基于51單片機的電子針灸原理及應用

1、基于51系列單片機的電子針灸原理及應用摘 要針灸的原理是運用一枚小小的銀針刺入人體的穴位，以調(diào)節(jié)人體內(nèi)各個不協(xié)調(diào)的部分，使血氣流通而重新獲得平衡，故能促進人體各部分活動功能正常，達到康復各種機能的目的。它還能起著鎮(zhèn)痛、鎮(zhèn)靜和安寧的作用。電針儀是一種能產(chǎn)生包括有各種類型脈沖的儀器。利用這種儀器所產(chǎn)生的脈沖通過扎針輸入人身各部分的經(jīng)絡，產(chǎn)生刺激作用，以代替用手不斷運針所產(chǎn)生的人工機械振蕩之刺激作用。本設計使用單片機控制，四路波形同時輸出，且參數(shù)可單獨設置，輔之以加熱功能，不但本身操作簡單，且能增加對人身穴位的刺激，因而擴大了針刺治療的范圍和效能。關鍵詞：電子針灸；51單片機；多波形Abstract

2、The principle of acupuncture and moxibustion is using a small silver needle to insert into acupoint of human body, thus to adjust the discordant parts of the human body and smoothen the animal spirits. So it can promote the function of body to be normal and reach the purpose of recover. It can also

3、ease pain, calm and maintain quiet. Electro-therapeutic apparatus is a apparatus which can generate all types of pulses. We can make use of the pulses generated by this apparatus by needling to transfer it into acupoint of each part of the body, thus to pruduce stimulation to take the place of the s

4、timulation of handy machinery oscillation produced by handy moving the needle. In this design, we use MCU to control and can output four channels of waves simultaneously with each parameter being setuped independently, which are complemented by function of heating. It is not only operated easily, bu

5、t also can increase the stimulation to the acupoint of human bodies, thus expands the scope and effectiveness of needling treatment.Key words：Acupuncture and Moxibustion; Acusector; Warming Needle; 51MCU; Therapeutic Apparatus目 錄中文摘要.英文摘要.1 電針溫針治療的應用背景.11.1 針灸療法概述.11.2 電針治療原理.12 低頻電療的生理及病理基礎.22.1 神經(jīng)

6、肌肉興奮的原理.22.1.1 細胞的興奮性.22.1.2 興奮的傳導和肌肉收縮.32.2 痛覺.32.2.1 痛覺的產(chǎn)生.32.2.2 疼痛的病理生理特點.42.3 低頻電流的生理和治療作用.42.3.1 興奮神經(jīng)肌肉組織.52.3.2 鎮(zhèn)痛. 即時鎮(zhèn)痛作用. 多次治療后的鎮(zhèn)痛作用.52.3.3 促進局部血液循環(huán).53 電針治療儀的硬件設計.63.1 波形參數(shù)及其產(chǎn)生電路.63.1.1 脈沖寬度.63.1.2 頻率要適中.73.1.3 波形的形狀.73.1.4 電路構(gòu)成.83.2 穴位探測.83.3 系統(tǒng)性能指標.83.4 系統(tǒng)構(gòu)成.93.4.1 單片機選型及系

7、統(tǒng)接口擴展.9 3.4.2 DA和通道切換控制部分.103.4.3 單個通道控制及變壓輸出.113.4.4 探穴部分.123.4.5 加熱部分.133.4.6 其他.134 軟件設計方案.134.1 程序流程圖.134.2 程序設計要點.154.2.1 主函數(shù)說明.154.2.2 定時器分配、設置.154.2.3 各種波形參數(shù).154.2.4 多路同時輸出、參數(shù)獨立可調(diào)的實現(xiàn)(Timer2中斷函數(shù)) .164.2.5 各種波形的編程實現(xiàn).164.2.6 關于工作定時的說明.174.2.7 其他.175 總結(jié).17參考文獻.18注釋.18致謝.231 電針溫針治療的應用背景1.1 針灸療法概述針

