基于嵌入式器件AT89C51SNDIC的電子治療儀設(shè)計

 1 引言

目前采用兩個電極片對稱覆蓋治療人體部位的電子治療儀，是通過電極片上的脈動電壓與治療人體部位電阻產(chǎn)生作用，在治療部位產(chǎn)生人體能夠感知的脈動電流，刺激神經(jīng)肌肉，使其收縮和舒張，產(chǎn)生運(yùn)動效應(yīng)，以達(dá)到治療目的。但目前市場上此類型治療儀產(chǎn)生的脈動電壓只有少數(shù)幾種，由于脈動電流頻率周期固定，如果某治療部位長期接受其脈動，就會產(chǎn)生抗療作用，引起自發(fā)性緊張，從而降低治療效果。為了解決這一問題，將MP3發(fā)出的隨機(jī)音樂信號引入治療儀，使音頻信號與2.4 kHz的中頻治療頻率進(jìn)行調(diào)制，產(chǎn)生多種脈動電壓和頻率周期不斷變換的脈動電流。它們隨音樂信號起伏變化而發(fā)生作用，使患者一邊欣賞著喜歡的音樂一邊接受治療，分散注意力，緩解緊張情緒，從而有助于提高治療效果。

現(xiàn)提出一種基于嵌入式器件AT89C51SNDIC的電子治療儀設(shè)計方案，并外擴(kuò)D/A、海量存儲器、鍵盤、顯示，實(shí)現(xiàn)基本的MP3功能;控制AT89C5lSNDlC產(chǎn)生音頻及2.4 kHz中頻信號，采用數(shù)字電路完成這兩種信號的調(diào)頻，再經(jīng)放大后，由變壓器隔離輸出脈動治療電壓。

2 工作原理

基于嵌入式器件89C51SNDIC的電子治療儀系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖l所示，分為信號產(chǎn)生與控制模塊、調(diào)頻輸出模塊、電源模塊3部分。

信號產(chǎn)生與控制模塊是由89C51SNDIC單片機(jī)、海量存儲器、鍵盤、USB端口、液晶顯示、D/A轉(zhuǎn)換器、音頻放大等部分組成。當(dāng)治療儀的USB端口插入電腦的USB接口時，經(jīng)單片機(jī)檢測后執(zhí)行U盤功能，可將選好的MP3歌曲復(fù)制到U盤(治療儀)。當(dāng)治療儀的USB端口未插入電腦的USB接口時，治療儀可做為MP3播報器。通過功能鍵設(shè)置歌曲、治療時間、音量，通過啟動/停止鍵控制治療儀。治療時，單片機(jī)產(chǎn)生兩個反相的2.4 kHz中頻信號F中頻、F中頻和一個音頻信號F音頻，同時將存儲的MP3格式的歌曲解碼為音頻數(shù)字信號，再經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換放大器放大后，送至耳機(jī)或喇叭。

調(diào)頻輸出模塊是由調(diào)頻、放大、輸出劑量調(diào)整、輸出變壓器、電極片等部分組成。對兩路反相中頻信號和一路音頻信號進(jìn)行調(diào)頻，調(diào)頻后的信號經(jīng)放大后，由輸出變壓器隔離輸出脈沖電壓，通過電極片對稱覆蓋到人體的治療部位，人體會感知到隨音樂起伏變化的電流刺激。通過輸出劑量調(diào)整，滿足人體不同治療部位以及皮膚干濕度的不同所能承受感知電流的要求。

電源模塊可提供15 V、5 V、3.3 V系統(tǒng)工作電壓。當(dāng)治療儀的USB端口插入電腦USB接口時，單片機(jī)執(zhí)行U盤功能，由電腦USB接口提供+5 V的電源。治療時，治療儀的供電電源是由220 V的交流電源經(jīng)變壓、整流、穩(wěn)壓、濾波產(chǎn)生。

3 硬件系統(tǒng)設(shè)計

3.1 MCU介紹

嵌入式器件AT89C51SNDIC集CPU、MP3解碼器、USB控制器等器件于一體。AT89C51SNDIC不但具有51系列單片機(jī)的控制功能，并可擴(kuò)展為MP3及U盤，采用PLCC封裝，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

AT89C51SNDIC的P0、P1、P3端口功能與5l系列單片機(jī)相兼容，另外增加了8位的P4端口、4位的P5端口。時鐘電路與復(fù)位電路連接法與51系列單片機(jī)。

