电子针灸仪设计

河南科技大学毕业设计(论文) 针灸仪设计(控制电路) 摘 要 传统中医针灸疗法包括两部分：针疗法和灸疗法。简单的讲，针疗法就是通 过毫针刺激人体的穴位，从而调节人体内源性调节系统，发挥治病防病的效果； 灸疗法就是通过艾条（或者其它代替品）燃烧的热量作用于人体穴位、经络，从 而调节人体内源性调节系统，发挥治病防病的效果。传统中医针灸疗法中的针疗 法与灸疗法既是相互独立的，又是互为补充的，灵枢官能说：“针所不为， 灸之所宜。”正是体现了两者相辅相成的关系。现代医学工作者根据前人积累下 的丰富经验加以总结和研究，研制出了电针仪和灸疗仪1-2。然而，单纯的电针 仪和灸疗仪功能单一，不适用于传统针灸疗法所涵盖的各种病症，从而限制了其 在临床上的广泛应用，因此，发展一种既可以进行针刺激又可进行灸疗的多功能 针灸治疗仪成为迫切的临床需求。 本文利用电子和微处理器技术，以时基集成电路555为主要器件，设计了连 续波脉冲、断续波脉冲、幅度调制脉冲和频率调制脉冲等多种针灸刺激波形发生 电路，实现了多路输出，独立调节和控制，并给出设计原理框图和相应的参考电 路；以8051单片机为核心设计了单片机控制系统，包括外部数据存储器、键盘单 元和显示单元三部分。 关键词：针灸，电针，灸疗，脉冲电路，单片机 河南科技大学毕业设计(论文) I THE DESIGN OF CHINESE ACUPUNCTURE （b）DIP8双列直插封装 LM555/LM555C系列产品引脚功能如下表所示: 表2-1 LM555/LM555C系列产品引脚描述 引脚编号符号功能说明 GND 地线 TR 触发 1 2 3OUT 输出 4RES 复位 5CV 控制电压 6TH 阈值 7DIS 放电 8VCC 电源 2.2.4 LM555/LM555C 系列替换器件 以下各厂商的时基集成 555 电路均可直接替换同型号的 LM555/LM555C 系列 产品。 河南科技大学毕业设计(论文) 8 表2-2 LM555/LM555C系列替换器件 国家半导体摩托罗拉德州仪器日电飞利浦日立西格尼蒂克 LM555MC1455NE555PC1555CA555HA17555SE555 2.3 连续脉冲发生电路 采用由555与其外围电路组成的占空比连续可调的脉冲振荡电路，如图23 所示。 图2-3 连续脉冲发生电路 图中二极管D1为充电引导管，二极管D2为放电引导管，充电回路为 R1D1R3左(R3左半部分)C，放电回路为CR3右(R3右半部分)D2R29。充 放电的时间可以由式（21）来确定： （21） CRRT CRRT )32(2ln )31(2ln 右放 左 充 理论上讲，只要R1、R2、R3的值设置的合适，调节电位器的大小就可以使占 空比在0.0199.99%之间改变。上图中通过调节R3可以改变输出脉冲的宽度和 频率。当各参数的设置如上图时，输出频率为60HZ、宽度约为200S的矩形波， 脉冲波形如下： 河南科技大学毕业设计(论文) 9 图2-4 连续脉冲波形 2.4 间断波发生电路 由于555的输出受控于它的复位端（即第4脚），当复位端为高电平时，555 有输出；当复位端为低电平时，输出被截至，即输出为0。因此可以利用另外一 片555的输出来控制连续脉冲发生电路的复位端得到所需的间断波。现在需要做 的就是用一片555来产生周期为3S的方波，称为间断波调制电路。 2.4.1 间断波调制电路 间断波调制电路实际上就是周期为3S的方波产生电路，本次设计采用无稳类 电路（即多谐振荡电路）中的直接反馈型电路来实现此功能。 图2-5 间断波调制电路 河南科技大学毕业设计(论文) 10 该电路的特点是RA直接反馈至输出端，与Vo相连，其用途之一就是方波的输 出，输出方波的周期可以由式（22）来确定10： （22） 1 2lnCRTT A 放充 由此式得出各参数的大小如上图所示。值得注意的是，图中各参数是将计算 得出的理论值进行微调的结果，这样做是因为由于仿真软件本身的误差使得由理 论值仿真出的波形与实际期望的波形之间存在一定的误差，因此，需要通过调整 各参数将误差降为最小。调整后的输出波形如下： 图2-6 间断波调制波形 2.4.2 间断波发生电路 将间断波调制电路的输出接至连续脉冲发生电路的复位端即可构成间断波发 生电路。