8、灸是針法和灸法的合稱。針法是把毫針按一定穴位刺入患者體內(nèi)，用捻、提等手法來治療疾病。灸法是把燃燒著的艾絨按一定穴位熏灼皮膚，利用熱的刺激來治療疾病。針灸通過經(jīng)絡、腧穴的作用，以及應用一定的手法，來達到治療全身疾病的目的1。針灸可以達到疏通經(jīng)絡的效果。疏通經(jīng)絡的作用就是可使淤阻的經(jīng)絡通暢而發(fā)揮其正常的生理作用，是針灸最基本最直接的治療的作用。經(jīng)絡“內(nèi)屬于臟腑，外絡于肢節(jié)” ，運行氣血是其主要的生理功能之一。經(jīng)絡不通，氣血運行受阻，臨床表現(xiàn)為疼痛、麻木、腫脹、瘀斑等癥狀。針灸科選擇相應的腧穴和針刺手法及三棱針點刺出血等使經(jīng)絡通暢，氣血運行正常2。針灸療法具有很多優(yōu)點：第一，有廣泛的適應癥，可用于內(nèi)

9、、外、婦、兒、五官等科多種疾病的治療和預防；第二，治療疾病的效果比較迅速和顯著，特別是具有良好的興奮身體機能，提高抗病能力和鎮(zhèn)靜、鎮(zhèn)痛等作用；第三，操作方法簡便易行；第四，醫(yī)療費用經(jīng)濟；第五，沒有或極少副作用，基本安全可靠，又可以協(xié)同其他療法進行綜合治療。這些也是它始終受到人民群眾歡迎的原因。1.2 電針治療原理凡是具有生命的生物體內(nèi)，都會有一種獨特的電流。人類的心臟、腦、肌肉、神經(jīng)等身體內(nèi)的每個部位都會發(fā)出自身感覺不到的非常微弱的低頻電流，這被生物學家們稱為“生物電流”。生物電流對身體機能的正常發(fā)揮起著非常重要的作用，尤其是對身體內(nèi)的細胞、神經(jīng)經(jīng)絡等方面的協(xié)調(diào)運行更是具有重要的意義?，F(xiàn)代科學

10、研究證明，人體大約是由60M個細胞組成，每個靜息活細胞都存在細胞膜電位，細胞在膜電位的作用下，使周圍的鈉離子、鉀離子、氯離子形成梯度排列，并通過離子的交換進行新陳代謝活動。人體生命活動在各種各樣情況下，都應保持一定的電位平衡，當人體有病變時，人體細胞的電位就不平衡。中國傳統(tǒng)醫(yī)學講究氣血循環(huán)、經(jīng)絡通暢，中醫(yī)里經(jīng)常提到的“痛則不通，通則不痛”，實質(zhì)是指經(jīng)絡而言，經(jīng)絡在人體正常生理情況下，起到協(xié)調(diào)內(nèi)外平衡陰陽的作用，發(fā)揮營內(nèi)衛(wèi)外的功能。而現(xiàn)代科學研究證實：如果經(jīng)絡的營運功能受到外因的干擾造成不通，那么人體內(nèi)的氣血運行也會受阻，而氣血被稱為人體之“電氣”，即人體生物電流，也即人體內(nèi)的生物電流受阻，同樣

11、如果人體的神經(jīng)細胞電位失衡，會造成電阻增大、電流不通，電信號傳遞受阻，也會引起相關神經(jīng)和相關組織的病痛。而經(jīng)絡是疾病在體表或皮下組織上所呈現(xiàn)的反應系統(tǒng)，經(jīng)穴為經(jīng)絡上的反應點，所以在一定反應點上通過電流可以使細胞電位恢復正常，打通電流，使患者的經(jīng)絡在瞬間暢通，使之達到“通則不痛”的目的，故能達到通經(jīng)活絡、通氣活血、消除病痛之神奇效果。人們可以采用一定頻率的電流作用于人體上的經(jīng)穴處，特別是與人體自身的生物電流頻率相同的電流來調(diào)整人體內(nèi)的生物電流，使其得到平衡，并修復神經(jīng)細胞的電位、減小電阻，保持神經(jīng)系統(tǒng)的電流暢通，神經(jīng)電信號傳遞流暢，達到促進相關組織病痛的康復目的。根據(jù)以上原理和目的，人們發(fā)明了電