首次使用該器件需要分別下載USB驅(qū)動程序、用戶程序。在AT89C51SNDIC的64 KBROM中，地址FOOOH—FFFFH已同化好4K字節(jié)Boot Loader代碼。出廠時，已將BLJB位置為1，這樣上電后自動執(zhí)行Boot Loader代碼，等待從USB接口下載U盤驅(qū)動程序或用戶程序目標(biāo)代碼。下載完成后，應(yīng)在下載軟件中將BIJJB位置為0，再次上電，自動執(zhí)行用戶程序。如果仍需要修改用戶程序，可將ISP引腳置為低電平。則上電復(fù)位后，自動引導(dǎo)執(zhí)行Boot Loader代碼，等待更新用戶程序。重新啟動用戶程序，應(yīng)將ISP引腳置為高電平。

3.2 信號產(chǎn)生與控制模塊

信號產(chǎn)生與控制模塊電路原理框圖如圖3所示。為實(shí)現(xiàn)MP3及U盤功能，AT89C51SNDIC單片機(jī)需外接一個NAND—Flash海量存儲器，這里選用16 MB的K9F2808U0C，其數(shù)據(jù)線I/00～I(xiàn)/07接P0端口，控制線接P5端口。MP3音頻解碼輸出信號，而該單片機(jī)的DOUT、DLCK、DSEL、SCLK引腳接D/A轉(zhuǎn)換器CS4330，經(jīng)過放大，輸出到耳機(jī)收聽MP3播放的歌曲。液晶屏接單片機(jī)的P2端口，與鍵盤相配合以顯示當(dāng)前治療儀的工作狀態(tài)。鍵盤上有4個按鍵，“音量/歌曲/定時”功能鍵接P1.0引腳，分別與P1.1引腳所接的“next”鍵和P1.2引腳所接的“previ—OHS”鍵相配合，實(shí)現(xiàn)音量調(diào)節(jié)、歌曲選定、治療定時等功能設(shè)定;而“啟動/停止”鍵接P1.3引腳。

AT89C51SNDIC單片機(jī)的P3.3引腳用于檢測當(dāng)前使用的是U盤還是MP3播放器。如將治療儀的USB引線接到電腦的USB端口，P3.3引腳則檢測到高電平，執(zhí)行U盤程序，此時，單片機(jī)的工作電源來自于USB接口;否則，P3.3引腳檢測到低電平，則執(zhí)行MP3程序。中頻信號F中頻、F中頻和音頻信號F音頻分別接AT89C5lSN—DlC單片機(jī)的P4.4、P4.5和DOUT引腳。

3.3 調(diào)頻輸出模塊

調(diào)頻輸出模塊電路原理圖如圖4所示。音頻信號F音頻分別與中頻信號F中頻和中頻相調(diào)制，產(chǎn)生兩個相位相反的調(diào)制波形，再經(jīng)9013、8050、D880Y放大后送至變壓器的兩個輸入端。變壓器中間抽頭電壓可通過毫安表所接的劑量調(diào)節(jié)電路進(jìn)行調(diào)整。47 kΩ電位器即劑量調(diào)節(jié)電位器，向下調(diào)則毫安表指示的電流變小，反之變大。變壓器隔離輸出電壓變化與輸入電壓同步變化。輸出電壓經(jīng)電極片與人體接觸，在人體內(nèi)產(chǎn)生感知電流。根據(jù)理療部位的不同以及皮膚的干濕程度不同，人體的感知電流也不一樣。理療時需要調(diào)整電位器，使理療者感覺舒適即可。

3.4 電源模塊

治療儀所需3.3 V、5 V、15 V的工作電壓都來自于電源模塊，其原理如圖5所示。3.3 V電壓可提供給嵌入式器件AT89C51SNDIC使用;5 V電壓可提供給調(diào)頻、放大電路使用;15 V電壓可提供給輸出劑量調(diào)節(jié)電路。其中，5 V穩(wěn)壓采用78L05，3.3 V穩(wěn)壓采用LDll17S33。當(dāng)使用U盤功能時，治療儀的USB端口插入電腦的USB接口，不接220 V的交流電源，單片機(jī)工作電壓則由USB接口提供。

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計

與硬件電路功能配合，系統(tǒng)軟件設(shè)計流程如圖6所示;鍵盤中斷服務(wù)程序流程如圖7所示。

5 結(jié)語

設(shè)計的便攜設(shè)備電池監(jiān)測系統(tǒng)利用可編程的電池電量監(jiān)測芯片BQ27210和外部高集成處理器C8051F304實(shí)現(xiàn)了對電池電量、可使用時間、溫度、電壓等信息的實(shí)時監(jiān)測，并通過I2C總線進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸處理，具有精度高，體積小，成本低等特點(diǎn)，現(xiàn)已應(yīng)用于某些手持?jǐn)?shù)據(jù)采集設(shè)備。