效果图如图26所示： 河南科技大学毕业设计(论文) 11 图 2-7 间断波发生电路 产生的波形如下： 图 2-8 间断波脉冲 上图中出现的波形重叠现象是由于示波器的Timebase栏中的Scale项设 置过大造成的，将数值变小即可消除此现象，在这里为了在一个屏幕中显示出一 个周期的波形不得不将数值设置的较大。 2.5 幅度调制脉冲发生电路 幅度调制脉冲电路可以由周期为 2S 的锯齿波电路和连续脉冲发生电路相乘 得到。 河南科技大学毕业设计(论文) 12 2.5.1 锯齿波发生电路 如下图所示，555 接成无稳态多谐振荡状态。为了产生从 0 开始的干充电锯 齿波，增加了级联放大器 Q2、Q3，Q2 的基极接 555 的输出端 3 脚，Q3 与 C2 并接 至控制端 5 脚，使得当 3 脚呈高电平时，Q2 导通，Q3 截至止，5 脚得控制电压仍 为集成片内的标准基准电压 2/3VCC，而当 3 脚呈低电平时，Q2 截止，Q3 饱和导 通，5 脚的电位几乎被箝至 0V，因而 C1 放电也放至 0V 左右，555 才置位，3 脚 转呈高电平，C1 的充电也几乎从 0 开始。Q1 为场效应管，它与 RW、C1 组成恒流 源充电电路，使充电线性好。Q4、Q5 接成复合射极跟随器，用于进行阻抗变换和 提高负载能力。调节 RW 可以改变锯齿波的周期，调整 R3 至合适值可以使充电从 0 开始11。 图 2-9 锯齿波发生电路 产生锯齿波波形： 图 2-10 周期为 2S 的锯齿波 河南科技大学毕业设计(论文) 13 2.5.2 幅度调制脉冲发生电路 将锯齿波发生电路的输出与两许脉冲发生电路的输出通过一个乘法器输出后 便可得到需要的波形。电路如下所示： 图 2-11 幅度调制脉冲发生电路 为了使输出脉冲的幅度满足 012V 的要求，这里采用+5V 的 VCC。输出波形 见下页。 图 2-12 幅度调制脉冲 2.6 频率调制脉冲发生电路 频率调制脉冲发生电路由锯齿波发生电路、压控振荡电路和单稳态触发电路 构成。其中锯齿波发生电路和压控振荡电路组成一个脉冲宽度调制电路，然后将 脉冲宽度调制电路的输出端接至单稳态触发电路的输入端，调整单稳态出发电路 河南科技大学毕业设计(论文) 14 的电容电阻值得到需要的波形即可。 2.6.1 脉冲宽度调制电路 一、压控振荡电路 一般的振荡器若要改变振荡频率必须改变选频网络的参数值。在这里使用的 由555定时器构成的振荡器，只要改变加在输入端（5脚）的控制电压就可改变振 荡电路的输出频率。这样的振荡器就我们电压控制振荡器，简称压控振荡器。压 控振荡电路的原理图如下页图2-13所示。 图2-13 压控振荡原理图 输出波形的振荡周期可用如下公式计算： 21 TTT i i UV UV CRRT CC CC 1211 2/ ln)( 122 2lCRnT 二、脉冲宽度调制电路 选定VCC的值，根据对疏密波的要求算出输入电压Ui的范围，然后由锯齿波 发生器产生符合要求的锯齿波（锯齿波原理图见图2-8所示），将锯齿波发生电 路的输出接至压控振荡电路的输入端即可构成脉冲宽度调制电路。原理图如下： 河南科技大学毕业设计(论文) 15 图2-14 脉冲宽度调制电路 上图中，由于锯齿波发生电路的输出达不到要求，故而在其后接了一级同相 比例运算电路14。 三、单稳态触发电路 单稳态出发电路是由555定时器组成的电路中最简单的一种，它是以555的2 脚作为脉冲输入端，6、7脚接一起，在其与电源之间接电阻、与地之间接电容， 5脚经滤波电容接地10。具体原理图如下所示： 图2-15 单稳态触发电路及波形图 （a）单稳态触发电路原理图；（b）单稳态触发电路波形图 输出的脉冲宽度TW等于暂稳态的持续时间，而暂稳态的持续时间取决于外接 电阻R1和C1的大小。由图2-15可知，TW等于电容电压在充电过程中从0上升到 2/3VCC所需要的时间，因此可得： 河南科技大学毕业设计(论文) 16 CCCC CC W VV V CRT 3 2 ln 11 11 3lnCR 通常，R1的取值在几百欧姆到几兆欧姆之间，电容的取值范围在几百皮法到 几百微法，TW的范围为几微秒到几分钟。