12、療儀。本設計便是基于以上原理的一種多通道輸出并輔助以溫熱功能的綜合低頻電療儀，經(jīng)實驗性能和效果良好。2 低頻電療的生理及病理基礎2.1 神經(jīng)肌肉興奮的原理2.1.1 細胞的興奮性細胞是生物體的基本構(gòu)造單位，人體所有的生理功能和生化反應都是在細胞極其產(chǎn)物的物質(zhì)基礎上進行的。組織或細胞具有對外界刺激發(fā)生反應的能力，即具有興奮性。細胞的興奮與許多因素有關。 (1)、刺激與反應：刺激，泛指細胞所取環(huán)境因素的任何改變，常見的刺激因子有化學、機械、溫度、電、光等。任何刺激要引起組織興奮，必須有一定的刺激強度、刺激持續(xù)時間和刺激強度的變化率。三者互相影響，組成了可興奮組織的強度-時間曲線關系。引起組織興奮所

13、需的最小刺激強度（閾值）與刺激的持續(xù)時間呈反變關系，即當刺激較強時，只需較短的刺激時間就可引起興奮；當刺激強度較弱時，需較長的刺激時間才能引起組織興奮。但當刺激強度低于基強度時，無論刺激時間怎樣延長，也不能引起組織興奮；同樣，當刺激時間短于某值時，無論怎樣加大刺激強度，也不能引起組織興奮。不同組織（如神經(jīng)與肌肉組織）的基強度、最小刺激持續(xù)時間（脈沖寬度）不同。 當細胞處于興奮狀態(tài)時，在受刺激部位首先出現(xiàn)動作電位，而各種細胞的外部表現(xiàn)如肌肉收縮和腺體分泌等，都是由動作電位觸發(fā)引起的。在細胞接受一次刺激而興奮后的一個短時間內(nèi)，其興奮性產(chǎn)生明顯的變化，即出現(xiàn)絕對不應期和相對不應期。在絕對不應期，無論

14、刺激強度多大，細胞都不能再興奮。不同組織的不應期有很大的差異，如神經(jīng)纖維的絕對不應期為0.5ms，骨骼肌細胞為2ms，心肌細胞更是高達200400ms，所以理論上神經(jīng)纖維每秒內(nèi)能產(chǎn)生和傳導的動作電位數(shù)可達2000次，也就是說頻率2000Hz以下的每個脈沖刺激均能使神經(jīng)纖維產(chǎn)生一次興奮。但實際上神經(jīng)纖維在體內(nèi)傳導的沖動的頻率，低于理論上可能達到的最大值，一般認為每秒為1000次左右，所以臨床上把1000Hz的頻率作為低、中頻電療法的分界。 (2)、興奮的產(chǎn)生：在安靜情況下，細胞的膜電位（靜息電位）是膜外為正，膜內(nèi)為負。當膜的極化狀態(tài)受到破壞，并達到一定程度（閾值）時，首先出現(xiàn)膜的去極化，并引發(fā)一

