旋转磁场仪硬件和软件设计及外文翻译本科毕业设计论文1 精品Word格式.docx
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生物医学工程
班级:
学生:
学号:
指导教师:
2013年06月
摘要
所有生物体都具有磁场,在生物体周围的环境中也常常存在着很多形式的磁场,这些磁场对生物体的组织结构和生理活动都会产生一定影响。
磁场对生物体的影响效应一方面和磁场本身的特征相关,别一方面也和生物的种类和磁场的作用部位有关。
为了更方便、准确地研究旋转磁场的生物效应,本课题根据已学过的电子电路知识、单片机控制技术等知识,研究设计了一种以单片机为核心的高精度旋转磁场仪。
本设计以AT89C51单片机为核心,利用单片机自身带的定时中断,I/O输出以及将一些外围器件等有机结合起来,实现用按键对步进电机的连续调速,实时控制与显示步进电机的工作方式。
另外,采用优化合理的步进电机驱动电路,用软件编程等精确控制技术,使整个系统工作稳定可靠。
本设计对系统的硬件、软件进行了设计与实现,硬件部分主要包括基于PROTEUS的系统原理图的设计、仿真和PCB电路板的制作。
软件设计主要包括C语言在程序设计中的应用,用键盘输入控制步进电机的运转方式以及将运行状态显示于液晶屏。
关键词:
单片机;
步进电机;
旋转磁场;
磁场生物效应
TheHardwareDesignofRotatingMagneticField
Abstract
Alllifeformshavemagnetism.Allkindsofmagneticfieldwouldhavesomeeffectsontheconfigurationandactivitiesoflifeformsthatwhicheverenvironmentalmagnetic,additionalmagneticorinsidemagneticoforganism.Thebiologiceffectsarerelatedtothecharacteristicsandtheintensionofthemagneticfield,aswellasthespeciesandthetissuesofthelifeforms.
Inordertostudyonbiologicaleffectsofrotarymagneticfieldconvenientlyandprecisely,Inthissubject,accordingtotheknowledgehasbeenlearnedoftheelectroniccircuits,MCUcontroltechnology,andresearchanddesignainstrumentforgeneratingrotarymagneticfield,whichisbasedonasingle-chipmicrocomputer.ThedesignfortheAT89C51microcomputerasthecore,themicrocomputeritselfwiththetimerinterrupt,I/Ooutputandperipheraldevicescombinetoachieveacontinuousspeedcontrolwithbuttonsonthesteppermotor,steppermotorreal-timecontrolanddisplayofwaysofworking.Inaddition,theoptimizationofsteppermotordrivecircuit,softwareprogrammingandprecisecontrolofthewholesystemisstable.Thedesignofthesystemisthedesignandimplementationofhardwareandsoftware,ThehardwarepartincludesthesystemschematicdiagrambasedonthePROTEUSdesign,simulationandPCBcircuitboardproduction.ThesoftwaredesignincludesClanguageprogramming,withthekeyboardinputtocontrolthesteppermotorworks,andwillrunthestatedisplayedontheLCDscreentogoodeffectintheactualproductionapplication.
Keywords:
singlechipmicrocomputer;
stepmotor;
rotarymagneticfield;
biologicaleffectsofmagneticfields
1绪论
1.1课题背景、意义及国内外相关研究情况
1.1.1课题背景
磁场对生物的影响及生物磁性的发现和研究有着悠久的历史,但生物磁学作为磁学和生物学之间的一门边缘学科而获得迅速发展的广泛应用以及受到普遍的重视,却还是比较近期的事。
我国是最早发现和利用磁性的国家,而且也是最早利用磁石治病,首先开创生物磁学的国家。
远在两千多年前的西汉初期,就有了磁石治病的记载。
此后历代的医药典籍上都有这方面的丰富资料。
在国外,磁石在古代医药上的应用也可追溯到古希腊时期。
到目前为止,在利用磁场治病(磁疗)和磁场麻醉(磁麻)方面,我国还是处于世界的领先地位。