但是必须注意，随着TW的宽度的增加它 的精度和稳定度也在下降。 根据对脉冲宽度的要求设置合适的参数，并将脉冲宽度调制电路的输出接至 单稳态触发电路的输入端便可实现疏密波的输出。 河南科技大学毕业设计(论文) 17 第三章 控制单元及软件设计 3.1 控制单元简介 单片机控制单元主要用于脉冲模式的选择与控制。就该单元由三部分组成： 外部存储器扩展单元、外部键盘扩展单元以及外部显示器扩展单元。本项目中由 于所需存储数据量较小，因此不再进行外存储器的扩展。 3.2 单片机的选择 3.2.1 8051 单片机简介 MCS-51 单片机是美国 INTE 公司于 1980 年推出的产品，与 MCS-48 单片机相 比，它的结构更先进，功能更强，在原来的基础上增加了更多的电路单元和指令。 MCS-51 单片机可以算是相当成功的产品，一直到现在，MCS-51 系列(或其兼容的 单片机)仍是应用的主流产品，各高校及专业学校的培训教材仍与 MCS-51 单片机 作为代表进行理论基础学习。 本文中采用控制电路比较简单，功能也不太复杂，故而选择目前市场上通用 的高档 8 位 MCS-51 系列单片机 8051。8051 是 MCS-51 系列单片机中的代表产品， 它内部集成了功能强大的中央处理器，包含了硬件乘除法器、21 个专用控制寄存 器、4KB 的程序存储器、128 字节的数据存储器、4 组 8 位的并行口、两个 16 位 的可编程定时/计数器、一个全双工的串行口以及布尔处理器。此类单片机具有 体积小、功能全、面向控制、开发应用方便的特点，是工业实时控制、智能控制、 测控领域的首选。 河南科技大学毕业设计(论文) 18 3.2.2 8051 单片机管脚及功能 图 3-1 8051 单片机管脚图 一、电源引脚 VCC和 VSS VCC：电源端，接5V。 VSS：接地端，通常在 VCC和 VSS引脚之间接 0.1f 高频滤波电容。 二、时钟电路引脚 XTAL1 和 XTAL2 XTAL1：接外部晶振和微调电容的一端，在片内它是振荡器倒相放大器的输 入，若使用外部 TTL 时钟时，该引脚必须接地。 XTAL2：接外部晶振和微调电容的另一端，在片内它是振荡器倒相放大器的 输出，若使用外部 TTL 时钟时，该引脚为外部时钟的输入端。 三、地址锁存允许 ALE 在系统扩展时，ALE 用于控制地址锁存器锁存 P0 口输出的低 8 位地址，从而 实现数据与低位地址的复用。当单片机上电正常工作后，ALE 端就周期性地以时 钟频率的 1/6 的固定频率向外输出正脉冲信号。 四、外部程序存储器读选通信号 是读外部程序存储器的选通信号，低电平有效。CPU 从外部存储器取指 令时，它在每个机器周期中两次有效。 五、程序存储器地址允许输入端/Vpp 当为高电平时，CPU 执行片内程序存储器指令，但当 PC 中的值超过 0FFFH 时，将自动转向执行片外程序存储器指令。当为低电平时，CPU 只执行片外程 序存储器指令。 河南科技大学毕业设计(论文) 19 六、复位信号 RST 该信号高电平有效，在输入端保持两个机器周期的高电平后，就可以完成复 位操作。此外，该引脚还有掉电保护功能。 七、输入/输出端口 P0P3 P0 口（P0.0P0.7，3932 脚）：是一个 8 位漏极开路型的双向 I/O 口。 第二功能是在访问外部存储器时，分时提供低 8 位地址线和 8 位双向数据总线。 P1 口（P1.0P1.7，18 脚）：P1 口是一个带内部上拉电阻的 8 位准双向 I/O 端口，一般可作为 I/O 口。在 P1 口作为输入口使用时，应先向 P1 口锁存器 写入全 1，此时 P1 口引脚由内部上拉电阻拉成高电平。 P2 口（P2.0P2.7，2128 脚）：P2 口是一个带内部上拉电阻的 8 位准双 向 I/O 端口。在访问片外 EPROM/RAM 时，它输出高 8 位地址。 P3 口（P3.0P3.7，1017 脚）：P3 口是一个带内部上拉电阻的 8 位准双 向 I/O 端口，此外 P3 口的每个脚还具有如表 3-1 所示的第二功能。 