15、個動作電位。動作電位的產(chǎn)生是細胞興奮的標志，它只有在刺激滿足一定條件或在特定條件下刺激強度達到閾值時才能產(chǎn)生。神經(jīng)興奮的傳播或神經(jīng)沖動，實質(zhì)上是沿著神經(jīng)傳導的動作電位。2.1.2 興奮的傳導和肌肉收縮可興奮細胞的特征之一是細胞膜的任何一處產(chǎn)生的動作電位，都可傳給與它相鄰接的膜結(jié)構(gòu)。一個細胞向另一個細胞的興奮傳遞，則以縫隙連接、激素-受體相互作用、突觸連接等方式進行。神經(jīng)細胞之間、神經(jīng)細胞與肌肉細胞之間的興奮傳遞是經(jīng)突觸連接傳導的。興奮傳播的機理簡述如下。 (1)、興奮的傳播：興奮的傳導，就是動作電位的擴布。由于去極化后產(chǎn)生膜電位的暫時倒轉(zhuǎn)，使膜外電位低于鄰近靜息部位，而膜內(nèi)電位高于鄰近靜息部位

16、，于是在興奮區(qū)和靜息區(qū)之間構(gòu)成局部電流，該電流使鄰近靜息區(qū)產(chǎn)生動作電位。而這一新動作電位的部位又與鄰近膜之間形成局部電流，依次類推，使興奮逐漸向前移行。在無髓神經(jīng)纖維和肌肉纖維，興奮傳導是連續(xù)性的過程，而在有髓鞘神經(jīng)纖維上，興奮傳導是從一個郎飛氏節(jié)(Ranvier's node，注1)跳躍到另一個郎飛氏節(jié)的跳躍傳導方式。(2)、神經(jīng)肌肉接頭的興奮傳遞和肌肉收縮：可簡述為興奮突觸小結(jié)突觸小泡釋放乙酰膽堿乙酰膽堿與運動終板上的受體結(jié)合終板電位興奮傳導到三聯(lián)管系統(tǒng)肌肉動作電位整個肌原纖維興奮肌絲滑行，肌小節(jié)變短肌肉收縮。2.2 痛覺 疼痛是人類共有而個體差異很大的一種不愉快的、復雜的主觀感覺

17、。疼痛提供軀體受到傷害性刺激威脅的警報信號，對機體具有保護意義。但另一方面，嚴重的慢性疼痛困擾著數(shù)以百萬計的人們，是臨床一大難題。2.2.1 痛覺的產(chǎn)生當機體受到傷害性刺激時，組織細胞破壞并釋放一些化學物質(zhì)，激活傷害性感受器(nociceptor)，后者將刺激轉(zhuǎn)為神經(jīng)沖動并迅速傳入到中樞而產(chǎn)生痛覺。痛覺是一種復雜的感覺，易受心理和其他因素的影響，在個體間有很大的差異。痛覺的產(chǎn)生和傳導涉及到周圍和中樞神經(jīng)系統(tǒng)的許多部分。 (1)、傷害性刺激引起傷害性感受器興奮：在人體皮膚、肌肉、關節(jié)和內(nèi)臟器官內(nèi)廣泛存在傷害性感受器。不同組織中的傷害性感受器的反應特性不同。一般認為痛覺感受器是游離的神經(jīng)末梢，任何

18、傷害性刺激均是痛覺感受器的適宜刺激，且只要達到一定的強度就會引起疼痛。這些傷害性刺激包括炎癥、損傷、冷熱、壓迫等物理刺激和酸堿等化學刺激。(2)、痛覺傳導纖維：神經(jīng)纖維根據(jù)其直徑大小和電生理特征分為A類、B類、C類（見表1），其中A纖維和C纖維傳導痛覺。由此可將傷害性感受器分為“A傷害性感受器”和“C傷害性感受器”，前者傳導刺痛，后者傳導灼痛。A纖維興奮閾值低。傳導速度快，主要傳導快痛。C纖維興奮閾值高，傳導速度慢，主要傳導慢痛。表1 神經(jīng)纖維的分類A類（有髓）B類（有髓）C類（無髓）AAAAsCdrC纖維直徑m132281348141.2傳導速度m/s701203070

