.1单片机的选择
MCS-51单片机:
MCS-51单片机最早由Intel公司推出,其后,多家公司购买了MCS-51的内核,使得以MCS-51为内核的MCU系列单片机在世界上产量最大,应用也最广泛。
Motorola单片机:
Motorola是世界上最大的单片机厂商。
从M6800开始,开发了广泛的品种,4位,8位,16位32位的单片机都能生产,其中典型的代表有:
8位机M6805,M68HC05系列,8位增强型M68HC11,M68HC12 ,16位机M68HC16,32位机M683XX。
Motorola单片机的特点之一是在同样的速度下所用的时钟频率较Intel类单片机低得多,因而使得高频噪声低,抗干扰能力强,更适合于工控领域及恶劣的环境。
AT89S52是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器,具有8K在系统可编程Flash存储器。
使用Atmel公司高密度非易失性存储器技术制造,与工业80C51产品指令和引脚完全兼容。
片上Flash允许程序存储器在系统可编程,亦适于常规编程器。
在单芯片上,拥有灵巧的8位CPU和在系统可编程Flash,使得AT89S52为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案。
此外,AT89S52设计和配置了振荡频率可为0Hz并可通过软件设置省电模式。
空闲模式下,CPU暂停工作,而RAM定时计数器,串行口,外中断系统可继续工作,掉电模式冻结振荡器而保存RAM的数据,停止芯片其它功能直至外中断激活或硬件复位。
由于实际程序要求并不复杂,要实现的功能对芯片要求不是很苛刻,而AT89S52又是一种我学习接触较多的一种单片机,可以搜集到的资料较多,芯片便宜,技术发展成熟,所以在该课题设计中选用AT89S52单片机。
2.2.2显示器的选择
单片机应用系统最常用的显示器是LED(发光二极管显示器)和LCD(液晶显示器),这两种显示器可显示数字、字符及系统的状态,它们的驱动电路简单、易于实现且价格低廉,因此,得到广泛应用。
常用的LED显示器有LED状态显示器(俗称发光二极管)、LED七段显示器(俗称数码管)和LED十六段显示器。
发光二极管可显示两种状态,用于系统状态显示;数码管用于数字显示;LED十六段显示器用于字符显示。
液晶显示屏(LCD)具有轻薄短小、低耗电量、平面直角显示以及影像稳定不闪烁等优势,可视面积大,画面效果好,分辨率高等特点。
七段发光二极管显示器,又叫LED显示器,因其价格低廉、功耗较小和性能可靠等优点,在各种仪器仪表中得到了广泛的应用。
现在市场上出售的专用LED驱动器种类有很多,且大多数功能较多,但价格相应地也较高,如果用在低成本的简单系统中,不仅是一种资源的浪费,而且增加了产品的成本。
用74LS07芯片驱动LED有以下特点:
速度较快,功耗较小,LED的数目多少随意,既可以控制共阴极的LED显示器,也可以控制共阳极的LED显示器,可以软件控制LED的亮度,还可以在必要的时候关断显示(数据保留),以减小功耗,并可随时唤醒显示。
用它设计的电路,不仅软硬件设计简单,而且功耗低,驱动能力强,占用的I/O口线较少,是一种造价低廉,应用灵活的设计方案。
该设计中系统需要显示的信息量不大,LED数码管,对外界环境要求低,操作简单,易于维护,能按照需要显示字符。
所以利用数码板显示很容易实现,数码板又便宜且显示程序比较好调试,因此我在这次的设计中选择4位LED时间数码板显示。
2.2.3显示器动静态的选择
LED七段数码管有静态显示和动态显示。
静态显示是指数码管显示某一字符时,相应的发光二极管恒定导通或恒定截止。
这种显示方式的各位数码管相互独立,公共端恒定接地(共阴极)或接正电源(共阳极)。
每个数码管的8个字段分别与一个8位I/O口地址相连,I/O口只要有段码输出,相应字符即显示出来,并保持不变,直到I/O口输出新的段码。
采用静态显示方式,较小的电流即可获得较高的亮度,且占用CPU时间少,编程简单,显示便于监测和控制,但其占用的口线多,硬件电路复杂,成本高,只适合于显示位数较少的场合。
数码管静态显示方式的一种典型应用,其硬件及软件都非常简单,但其只能显示一位,如要用P1口显示多位,则每位数码管都应有各自的锁存、译码与驱动器,还需有相应的位选通电路,位选通电路输出位码。
动态显示是一位一位地轮流点亮各位数码管,这种逐位点亮显示器的方式称为位扫描。
通常,各位数码管的段选线相应并联在一起,由一个8位的I/O口控制;各位的位选线(公共阴极或阳极)由另外的I/O口线控制。