表 3-1 P3 口的第二功能 序号第二功能 P3.0 RXD(串行接收) P3.1 TXD(串行发送) P3.2 INT0(外部中断 0 输入) P3.3 INT1(外部中断 1 输入) P3.4 T0 (定时器 0 外部输入) P3.5 T1 (定时器 1 外部输入) P3.6 WR（外部数据存储器写信号） P3.7 RD（外部数据存储器读信号） 3.3 锁存器的选择 3.3.1 锁存器简介 锁存器就是把当前的状态锁存起来，使 CPU 送出的数据在接口电路的输出端 保持一段时间不发生变化，直到解除锁定或复位。 锁存有地址锁存和数据锁存之分。当用作地址锁存器使用时，需要将锁存器 的锁存允许端 LE 接至单片机的 ALE 管脚；当用作数据锁存器使用时，可按具体 河南科技大学毕业设计(论文) 20 情况将锁存器的锁存允许端 LE 接至单片机的 P0 或 P1 口。 本设计中采用三态输出的八位透明锁存器 74LS373。 3.3.2 74LS373 管脚及功能 图 3-2 74LS373 管脚 各管脚功能如下： D0D7：数据/地址输入端； Q0Q7：数据/地址输出端； ：三态允许控制端（低电平有效）； LE：锁存允许端； 3.3.3 74LS373 真值表 表 3-2 位 74LS373 的真值表，表中各符号的意义为：Dn 为输入，Qn 为输出， H 代表高电平，L 代表低电平，Q0 为输出端初始状态，表示无论高低电平，Z 表示输出呈高阻态。 表 3-2 74LS373 真值表 DnLEQn HHLH LHLL LLQ0 HZ 3.4 硬件电路图设计 河南科技大学毕业设计(论文) 21 3.4.1 硬件电路图 硬件电路图设计如图 3-3 所示。 图中用单片机的 P1 口作为输入口，输入高低电平，高低电平的选择通过按 键的断开和闭合来实现；P0 口作为输出口，输出高低电平来控制发光二极管与双 向模拟开关 4066 的导通和截至。 图 3-3 针灸仪控制电路图 3.4.2 硬件电路的工作原理 在图 3-3 中的输入与输出之间存在如下的对应关系： 当按键 1 按下时，P1.0 为 0，这时编程使 P0.0 和 P0.4 的输出分别为 0 和 1，使二极管 DS1 和 4066 的 A 组正常工作； 当按键 2 按下时，P1.2 为 0，这时编程使 P0.1 和 P0.5 的输出分别为 0 和 1，使二极管 DS1 和 4066 的 B 组正常工作； 当按键 3 按下时，P1.2 为 0，这时编程使 P0.2 和 P0.6 的输出分别为 0 和 1，使二极管 DS3 和 4066 的 C 组正常工作； 当按键 4 按下时，P1.3 为 0，这时编程使 P0.3 和 P0.7 的输出分别为 0 和 1，使二极管 DS1 和 4066 的 D 组正常工作； 由于采用了数据锁存器，通过锁存 P0 口的不同状态可使各种序列的波形连 续输出，当完成治疗时，按下复位端的开关便可使仪器停止工作。 河南科技大学毕业设计(论文) 22 3.4.3 程序流程图 图 3-4 程序流程图 3.4.4 软件编程 ORG 0000H START: JNB P1.0 AA ；P1.0 为 0？若是 0 执行子程序 AA JNB P1.1 BB ；P1.1 为 0？若是 0 执行子程序 BB JNB P1.2 CC ；P1.2 为 0？若是 0 执行子程序 CC JNB P1.3 DD ；P1.3 为 0？若是 0 执行子程序 DD AA: SJMP D12MS ；调用延时程序 JB P1.0 START ；P1.0 为 1？若是则返回到开始 CLR P1.4 ；将 P1.4 置 0 MOV A，#01EH MOV P0，A ；二极管 DS1 亮，模式 1 输出 SETB P1.5 CLR P1.5 ；将 P0 口数据锁存 JMP $ ；原地等待 BB: SJMP D12MS ；调用延时程序 JB P1.1 START ；P1.1 为 1？若是则返回到开始 河南科技大学毕业设计(论文) 23 CLR P1.4 ；将 P1.4 置 0 MOV A， #2DH MOV P0，A ；二极管 DS2 亮，模式 2 输出 SETB P1.5 CLR P1.5 ；将 P0 口数据锁存 JMP $ ；原地等待 CC: SJMP D12MS ；调用延时程序 JB P1.2 START ；P1.2 为 1？