19、1530123032.0來源初級肌梭傳入纖維支配梭外肌傳出纖維皮膚的觸壓覺傳入纖維支配梭內(nèi)肌的傳出纖維皮膚痛溫覺傳入纖維植物神經(jīng)節(jié)前纖維植物神經(jīng)節(jié)后纖維后根中傳導痛覺的傳入纖維2.2.2 疼痛的病理生理特點(1)、疼痛是機體組織受到較強的物理化學因子刺激所產(chǎn)生的復雜的局部或全身的病理生理變化；(2)、機體對疼痛的感受程度和反應大小，與疼痛的性質(zhì)、強度、范圍、持續(xù)時間密切相關；(3)、疼痛與精神心理狀態(tài)相關；(4)、可同時伴有其他感覺障礙、運動障礙等癥狀。2.3 低頻電流的生理和治療作用低頻電流的生理作用和治療作用包括：(1)、興奮神經(jīng)肌肉組織；(2)、鎮(zhèn)痛；(3)、促進局

20、部血液循環(huán)；(4)、促進傷口愈合；(5)、促進骨折愈合；(6)、消炎；(7)、鎮(zhèn)靜催眠作用。前三種是主要作用，后四種是次要作用。下面著重介紹三種主要作用。2.3.1 興奮神經(jīng)肌肉組織只有不斷變化的電流才能興奮神經(jīng)肌肉組織，引起肌肉收縮，恒定直流電是不能引起神經(jīng)肌肉興奮的，因此低頻脈沖電流的主要治療作用之一是引起神經(jīng)肌肉興奮。用電刺激作用于神經(jīng)時，必須是外向電流，而且只有達到一定的強度才能引起興奮。因此，當?shù)皖l脈沖電流刺激神經(jīng)干時，興奮易發(fā)生在陰極下方。當?shù)皖l電流的陽極、陰極并置于神經(jīng)干上方時，電流有兩條通路。一是從陽極通過皮下組織到陰極，另一條是從陽極通過神經(jīng)纖維再到陰極。當皮下組織的阻抗很小

21、時（如兩電極靠得太近時），電流的大部分將通過阻抗最小的通路，即皮下組織。要使通過神經(jīng)纖維的電流達到引起興奮的強度，就必須增大刺激強度或使電極的放置合理。2.3.2 鎮(zhèn)痛 即時鎮(zhèn)痛作用是電療中和電療后數(shù)分鐘至數(shù)小時內(nèi)所發(fā)生的鎮(zhèn)痛作用。其作用機理概括如下。 (1)、低頻電流興奮粗(A)纖維SG細胞興奮閘門關閉痛覺傳入減弱或受阻鎮(zhèn)痛(2)、低頻電流興奮脊髓背角膠質(zhì)區(qū)抑制痛覺的傳入鎮(zhèn)痛(3)、低頻電流腦高級中樞內(nèi)源性痛覺調(diào)制系統(tǒng)釋放5-HT、阿片肽、GABA、NA等遞質(zhì)脊髓背外側(cè)束抑制脊髓背角神經(jīng)元鎮(zhèn)痛(4)、低頻電流刺激沖動脊髓皮層感覺區(qū)干擾痛覺鎮(zhèn)痛(5)、低頻電流產(chǎn)生震顫感和肌肉顫動

22、興奮粗纖維疼痛的傳導受干擾和受阻鎮(zhèn)痛 多次治療后的鎮(zhèn)痛作用多次治療后的鎮(zhèn)痛，與產(chǎn)生即時鎮(zhèn)痛作用的各種因素和局部血液循環(huán)改善而帶來的有利反應有關。局部血液循環(huán)的改善能減輕局部缺血、緩解酸中毒、加速致痛物質(zhì)和有害的病理產(chǎn)物的清除、減輕組織和神經(jīng)纖維間水腫、改善局部營養(yǎng)代謝，從而消除或減弱了疼痛的刺激因素，達到鎮(zhèn)痛效應3。2.3.3 促進局部血液循環(huán)低頻電流有改善局部血液循環(huán)的作用，其作用可能通過以下途徑產(chǎn)生：(1)、軸突反射：低頻電流刺激皮膚，使神經(jīng)興奮，傳入沖動同時沿著與小動脈壁相連的同一神經(jīng)元之軸突傳導，使小動脈壁松弛，出現(xiàn)治療當時和治療后電極下的皮膚淺層充血發(fā)紅。(2)、低頻電

