高频电子式手术刀的设计.doc

华南理工大学广州汽车学院华南理工大学广州汽车学院 专业课程设计报告专业课程设计报告 题目 高频电子式手术刀的设计题目 高频电子式手术刀的设计 专专 业 业 电气工程及其自动化电气工程及其自动化 班班 级 级 电气工程及其自动化电气工程及其自动化 2 2 班班 姓姓 名 名 黄黄 鹏鹏 学学 号号 200730881364200730881364 同组队员 同组队员 徐启锋徐启锋 张芳接张芳接 庞南星庞南星 吴秦梦吴秦梦 指导教师 指导教师 杨自力杨自力 日期 日期 20102010 年年 1212 月月 8 8 日日 目目 录录 目目 录录2 2 一 设计目一 设计目的的 1 1 二 设计要二 设计要求和设计指标求和设计指标 1 1 三 设计三 设计内容内容 2 2 3 1 高频电刀的工作原理 2 3 2 控制系统硬件的总体设计 2 3 2 1 高频电刀的硬件组成 3 3 3 振荡和功率放大部分 3 3 4 步进电机细分驱动电路 5 3 5 高频电刀的设计原则 5 3 6 高频电刀的使用和软件设计 6 3 6 1 单极模式 6 3 6 2 双极模式 6 四 本设计改进建议四 本设计改进建议 8 8 五 总结 感想和心得等 五 总结 感想和心得等 8 8 六 主要参考文献六 主要参考文献 1010 附录附录1010 1 1 1 一 设计目的 通过理论课的学习和生产实习 学生已经掌握了不少理论知识和生产实际知识 对于一个未来的工程技术人员来说 如何运用所学知识去分析和解决实际问题是至关 重要的 本课程设计的目的也正是如此 1 1 利用单片机实现 led 点阵屏的显示功能 1 2 通过本次课程设计加深对单片机课程的全面认识和掌握 对单片机课程的应 用进一步的了解 1 3 掌握 UPSD325X 80 型单片机的应用 并学会使用外部芯片辅助项目设计 1 4 锻炼通过自学与自己探索的方式解决问题的能力 1 5 通过此次课程设计将单片机软硬件结合起来对程序进行编辑 校验 锻炼实 践能力和理论联系实际的能力 1 6 锻炼团队分工合作与协调能力 二 设计要求和设计指标 本文所设计高频电刀已经投入使用 采用单片计算机作为高频电刀的中心控制器 完成输出功率的设置与调节 各种参数的设置与显示等其他控制与计算功能 通过 PWM 脉冲控制步进电机技术 实现功率的精确调解 保证刀头输出功率恒定 采用电子管 工 作频率为 4M 时 功率可达 150W 电路设计相对简单 实验表明 该高频性能完全可以和 进口的先进的电刀媲美 而生产成本则大为降低 但仍需在性能 安全及人机化方面做 了很多改进工作 以达到国外最先进技术水平 适应国际化的要求 本文创新点 电路中采用大功率电子管 谐振式输出电路 电路简单 可靠 PWM 脉冲控制 步进电机 进而精确控制可调电容的容值 保证刀头输出功率恒定 本项目的经济效益 20 万元 2 2 2 三 设计内容 3 1 高频电刀的工作原理 高频电刀是一种新型的取代机械手术刀进行组织切割的电外科器械 它通过电极 电刀笔和病人板 将高频电流送入人体 在电刀笔下的局部组织中形成高密度电流 从 而使局部产生高热而达到切割和凝结两种电外科效果 高频能量能够以对病人最小的 刺激通过人体而不会有任何电击危险 高频手术电刀不但使患者流溢出的血液少 而且 手术面干净 清晰 对医务人员的视觉影响小 有利于手术操作的准确性和快捷性 目前 已得到广泛应用 3 2 控制系统硬件的总体设计 高频电刀的硬件组成主要有 UPSD325X 80 型单片机作为核心控制单元 液晶显示 部分 振荡和功率放大 病人板 功率控制和方式选择开关 检测电路 脚踏 手柄控制 如图 1 所示 3 3 3 3 2 1 