磁场生物效应是生物磁学研究的一个重要内容。
地球上的生物是在地球磁场(很弱,约0.5G)的作用下生存和发展的,且已适应地磁并把它作为正常生活条件的一部份,如同地球上的温度、气压等。
当人为地改变生物体周围的磁场时,破坏了生物体原来的磁平衡状态,由此产生的一系列生物体生理或心理变化,称为磁场的生物效应。
磁场的生物效应是近二、三十年才逐渐受到人们的重视。
并且首先是从研究电磁场对人体造成的危害开始,像X射线、γ射线具有电离作用的辐射对人体的伤害作用及在医学上的诊断治疗作用均被广泛认识和接受[1]。
长期以来,由于低频率的电磁场(50Hz~60Hz)对组织不产生热效应和可感知的物理或化学反应,因此人们一直认为这种电磁场对生物体没有任何生物学效应[2]。
直到1967年苏联人Vyalov[3]调查了1068名接触磁场强度为0.001T~0.1T(1T=104G)的职业人员,发现有的人产生不明原因的植物神经系统失调,如疲乏、头痛、失眠、消化不良等。
这些效应大多是暂时性功能性变化,但经过3年~5年也有产生不可逆的器质变化。
1979年,Wetherimer和Jeeper[4]首次报道儿童白血病发病率明显升高与居住的地方过于靠近高压线有关。
尽管这一重要的流行病学研究在当时被认为缺乏精确的电磁场强度和病例收集,但仍然引起了强烈反响。
进一步研究发现,凡是接近强磁场的均增加患白血病和脑瘤的机会。
这些情况使有关学者开始关注磁场的生物效应。
随着核磁共振和磁疗器械的应用,人们接触强磁场的机会越来越多,更加重视磁场生物效应的研究,并从动物实验和临床观察应用两方面取得了相当的成果。
外加磁场对生物的影响,属于磁场生物效用,而生物自身的磁场属于生物此现象,两者虽都是生物磁学研究的内容,但它们属于两个不同的领域。
一般说来,磁场生物效用是多种多样的,不但不同类型的磁场,如恒定磁场、交变磁场、脉冲磁场、旋转磁场、强磁场、弱磁场所产生的生物效应很不相同,即使同样类型的磁场,对于不同的生物层次,如生物分子、细胞、组织、器官和生物活体的影响也不相同,而且对于不同的生物,如微生物、植物、动物和人类的作用也有差异。
1.1.2课题研究意义
生物的磁效应,已经是不争的事实。
生物磁学的研究虽然有着悠久的历史,但较为系统的研究是十九世纪末期特别是二十世纪中期的事。
由于过去积累了不少资料,现代物理学、磁学和生物学的迅速发展,使生物磁学的研究范围不断扩大,加以当代工农业生产、医药卫生、环境保护、宇宙航行等的现实需求,要求研究和应用磁场对生物和人体的影响,生物磁性与生物结构和功能之间的关系。
此外,现代磁技术的迅速发展,提供了生物磁学的宏观和微观研究的物理基础。
既有现实的需要,又有各方面的可能,以至推动了近几十年来生物磁学这门边缘学科不断地又简单到复杂,由现象到本质,由宏观到微观的深入发展。
目前除恒定磁场外,还对不同频率不同强度的交变磁场和不同宽度不同重复频率的脉冲磁场对生物及人体的影响进行研究;
根据电流产生磁场的效应,生物体内的电流会在其周围产生微弱磁场。
对于这些生物磁场的研究,将有助于阐明生物活动中的一些生理和病理现象;
生物的不同组织器官具有不同的磁性,这一方面与组织器官的组成和结构有关,另一方面也与其生理和病理状态有关。
因此,生物材料磁性的研究也可以提供有关生物材料的结构和活动情况的信息。
磁在医疗上的应用已经有不少,在农业中的应用也有所闻,一些成功单位事例,显示出生物磁效应的美好应用前景,当然,旋转磁场的生物效应也包括在内,并且也取得了一定的成就。
旋转磁场作用于生物体后,在生物体内引起一系列的生物学效应,为临床磁疗提供了理论基础[3]。
要研究旋转磁场的生物效应,就必须有能产生旋转磁场的仪器,产生旋转磁场的方法多种多样。
常用直流电机带动永久磁块旋转的方法来产生,对于直流电机的转速稳定程度受控制电压和本身外界阻力等因素的影响,故其旋转磁场的频率精度会受到较大的影响。
为了克服其转速不稳等,本课题利用步进电机转速的高精确稳定性和单片机的强大控制及逻辑运算能力,研制具有高精确稳定性旋转磁场。
1.1.3国内外相关研究情况
关于旋转磁场生物效应的研究,近年来在国内外都取得了许多新的进展。
目前已有实验研究了其对于血细胞[5]和血液流变学、组织愈合、酶和自由基、血糖及组织细胞[6]、胆汁、损伤康复、骨[7]、杆菌生长[8]等方面的影响。
例如:
1.低频旋转磁场对人体表面热分布和血压及心率的影响[9]:
研究结果发现,0.4T低频(7Hz)旋转永磁场可以改善人体表面热分布,影响人体的收缩压、舒张压、以及收缩与舒张压力差,降低患者的心率。
该结果表示0.4T低频(7Hz)旋转永磁场具有一定生理活性,有助于提高人体健康水平。
2.磁场对细胞生长分裂的影响[10]:
磁场的生物效应因施用方式不同而异,脉冲磁场能使细胞破碎,弱恒滋场能促进细胞生长而强恒场则抑制细胞分裂,旋转和平移磁场下,细胞的生物效应大于恒场并随着时间的延长会产生和脉冲场相同的结果,生物效应的强弱和细胞种类大小、运动速度[11]以及细胞所处的不同时期均有关系。
3.旋转磁场对血细胞和血液流变学的影响[12]:
①对血细胞的影响:
于玲娜等应用磁感应强度0.08~0.09T的旋磁作用于试管内的离体血液实验中发现,白细胞在旋转磁场作用下,产生应激反应,使细胞代谢加强,部分细胞发生超微结构的改变,也可能是引起白细胞减少的原因之一。
磁场使红细胞体积增大,携氧能力增加
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