23、流刺激神經(jīng)（尤其是感覺神經(jīng)）后，使之釋放出小量的P物質(zhì)和乙酰膽堿等物質(zhì)，引起血管擴張反應。(3)、皮膚受刺激釋放出組織胺，使毛細血管擴張，出現(xiàn)治療后稍長時間的皮膚充血反應。(4)、電刺激使肌肉產(chǎn)生節(jié)律性收縮，其活動后的代謝產(chǎn)物如乳酸、ADP、ATP等有強烈的擴血管作用，能改善肌肉組織的供血。(5)、抑制交感神經(jīng)而引起血管擴張，如間動電流作用于頸交感神經(jīng)節(jié)，可使前臂血管擴張；干擾電流作用于高血壓患者的頸交感神經(jīng)節(jié)可使血壓下降。3 電針治療儀的硬件設計3.1 波形參數(shù)及其產(chǎn)生電路目前，人們制造和使用的傳統(tǒng)電療儀都是采用變頻、脈沖等方式，既有低頻治療儀、中頻治療儀和高頻治療儀之分，波形又有三角波、方

24、波、梯形波、正弦波、階梯波、指數(shù)波等。3.1.1 脈沖寬度脈沖寬度要盡量窄。施用脈沖電壓較高時，發(fā)現(xiàn)對神經(jīng)系統(tǒng)引起的刺激較大，當然治療作用也較顯著。但如其平均電流過大時，則會引起扎針部分肌肉收縮或皮膚燒傷等有害問題。平均電流越大則問題越顯著存在。我們要求得到較大的刺激，但又不讓肌肉有收縮或皮膚燒傷的現(xiàn)象，就要盡量縮窄脈沖寬度。這樣雖然脈沖的強度極高能產(chǎn)生較大刺激，但其平均電流仍是很低的，因此便符合了我們的要求。請參考圖1。在實踐治療過程中，發(fā)現(xiàn)在用電療儀時，初時不可一下子就采用最大脈沖電壓刺激，應先稍微刺激一下，然后才逐漸加強輸出，這樣病人才能適應。a b圖1 脈沖寬度與平均電流的關系a 寬脈

25、沖b 窄脈沖3.1.2 頻率要適中脈沖頻率的選用，也是十分重要的問題。醫(yī)用電療頻率的劃分依據(jù)所采用電流頻率的不同，可以將電療法主要區(qū)分為三大類：(1)、低頻電療法：采用頻率為0-1,000Hz的電流； (2)、中頻電療法：采用頻率為1,000-100,000Hz的電流；(3)、高頻電療法：采用頻率100,000Hz以上的電流。一般需根據(jù)病情和病因而決定，實驗中證明采用20-400 Hz頻率范圍時取得的效果最好。3.1.3 波形的形狀在長期的研究和實踐中發(fā)現(xiàn)，使用極低頻鋸齒波電流來作電療時，會對人體正常部位不產(chǎn)生刺激作用，但對失調(diào)部分肌肉將會產(chǎn)生刺激，不過這種刺激效果并不顯著。經(jīng)過實驗發(fā)覺用鋸齒