动态方式显示时,各数码管分时轮流选通,要使其稳定显示必须采用扫描方式,即在某一时刻只选通一位数码管,并送出相应的段码,在另一时刻选通另一位数码管,并送出相应的段码,依此规律循环,即可使各位数码管显示将要显示的字符,虽然这些字符是在不同的时刻分别显示,但由于人眼存在视觉暂留效应,只要每位显示间隔足够短就可以给人同时显示的感觉。
采用动态显示方式比较节省I/O口,硬件电路也较静态显示方式简单,但其亮度不如静态显示方式,而且在显示位数较多时,CPU要依次扫描,占用CPU较多的时间。
该课题所制作的激光治疗仪为了解决治疗者需要查看治疗时间的问题,因此选择动态显示电路。
2.2.4键盘设计
在单片机设计中,键盘设计一般分为独立是键盘和矩阵式键盘,对于按键多的设计一般情况下采用矩阵式键盘设计,通过键盘扫描来确认按键是否按下,另一种是独立是键盘,每一个按键对应一个I\O接口,分别来控制。
在按键少的情况下用这种控制。
在该设计中,只有三个按键,分别用来控制治疗仪治疗时间的加减和激光强度的切换,因此在该设计中选用选择独立式键盘。
2.2.5电源的选择
本课题所研究的是激光辅助治疗仪,考虑到其易于携带和家庭使用的特点,所以应采用电池和经过变压器调节后的+5V电压为整体系统供电。
同时还应当设计一个电源,能够把220V电压调节成+5V,使得治疗应用简单化,安全化。
2.3激光发射器的选择
治疗激光医疗器械是我国的强项。
因为我国激光医疗应用开发较早,激光医疗器械的水平和质量也有较大提高,而价格又比西方国家便宜,作为中、低档激光医疗器械在国际市场上具有一定的优势,历年均在出口,并有逐步增长。
因此开发激光辅助治疗仪有很好的技术支持和市场前景。
该课题设计的激光治疗仪是一种医用器械,利用激光发射器件发射激光,作用于人体敏感部位,产生辅助治疗作用。
利用按键对激光器发送的脉冲形式和时间进行控制,从而使末端激光器发射出最适宜身体接受的光波。
随着社会自动化程度的提高,人机交互能力急需大的转变,向着更方便使用、更直观的方向发展。
激光治疗机主要应用激光的物理特性作用于人体,产生机体化学反应从而达到治疗疾病的目的。
因此在该课题我们选用激光发射器。
3
硬件设计
3.1晶振电路
时钟电路是单片机的心脏,各部分都以时钟频率为基准,有条不紊地一拍一拍地工作。
利用芯片内部的振荡电路,在XTAL1和XTAL2两端跨接晶体振荡器和两个电容就构成了一个稳定的自激振荡器。
AT89S52内部都有一个用于构成振荡器的高增益反相放大器,引脚XTAL1和XTAL2分别是反相放大器的输入端和输出端,由这个放大器与作为反馈元件的片外晶体一起构成了一个自激振荡器,这种形式的时钟信号称为内部时钟方式。
在芯片的外部,XTAL1和XTAL2之间跨接晶体振荡器和微调电容,从而构成一个稳定的自激振荡器,这就是单片机的时钟电路,如图3.1所示。
该电路选择两个30PF电容,晶振为12MHZ。
图3.1晶振电路
3.2复位电路
复位是单片机的初始化操作,单片机在启动运行时,都需要先复位,它的作用是使CPU和系统中其它部件都处于一个确定的初始状态,并从这个状态开始工作。
单片机在启动或断电后,程序需要从头开始执行,机器内全部寄存器、I/O接口等都必须重新复位,这个功能由复位电路来完成。
无论是在单片机刚开始接上电源时,还是断电后或者发生故障后都要复位。
单片机复位的条件是:
必须使RST/VPD或RST引脚(9)加上持续二个机器周期(即24个振荡周期)的高电平。
单片机常见的复位电路如图3.2所示。
(a)上电复位电路(b)按键复位电路
图3.2单片机常见的复位电路
图3.2(a)为上电复位电路,它是利用电容充电来实现的。
在接电瞬间,RST端的电位与VCC相同,随着充电电流的减少,RST的电位逐渐下降。
只要保证RST为高电平的时间大于2个机器周期,便能正常复位。
图3.2(b)为按键复位电路。
该电路除具有上电复位功能外,若要复位,只需按图2(b)中的RESET键,此时电源VCC经电阻R1、R2分压,在RST端产生一个复位高电平。
在该设计中,由于在引入电源时接有总开关,所以没有必要选择按钮复位,由此我选择上电复位。
3.3显示电路
3.3.1数码管驱动电路
晶体三极管,是半导体基本元器件之一,具有电流放大作用,是电子电路的核心元件。
三极管是在一块半导体基片上制作两个相距很近的PN结,两个PN结把正块半导体分成三部分,中间部分是基区,两侧部分是发射区和集电区,排列方式有PNP和NPN两种,以材料分有硅材料和锗材料两种。
