基于STM32的紅光治療儀控制系統(tǒng)

摘要 經(jīng)臨床研究發(fā)現(xiàn)，高功率固定波長紅光具有促進細胞代謝活動、改善肌肉萎縮、加快組織修復，并有一定的消炎和鎮(zhèn)痛作用，開始廣泛應用于臨床。其主要臨床應用是：復雜難愈性創(chuàng)面、燒傷燙傷等的創(chuàng)面、糖尿痛足及糖尿病性潰瘍、其他多種潰瘍、壞疽砭手術(shù)瘺口等。文中基于STM32單片機，研究了紅光治療儀的實現(xiàn)原理和控制系統(tǒng)設計。克服了市場上紅光治療儀存在的成本高、性能不穩(wěn)定、操作復雜、工作時間短等缺點，使紅光治療儀具有更廣泛的市場前景。
關(guān)鍵詞 STM32；紅光治療儀；控制系統(tǒng)

    介紹了基于STM32的紅光治療儀控制系統(tǒng)STM32具有性價比高、外設豐富、集成度高、功耗低、開發(fā)方便等優(yōu)點，因此STM32在單片機領(lǐng)域及嵌入式應用具有一定的優(yōu)勢，并逐漸成為產(chǎn)品開發(fā)的主流。紅光治療儀主要由紅光LED燈、24電流可控開關(guān)電源、水循環(huán)冷卻系統(tǒng)、安全系統(tǒng)、人機交互界面等組成如何實現(xiàn)紅光LED燈的光強調(diào)節(jié)、治療時間調(diào)節(jié)、水循環(huán)冷卻系統(tǒng)、人機交互界面等問題，成為研究的重點。對普通24 V開光電源進行改進，使開光電源實現(xiàn)了以模擬電壓方式調(diào)節(jié)電源的電流輸出。本控制系統(tǒng)應用STM32103VCT6的優(yōu)異DAC外設功能控制紅光LED電源的功率，實現(xiàn)紅光治療儀紅光強度，不需要專門的DAC芯片，節(jié)約了制作控制飯的成本。應用STM32103VCT6的串口外設進行控制系統(tǒng)與人機交互系統(tǒng)的通信，STM32集成的RTC模塊實現(xiàn)實時時鐘顯示，使操作界面更加簡易和優(yōu)美。應用了STM32103VCT6的ADC外設采集水溫傳感器模擬電壓和IO口采集水保護的開關(guān)信號，建立了水保護和水溫檢查系統(tǒng)，使紅光治療儀性能穩(wěn)定、安全性高 控制系統(tǒng)采用半導體制冷系統(tǒng)實現(xiàn)紅光治療儀的水循環(huán)冷卻系統(tǒng)，使紅光治療儀工作時間更長。

1 基于STM32的紅光治療儀控制系統(tǒng)
    圖1為控制系統(tǒng)框圖

    基于STM32的紅光治療儀電路圖?？刂葡到y(tǒng)選用STM32系列中的STM32103VCT6作為控制芯片，因芯片有兩個DAC，兩個串門，內(nèi)部集成的RTC模塊圖2中的PA4引腳是芯片的DAC1，控制系統(tǒng)采用DAC1與LED電源控制板中的DAC_POWER接口相連來控制LED電源電流大小。圖3中的USAR T1_TX和USART1_RX分別是串口1的發(fā)送引腳和接收引腳，用串口1與觸摸屏實現(xiàn)串口通信，從而實現(xiàn)人機交互系統(tǒng)。具有ADC功能的PC0引腳與水溫傳感器相連，用ADC定時采集水的溫度。圖4是水保護部分，TLP181是單向光耦，當有水流時水開關(guān)打開，光耦不導通，PD6 IO口高電平。當無水流是水閉合，光耦工作，PD6 IO口低電平。

    圖5是報警部分，PB5 IO口通過1 kΩ電阻與三極管8050的基極相連，當PB5輸出高電平時8050三極管導通驅(qū)動DZ1蜂鳴器。當PB5輸出低電平時三極管截止，DZ1蜂鳴器不工作。當水溫過高或無水流時，在PB5輸出高電平驅(qū)動蜂鳴器報警。圖6中電池BT1的正極與STM103F32VCT6的BAT引腳相連，為芯片內(nèi)部集成的RTC實時時鐘供電，控制系統(tǒng)不供電時，RTC照常工作。圖7 中的PE8、PE9引腳分別通過330 Ω電阻與光耦相連，通過輸出高低電平來控制馬達的正反轉(zhuǎn)。當PE8輸出高電平、PF9輸出低電平時，馬達正轉(zhuǎn)。當PE8輸出低電平、PE9輸出高電平時，馬達反轉(zhuǎn)。通過馬達的正反轉(zhuǎn)來控制紅光治療儀的治療頭高度。圖8是紅光LED電源控制接口板原理圖，首24 V紅光LED電源對紅光LED供電，0．1 Ω的R3與LED串聯(lián)，采集經(jīng)過紅光LED的電流，將電流轉(zhuǎn)化為電壓信號，此電壓信號與控制芯片的DAC1輸出的電壓通過比較運放器比較，而比較運放器的1腳與紅光LED 電源中的電流控制芯片的12腳相連。當經(jīng)過紅光LED中的電流不夠大時，在R3上的壓降小于設置的DAC1輸出電壓，這時比較運放器截止，紅光LED電源提高供電電流直到R3上壓降大于設置的DAC1輸出電壓，這時比較運放器導通，紅光LED電源輸出恒定電流。

2 控制系統(tǒng)軟件架構(gòu)
    初始化程序中對STM32F103VCT6的時鐘，IO口，DAC、串口1、全局變量等初始化。串口接收觸摸屏程序中串口1接收從觸摸屏發(fā)送過來的16進制數(shù)據(jù)治療時間沒置、治療強度設置、治療頭高度調(diào)節(jié)程序中對從串口1接收的數(shù)據(jù)進行處理。報警系統(tǒng)實時監(jiān)測水流狀況、水溫并做相應處理。時鐘顯示程序在顯示器上實時顯示時鐘。系統(tǒng)用到RTC秒中斷，中斷主要是對59 s進行清零。

3 實驗程序
    DAC實驗：通過按鍵KEY0，KEY1來調(diào)節(jié)DAC輸出電壓的大小按照原理圖即圖9所示接好硬件電路在MDK開發(fā)環(huán)境下建立DAC工程，采用V3．  1．1庫函數(shù)進行軟件編程。

4 實驗結(jié)果
    在MDK開發(fā)環(huán)境下編譯工程，生成DAC．hex執(zhí)行文件，通過JLINK V8 下載到控制板中運行，接好硬件電路，通過按鍵KEY0、KEY1，調(diào)節(jié)和測量紅光光輻射功率。圖10是DAC輸出電壓與紅光光輻射功率的關(guān)系圖。

    由圖可知紅光輻射功率隨DAC輸出電壓變化而變化，且能達到70 mW·cm-2要求。

5 結(jié)束語
    文中介紹了基于STM32的紅光治療儀控制系統(tǒng)，實現(xiàn)了紅光治療儀所要求的功能。應用STM32F103VCT6作為主控制芯片，STM32具有豐富的外設，低功耗，方便的開發(fā)環(huán)境，使系統(tǒng)更加節(jié)約成本，縮短開發(fā)環(huán)境，性能更好。建立了控制系統(tǒng)，驗證了本系統(tǒng)在紅光治療儀上應用的可行性。