高频电刀的硬件组成 UPSD325X 单片机的特点 uPSD325x 系列单片机将 ST 公司著名的 PSD 可编程序系 统器件 和 8032 微控制器集成进一个芯片 形成一款功能强大的片上系统单片机 它 内含两块 Flash 存储器 SRAM 6 个 I O 口 可编程序逻辑 CPLD 电源管理 并具有 USB I2C ADC DDC 和 PWM 等片内外部设备 本设计步进电机 PWM 脉冲驱动信号 既是由单片机的 45 46 47 脚输出 单片机作为核心控制单元 通过光耦输出 对步进电机进行细分控制 完成对空气可 调电容进行精密调节的目的 达到功率精确控制 通过输出控制继电器的开关完成切 凝功率控制和方式选择 振荡和功率放大部分核心控制器件是电子管 使电路设计大大 简化 脚踏 手柄控制完成人机接口功能 检测电路报告电刀工作的状态 以便单片机进 行控制 3 3 振荡和功率放大部分 目前 高频电刀主要有三种形式 火花式振荡电刀 电子管振荡电刀 固体振荡 式电刀 本文设计的是电子管振荡高频电刀 振荡器是一种能自动地将直流电源能量 转换为一定波形的交变振荡信号能量的转换电路 反馈振荡器一般利用正反馈方法来 获得等幅的正弦振荡 在反馈振荡器中 LC 并联回路是最基本的选频网络 振荡器进 入平衡状态以后 直流电源补充的能量刚好抵消整个环路消耗的能量 在高频电刀中 采用谐振式输出电路 无需滤波即可输出很好的正弦功率波形 电子管振荡电刀通常由 大功率高频电子管与 LC 振荡回路组成 振荡比较稳定 输出为如图 2 所示的连续高频 等幅波 振荡和功率放大电路原理图如图 3 所示 电子管可采用大功率束射四极管或 五极管 其中 R1 和输出变压器的中心抽头相连 与电子管的帘栅极相连 构成超线性输 4 4 4 出级 使电子管非线性失真度大幅度降低 灯丝供电电压为 6 3V 交流电 L1 和整流桥 输出相连 然后供给电子管阳极 屏极 栅极接 LC 振荡电路 电子管的阴极通过开关接 地 图中开关均为继电器开关 继电器线圈有单片机的驱动信号通过光耦驱动 实现电 刀的单极和双极功率切换 其中 U1A 闭合时为双极 电容 C2 为 166PF 空气可变电容器 容值通过步进电机进行精密调节 单极纯切时输出功率最大 单极混切时输出功率次之 单极凝输出功率更小 双极凝 时输出功率最小 5 5 5 电子管的高频率 大功率的极限使晶体管的涉入尚有一定困难 电子管工作于高 频 大功率的电器中 优点是电路相对简单 而且对温度 过压 过流的影响 与半导体 器件比较相对可靠性更高 电路中所用电感值均较大 因此需注意绕制方法 由于分布电容在低频时影响不大 但 随频率的提高而渐显出来 当频率高到某个值以上时 电感也许变成电容特性了 因此 6 6 6 必须采用蜂房式绕制 蜂房式绕法的优点是体积小 分布电容小 而且电感量大 蜂房 式线圈都是利用蜂房绕线机来绕制 折点越多 分布电容越小 3 4 步进电机细分驱动电路 对于步进电动机控制系统的运动 只要能向驱动器发出两路信号就可满足要求 一 路为控制脉冲方波信号 另一路为正反 转控制方向电平信号 细分从本质上讲是通过对步进电机励磁绕组中电流的控制 使步 进电机内部的合成磁场为均匀的圆形旋转磁场 从而实现步进电机步距角的细分 最终 实现对电容 C2 值得精密调节 实现细分方式有多种方法 最常用的是脉宽调制式斩波 驱动方式 大多数专用的步进电机驱动芯片都采用这种驱动方式 TA8435H 就是其中一 种芯片 图 1 是单片机与 TA8435 相连控制步进电机的原理图 该电路用一片 TA8435 来驱动一 个两相混合式步进电机 输入信号有使能控制 正反转控制和时钟输入 通过光耦可将 驱动器与输入级进行电隔离 以起到逻辑电平隔离和保护作用 