常用三极管的封装形式有金属封装和塑料封装两大类,引脚的排列方式具有一定的规律,底视图位置放置,使三个引脚构成等腰三角形的顶点上,从左向右依次为e、b、c;对于中小功率塑料三极管按图使其平面朝向自己,三个引脚朝下放置,则从左到右依次为e、b、c。
9012是PNP型三极管,工作电流0.5A,功率为0.6W,放大倍数约为200。
在该设计中选择9012三极管作为驱动管,电阻选择4.7K。
驱动电路如下图3.3所示。
图3.3驱动电路
在实际电路中,数码管与单片机之间需要加驱动器,该设计中选用7407,在下面一部分中有详细介绍。
3.3.27407的驱动作用
单片机在扩展时,为了正确地进行数据的I/O口传送,必须解决总线的和驱动问题。
通常总线上连接着多个数据源设备(向总线输入数据)和多个数据负载设备(向总线输出数据)。
但是在任何时刻,只能进行一个源和一个负载之间的数据传送,此时要求所有其它设备在电性能上与总线隔离。
使外设在需要的时刻与总线相通,不需要的时候与总线隔开,这就是总线隔离问题。
此外,由于单片机功率有限,故每个I/O管脚的驱动能力有限。
因此,为了驱动负载,往往采用缓冲/驱动器,7407就具有数据隔离缓冲和驱动的作用,其输入阻抗抗较抵,常用做想三态缓冲输出,图3.4为其引脚图。
图3.47407引脚图
7407是TTL集电极开路六正相高压驱动器是六高压输出缓冲驱动器,其中第1,3,5,9,11和13六个引脚是六位输入,2,4,6,8,10和12六个引脚是六位输出,7脚接地,14脚接电源。
3.3.3数码管结构及工作原理
(1)数码管结构
数码管由8个发光二极管(以下简称字段)构成,通过不同的组合可用来显示数字09、字符AF、H、L、P、R、U、Y、符号“”及小数点“”。
数码管的外型结构如图3.5(a)所示。
数码管又分为共阴极和共阳极两种结构,分别如图3.5(b)和图3.5(c)所示。
(a)外型结构(b)共阴极(c)共阳极
图3.5数码管结构图
(2)数码管工作原理
共阳极数码管的8个发光二极管的阳极(二极管正端)连接在一起,通常,公共阳极接高电平(一般接电源),其它管脚接段驱动电路输出端。
当某段驱动电路的输出端为低电平时,则该端所连接的字段导通并点亮,根据发光字段的不同组合可显示出各种数字或字符。
共阴极数码管的8个发光二极管的阴极(二极管负端)连接在一起,通常,公共阴极接低电平(一般接地),其它管脚接段驱动电路输出端,当某段驱动电路的输出端为高电平时,则该端所连接的字段导通并点亮,根据发光字段的不同组合可显示出各种数字或字符。
该课题采用了共阳极数码管。
所选用的数码管引脚图如下图3.6所示,平面视图如下图3.7所示。
图3.6数码管引脚图图3.7数码管平面图
该设计中所选用的数码管有12个引脚,1脚控制数码管0的位选,10脚控制数码管1的位选,11脚控制数码管2的位选,7脚控制数码管3的位选;8脚控制数码管a段,12脚控制数码管b段,3脚控制数码管c段,5脚控制数码管d段,6脚控制数码管e段,9脚控制数码管f段,2脚控制数码管g段,4脚控制数码管小数点dp。
其中0位数码管的dp段控制时间显示中数码管的上小数点,1位数码管的dp段控制时间显示中数码管的下小数点。
3.3.4显示电路
LED七段数码管有静态显示和动态显示。
该设计选择是为四位动态时间显示电路。
由四个9012三极管进行位选,分别接在单片机P2口的低四位,加电阻为4.7K。
在显示器与单片机之间要加8个330欧姆的电阻,由于单片机与数码管之间电流太小,需要用两片74LS07驱动器进行驱动。
显示电路如下图3.8所示。
图3.8显示电路
3.4键盘电路
键盘是由一组规则排列的按键组成,一个按键实际上是一个开关元件,也就是说键盘是一组规则排列的开关。
按键按照结构原理可分为两类,一类是触点式开关按键,另一类是无触点开关按键。
机械式按键再按下或释放时,由于机械弹性作用的影响,通常伴随有一定时间的触点机械抖动,然后其触点才稳定下来。
抖动时间的长短与开关的机械特性有关,一般为510ms。
在触点抖动期间检测按键的通与断状态,可能导致判断出错。
即按键一次按下或释放被错误地认为是多次操作,这种情况是不允许出现的。
为了克服按键触点机械抖动所致的检测误判,必须采取去抖动措施,可从硬件、软件两方面予以考虑。
在键数较少时,可采用硬件去抖,而当键数较多时,采用软件去抖。
在硬件上可采用在键输出端加R-S触发器(双稳态触发器)或单稳态触
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