中频理疗仪的控制系统

沈许龙

(南京信息职业技术学院，江苏南京210046)

1 概述

中频理疗仪是根据高压电界健康疗法和负离子疗效的原理，将交流电变换处理转换成对人体有益的负电位能量或脉动超能量电场，具有活化细胞，促进新陈代谢，改善血液循环和增强人体免疫力的作用，可以预防疾病、延缓衰老的作用［1］。中频理疗仪是一种疗效高、见效快、安全、使用方便和用途广泛的医疗保健器械，其性能稳定可靠，结构简单，操作方便，且价格低廉。

2 中频理疗仪的工作原理

中频理疗仪由五个部分组成，即电源部分、控制系统、负高压产生部分、中频能量产生部分和波形显示部分，其原理框图如图1所示。

图1 中频理疗仪原理框图

图1中，控制系统是利用单片机灵活的控制性能，采用硬、软件结合的方式，完成中频理疗仪的各项控制、显示和输出等功能;中频能量产生部分将输出频率为75 kHz，峰峰值为2 000 V，波形为正弦波或三角波、方波的中频电压;波形显示部分以LED阵列显示输出中频电压波形，同时还以倒计时方式显示剩余时间;负高压产生部分则输出－10 000 V的直流电压;电源部分则向上述各部分提供所需的电源。

在使用中频理疗仪时，用户可以通过面板上的按键来选择功能和设定参数。当用户根据需要按下能量输出和时间设定的按键时，单片机控制相应的部分通电工作，用户得到设定的理疗能量，同时，波形显示部分显示相应的波形、数码管显示剩余的时间。到了设定的时间，理疗仪将自动切断中频能量产生部分或负高压产生部分的输出，且响起蜂鸣器的响声以提醒用户。

显然，中频理疗仪是依靠控制系统来控制和协调其他部分工作的，因此控制系统是中频理疗仪的关键部件。本文只对控制系统作简单的介绍。

3 控制系统

针对控制内容多与显示形式多的特点，中频理疗仪的控制系统采用以单片机最小系统构成的硬件电路，并配合软件完成各项功能［2］。

3.1 硬件电路

控制系统的硬件电路框图如图2所示。可以看出，电路以单片机最小系统为核心，实现人机对话，并对各个电路进行控制。其中，单片机采用自带E2PROM的89C52芯片，键盘输入电路主要由多个按键开关组成，显示电路由双数码管及驱动电路组成，接口电路使控制输出等电路与单片机之间的电平匹配，看门狗电路由专用看门狗芯片MAX813L组成。

图2 系统硬件电路框图

当程序运行正常时，看门狗电路不断地接收到显示电路送来的信号，此时它不输出信号，即不干涉单片机工作;当程序运行出现异常时，显示电路没有信号送出，看门狗电路在1秒钟内接收不到信号时，立即给单片机一个复位信号，使理疗仪复位，切断各种形式的输出，使其处于等待状态。

3.2 软件编程

控制系统的软件编程框图如图3所示。理疗仪接通电源后，程序首先对各部分进行初始化，初始化结束后，时间显示为默认值“30”分钟，且单片机不断地检查有没有键被按下(即仪器处于“等待”状态)。当单片机确认有键按下时，它将判断是什么键，并将分别作出不同的反应。

若按下的是“参数设定类”键，则单片机按照该键的定义进行相应的参数设定，显示新设定的参数，设定结束后，程序返回等待状态，(图3中的左下部分)。

若按下的是“执行类”键，单片机进一步判别是“光波(即波形)启动”键还是“电位启动”键。若按下的是“光波启动”键，则单片机控制“光波”按照设定的频率“高或低”输出，并显示所输出的波形(正弦波或方波、三角波)，显示所剩的时间(即倒计时)，一旦倒计时结束，单片机切断“光波”输出，同时蜂鸣器报警15秒钟，程序返回到等待状态。若按下的是“电位启动”键，则单片机控制“负电位”按照设定的“高或低”输出，并显示“负电位”输出所剩的时间(即倒计时)，一旦倒计时结束，单片机切断“负电位”输出，同时蜂鸣器报警15秒钟，程序返回到等待状态(图3中的右下部分)。

图3 系统软件编程框图

3.3 主要技术指标

(1)电源要求:电压 DC(5±0.25)V，电流不小于200 mA。

(2)定时时间:10～90分钟任选，计时误差不大于0.5%。

(3)输出电平:标准TTL电平。

(4)输出功能

理疗仪有直流(负电位)和交流(正弦波或方波、三角波)输出两种，其中交流输出又称为光波动输出，直流和交流可以单独输出，也可以同时输出。在直流输出时，其电位有高或低两种选择;在交流输出时，其频率也有高或低两种选择。