若是则返回到开始 CLR P1.4 ；将 P1.4 置 0 MOV A，#4BH MOV P0，A ；二极管 DS3 亮，模式 3 输出 SETB P1.5 CLR P1.5 ；将 P0 口数据锁存 JMP $ ；原地等待 DD: SJMP D12MS ；调用延时程序 JB P1.3 START ；P1.3 为 1？若是则返回到开始 CLR P1.4 ；将 P1.4 置 0 MOV A，#87H MOV P0，A ；二极管 DS4 亮，模式 4 输出 SETB P1.5 CLR P1.5 ；将 P0 口数据锁存 JMP $ ；原地等待 D12MS: MOV R0，#18H ；延时 12ms 子程序（晶振 12MHz） D12A: MOV R1，#OF8H DJNZ R1，$ DJNZ R0，D12A RET 河南科技大学毕业设计(论文) 25 结 论 毕业设计是本科学习阶段一次非常难得的理论与实际相结合的机会。在硬件 电路设计过程中，通过学习理论、模拟仿真等一系列实践使我对时基集成电路 555 和 MCS-51 系列单片机有了更深入的理解和掌握。在软件设计过程中，通过查 阅资料、尝试编程等实践，使我使用汇编语言编写程序的能力得到了极大的锻炼。 另外通过这次设计我摆脱了单纯的理论知识学习状态，理论和实际的结合锻炼了 我综合运用所学专业基础知识的能力，并且通过不断的查阅资料、搜索相关网页， 使我掌握了快捷、有效的查找方法。同时对设计整体的把握，对局部的取舍，以 及对细节的斟酌处理，都使我的能力得到了锻炼，经验得到了丰富，抗压能力及 耐力也都得到了不同程度的提升。我想这些正是我们进行毕业设计的目的所在！ 本设计对电子针灸仪电针治疗部分作了详细的分析和研究，给出了相关电路 图和仿真波形，对控制单元做出了硬件原理图并进行了程序的编写。遗憾的是由 于各种原因本人未能进行实际的硬件电路制作，不过我始终相信如果条件允许我 能够完成硬件电路的制作。 另外本文纯属个人观点，仅希望能对有兴趣研究针灸仪的电子爱好者一些帮 助。本人也衷心期望在不久的将来有能之士能够设计出新型的电子针灸仪器，为 人类的医疗事业作出贡献。 河南科技大学毕业设计(论文) 26 参考文献 1 章小平,龙目恒,黄尚廉.针灸电子化进程.器械博览,2002,2(2),4145 2 刘志朋,殷涛.多功能中医针灸治疗仪的研制与应用.生物医学工程与临床, 2002,6(2),106108 3 霍刚,晋志高.国外针灸文献的发展及现状概况.中国针灸.2006,2(6), 424426 4 王雪苔.针灸的国际化与现代化.中国针灸.2004,24(2),7577 5 王宏伟.走出国门的针灸.科技视野.2005,4(2),2324 6 张斌,孙玉霞,刘选民.针灸器械的类别与原理探讨.陕西中医学院学报, 2004,25(5),1617 7 乔振民.一种电针用脉冲波的设计.石家庄职业技术学院报.2005,17(6), 24 8 刘志朋,殷涛,关晓光.中医针灸电针治疗电路设计.中国医疗器械杂志, 2002,26(6),185206 9 周仲.集成电路应用 350 例.北京:电子工业出版社,1992:7177 10 阎石.数字电子技术基础.第 4 版.北京：高等教育出版社,2004:348356 11 佚名.555 线性度好的锯齿扫描电压电路. 12 李新民.电子模拟针灸仪的设计.医药产业资讯.2005,2(21),1317 13 林和安.电针治疗仪探讨.无线电月刊.1973,2,15 14 童诗白,华成英.模拟电子技术基础.第 3 版.北京:高等教育出版社, 2004:336341 15 韩全立.单片机控制技术及应用.北京:电子工业出版社,2004:136167 16 杨金岩,郑应强,张振仁.8051 单片机数据传输接口扩展技术与应用实例.北 京:人民邮电出版社,2005:128 17 王力,张伟.Protel DXP 库元器件手册.北京:人民邮电出版社,2003 18 郭耸人.电针治疗仪的改进与推广.福建省医疗器械研究所,2000,8,22 19 苏成父.自制家用电疗仪.电机电器技术.1998,3,4852 20 孙涵芳,徐爱卿.MCS-51、96 系列单片机原理及应用.北京:北京航空航天大 学出