该电路工作在 1 8 细分 模式 M1 M2 接高电平 可减小低速时的振动 快恢复二极管可用来泄放绕组电流 由于 REF 引脚接高电平 输出级斩波电流为 VNF RNF 0 8 0 8 1A 当然也可将 M1 M2 接至 单片机的输入输出引脚 根据需要选择细分方式 3 5 高频电刀的设计原则 由于高频电刀是工作于人体这一特殊对象 因此有许多特殊的要求与限制 特别是 在安全性方面不能有丝毫差错 此外 高频电刀的输出还应有频谱要求 在电切时要求 输出高频电流的频谱越窄越好 最好是一跟单谱线 所以要求电刀输出波形为正弦 另 外 高频电刀为在不同人体上得到好的作用效果 对输出功率要进行控制 并且在工作 时应根据工作点人体电阻的变化输出不同的功率 即按照预定的功率输出曲线输出功率 好 的电刀功率曲线宽而平坦 而差的电刀是一峰状功率曲线 本设计从电路和软件上均给 与了充分的考虑并采取了相应的措施 设计了很好的人机对话界面 充分考虑了使用 生产和维修的要求 设计了相应的软件 以满足不同的要求 从而使用方便 生产简单 3 6 高频电刀的使用和软件设计 高频电刀有两种主要的工作模式 单极和双极 7 7 7 3 6 1 单极模式 在单极模式中 用一个完整的电路来切割和凝固组织 该电路由高频电刀内的高 频发生器 病人极板 接连导线和电极组成 在大多数的应用中 电流通过有效导线和 电极穿过病人 再由病人极板及其导线返回高频电刀的发生器 3 6 2 双极模式 双极电凝是通过双极镊子的两个尖端向机体组织提供高频电能 来达到凝固组 织的目的 它的作用范围只限于镊子两端之间 对机体组织的损伤程度和影响范围远比 单极的方式要小得多 高频电刀能输出各种不同波形的高频电流 当高频电流波形发 生改变时 电流对组织的切割效果也会发生变化 1 当高频电刀能输出固定的高频电流对应 电切 状态 高频电刀瞬时产生 大量的热量 这种热量能够使细胞汽化并切割组织 2 当我们使电刀输出一种周期性的高频电流时对应 电凝 状态 这种电流 的波形在单位时间产生的热量较少 因此与使细胞汽化效应不同的是 组织烧糊即呈现 出电凝的效果 3 当高频电刀输出一种介于 电切 和 电凝 之间的混合波形时 高频电 流对人体组织的热效应也介于 电切 和 电凝 之间 如图 5 所示 设计完成的高频电刀能完成单极电切 单极柔和电凝 单极强力电凝 双极 电凝 自动双极电凝 混切等功能 主程序流程图如图 6 所示 8 8 8 9 9 9 四 本设计改进建议 要做好一个课程设计 就必须做到 在设计程序之前 对所用单片机的内部结构 有一个系统的了解 知道该单片机内有哪些资源 要有一个清晰的思路和一个完整的 软件流程图 在设计程序时 不能妄想一次就将整个程序设计好 反复修改 不断改 进是程序设计的必经之路 要养成注释程序的好习惯 一个程序的完美与否不仅仅是 实现功能 而应该让人一看就能明白你的思路 这样也为资料的保存和交流提供了方 便 在设计课程过程中遇到问题是很正常德 但我们应该将每次遇到的问题记录下来 并分析清楚 以免下次再碰到同样的问题的课程设计结束了 但是从中学到的知识会 让我受益终身 发现 提出 分析 解决问题和实践能力的提高都会受益于我在以后 的学习 工作和生活中 设计过程 好比是我们人类成长的历程 常有一些不如意 但毕竟这是第一次做 难免会遇到各种各样的问题 在设计的过程中发现了自己的不 足之处 对以前所学过的知识理解得不够深刻 掌握得不够牢固 所以我们以后要努 力学习 设计出一个效果更好成本更低的高频电子式手术刀 五 总结 感想和心得等 单片机作为我们的主要专业课之一 虽然在大三开学初我对这门课并没有什么兴 趣 觉得那些程序枯燥乏味 但在这次课程设计后我发现自己在一点一滴的努力中对 