(5)显示和指示功能

该理疗仪有倒计时的时间显示(单位为“分钟”，同时“秒”闪烁指示)，波形显示(正弦波、方波、三角波三种波形流水显示)，光波动频率高或低的指示，负电位高或低的指示。

4 控制系统的操作方法

由于中频理疗仪是依靠控制系统来控制和协调其他部分工作的，因此它的操作方法就是控制系统的操作方法。

4.1 接通电源

接通电源后，理疗仪处于“定时30分钟、正弦波，高电场、低光波动输出”的默认状态，它处于等待状态。

4.2 设置

用户根据需要，可以设定定时时间，选择负电位的高低、输出波形的类型和光波动频率的高低。

(1) 设定定时时间:有10、20、30、40、50、60、70、80、90 分钟9种。

(2)负电位高低的选择:按“高”键则为高的“负电位”输出，按“低”键则为低的“负电位”输出，且高和低是互锁的。

(3)输出波形的选择:有正弦波、方波、三角波3种输出波形。

(4)光波动频率高低的选择:按“高”键则为高的“光波动频率”输出，按“低”键则为低的“光波动频率”输出。

以上设置可以不按照次序操作，且可以选其中的一项或几项，也可以一项不选直接进入下一步的操作。

4.3 启动

按“负电位”、“光波动”任何一个启动键，仪器开始工作，此时秒显示灯闪烁，定时显示开始倒计时，输出波形以流水灯形式显示(负电位启动时不显示)。注意，负电位、光波动启动键可以随时操作;当倒计时为“00”时，仪器停止工作，且报警15秒钟后恢复原设定的分钟数显示，仪器处于等待状态。

5 研制过程中解决的主要问题

中频理疗仪在研制过程中，克服了许多困难，获得了成功，研制人员体会最深的有下述几点。

5.1 采用看门狗电路提高系统的可靠性

在中频理疗仪中频控制系统中，由于其控制对象的高压和频率都很高，因此电路经常有干扰信号串入，它可能使程序处于失控状态。为了保证系统的正常工作，采用了看门狗电路，当干扰信号使程序运行出现异常时能够自动复位，从而提高了系统的可靠性。

5.2 采用分压、取样和补偿等技术来测试中频高压的性能指标

在测试中频理疗仪的性能指标时，中频输出的频率为75 kHz、峰峰值为2 000 V这一指标很难直接测量。为此我们采取分压、取样和补偿等技术，解决了这一测试难题。

为了降低测试时的电压，可采用分压和取样技术，其测试原理如图4所示，图中，1为信号输入端，2为测试端，R2为负载电阻，R1=1 MΩ为取样电阻。由于中频信号源的输出电压很高，但输出的电流却非常小，因此负载电阻 R2的阻值必须很大，可取1 000 MΩ，这样R2两端的分布电容C1会影响测试结果，故必须在R1两端并接一个补偿电容C2，由理论得知，当其电容量C2=R1C1/R2时，才能得到正确的测试结果。

图4 测试原理图

由于分布电容 C1的值很小，很难确定其正确的数值［3］，则补偿电容 C2的值无法计算。为此，可采用调试的方法来得到。即在图4中的1端加一个1 kHz的方波信号，再用示波器观察2端的波形。改变C2的电容量，2端的波形有如图5所示的三种情况，其中图5(a)图属于过补偿，说明C2的电容量大了;图5(b)图属于欠补偿，说明 C2的电容量小了;图5(c)图属于临界补偿，此时C2的电容量满足C2=R1C1/R2。

图5 补偿电容量不同时的波形

5.3 改进和完善了生产工艺

为了使中频理疗仪符合生产的要求，研制人员除了在仪器的性能指标上达到设计标准外，并改进和完善了许多生产工艺，例如，安装LED阵列时，由于对其高度、位置精度要求很高，普通工艺很难做到，为此，我们制作了两套专用的装配夹具，这样既保证了安装精度，又提高了装配效率。又如，由于连接线经常受到拉扯而断线，为此采用了打孔穿线的方法，加固了连接线的接点强度，解决了线头常断的问题，提高了产品的可靠性。

［1］张丽敏.基于FPGA的多频电疗仪的设计［J］.内蒙古科技与经济，2008(1):93－94.

［2］何立民.单片机应用技术选编［M］.北京航空航天大学出版社，2004.3.

［3］郑应光.模拟电子线路(二)［M］.东南大学出版社，2002.7.