单片机的兴趣也在逐渐增加 这次单片机课程设计我们历时两个星期 在我们班里算是倒数几组完成的吧 但 经过这两个星期的实践和体验下来 我们又怎么会去在乎那个先后问题呢 因为对我 来说学到的不仅是那些知识 更多的是团队和合作 现在想来 也许学校安排的课程 设计有着它更深层的意义吧 它不仅仅让我们综合那些理论知识来运用到设计和创新 还让我们知道了一个团队凝聚在一起时所能发挥出的巨大潜能 两个星期前我们五个人还在为到底选那个课题而发生分歧 最后还是在杨老师的 耐心分析和指导下完成了课题的选定 但是随之而来的问题却远比我们想的要困难的 多 过没想到这项看起来不需要多少技术的工作却是非常需要耐心和精力在两个星期 后的今天我已明白课程设计对我来说的意义 它不仅仅是让我们把所学的理论知识与 101010 实践相结合起来 提高自己的实际动手能力和独立思考的能力 更重要的是同学间的 团结 虽然我们这次花去的时间比别人多 但我相信我们得到的也会更多 作为一名电气工程及其自动化专业的大四学生 我觉得做单片机课程设计是十分 有意义的 而且是十分必要的 在已度过的大学时间里 我们大多数接触的是专业课 我们在课堂上掌握的仅仅是专业课的理论知识 如何去锻炼我们的实践能力 如何把 我们所学的专业基础课理论知识运用到实践中去呢 我想做类似的课程设计就为我们 提供了良好的实践平台 在做本次课程设计的过程中 我感触最深的当属查阅大量的设计资料了 为了让 自己的设计更加完善 查阅这方面的设计资料是十分必要的 同时也是必不可少的 我们是在做单片机课程设计 但我们不是艺术家 他们可以抛开实际尽情在幻想的世 界里翱翔 而我们一切都要有据可依 有理可寻 不切实际的构想永远只能是构想 永远无法升级为设计 其次 在这次课程设计中 我们运用到了以前所学的专业课知识 如 CAD 制图 汇编语言 模拟和数字电路知识等 虽然过去从未独立应用过它们 但在学习的过程 中带着问题去学我发现效率很高 这是我做这次课程设计的又一收获 我们通过查阅 大量有关资料 并在小组中互相讨论 交流经验和自学 若遇到实在搞不明白的问题 就会及时请教老师 使自己学到了不少知识 也经历了不少艰辛 但收获同样巨大 通过这次课程设计我也发现了自身存在的不足之处 虽然感觉理论上已经掌握 但在 运用到实践的过程中仍有意想不到的困惑 经过一番努力才得以解决 这也激发了我 今后努力学习的兴趣 我想这将对我以后的学习产生积极的影响 通过这次设计 我 懂得了学习的重要性 了解到理论知识与实践相结合的重要意义 学会了坚持 耐心 和努力 这将为自己今后的学习和工作做出了最好的榜样 我觉得作为一名电气工程 及其自动化专业的学生 单片机的课程设计是很有意义的 更重要的是如何把自己平 时所学的东西应用到实际中 虽然自己对于这门课懂的并不多 很多基础的东西都还 没有很好的掌握 觉得很难 也没有很有效的办法通过自身去理解 但是靠着这一个 多礼拜的 学习 在小组同学的帮助和讲解下 渐渐对这门课逐渐产生了些许的兴趣 自己开始主动学习并逐步从基础慢慢开始弄懂它 我认为这个收获应该说是相当大的 觉得课程设计反映的是一个从理论到实际应用的过程 但是更远一点可以联系到以后 毕业之后从学校转到踏上社会的一个过程 小组人员的配合 相处 以及自身的动脑和 111111 努力 都是以后工作中需要的 六 主要参考文献 1 Frain G et al Technology of APC with ParticularRegard to Endoscopic Applications J EndosopicSurgery and Allied Technologies 1994 2 1 100 2 徐正平 翟林培等 基于 DDS 技