26、波來調(diào)制圖1b所示的窄脈沖時，對病人的治療效果最佳。它是由多個脈沖組成，而其波幅強度是按照鋸齒波波幅的變化而變動。此種電療儀對人體神經(jīng)系統(tǒng)適應度較大，故能得到最理想的效能。請參考圖2。其余還有連續(xù)波、疏密波、輕捶波等。+ a b c圖2 鋸齒波調(diào)制波的形成a 窄脈沖 b 低頻鋸齒波 c 合成后的波形3.1.4 電路構(gòu)成傳統(tǒng)的電療儀多采用多諧振蕩式和間歇振蕩式等，但是控制頻率不穩(wěn)定，操作不便，而且不便于精確控制各種參數(shù)4。本設計采用單片機控制結(jié)合模擬電路的方式5，能夠做到友好的人機界面，精確且連續(xù)地調(diào)節(jié)各種參數(shù)，而且能輔以探穴和加熱功能。3.2 穴位探測經(jīng)過許多醫(yī)生和科學研究者的長期探討，發(fā)現(xiàn)凡

27、經(jīng)絡穴位與皮膚間的直流電阻都比身體其他部位低6。人體皮膚是一多層結(jié)構(gòu)的組織，分為表層和真皮層。表層由角質(zhì)層、棘細胞層等組成。皮膚在各層次上的結(jié)構(gòu)組成不同，就決定了皮膚在垂直方向上各層組織的電阻率有較大差異，在同皮膚相平行的方向上電阻率也有變化。1987年?？傮J等人的實驗表明7，經(jīng)絡線上的角質(zhì)層較線外角質(zhì)層薄，是造成低電阻的根本原因。根據(jù)這個原理就制成和發(fā)展了電子穴位探測儀，大大有助于扎針時對穴位的正確尋找，并對探討和尋找更多的新穴位提供了有利的條件。3.3 系統(tǒng)性能指標(1)、同時輸出四路四種波形；(2)、周期單獨可調(diào)（0.01s1.99s）；(3)、輸出脈沖寬度0.6±0.1ms；

28、(4)、幅度單獨可調(diào)（0099示042.4/43.2Vpp）；(5)、探穴，可調(diào)強度和靈敏度（0DA最高輸出），蜂鳴聲指示穴位；(6)、定時10min60min可調(diào)；(7)、溫針加熱功能，四路分別設置；(8)、自動保護：通電、切換波形、定時結(jié)束時禁止輸出，且強度清零；(9)、手動清零鍵同時存儲各路參數(shù)，斷電保持。3.4 系統(tǒng)構(gòu)成整個電路采用一片89C55單片機作脈沖發(fā)生和設置控制，由一組R-2R電阻網(wǎng)絡結(jié)合運放完成各通道脈沖強度的控制輸出，用一片CD4052多路器交替選擇四個通道完成強度切換、波形變換和調(diào)制、控制各路脈沖的發(fā)生等功能。對于每路通道分別控制強度和波形，經(jīng)變壓器同相和反相端放大后產(chǎn)

29、生足夠強度的波形。各路電路可分別驅(qū)動PTC電阻進行加熱實現(xiàn)溫針功能。探穴部分利用比較運算放大器對人體穴位電阻分壓值進行監(jiān)測控制一方波發(fā)生器實現(xiàn)，單片機檢測方波發(fā)生器的輸出并發(fā)出提示音。同時在工作定時結(jié)束時還可進行音樂提示。電源采用線性穩(wěn)壓電源，采用128*64圖形點陣液晶和按鍵完成交互，用戶界面友好。系統(tǒng)方框圖如下圖3所示。以下是各部分硬件電路方案。8051單片機數(shù)模轉(zhuǎn)換分路器升壓輸出及控制加熱探穴按鍵輸入顯示蜂鳴圖3 系統(tǒng)方框圖3.4.1 單片機選型及系統(tǒng)接口擴展本設計使用相對較少的硬件資源，其主要功能主要靠軟件實現(xiàn)，于是選用傳統(tǒng)的51系列8位單片機便能勝任，這樣既簡化了硬件設計，又易于集中

30、主要精力進行軟件的開發(fā)?？紤]到程序存儲器容量的限制，這里選用AT89C58單片機。以最少的硬件成本實現(xiàn)最大的功能，這也是本設計的主要特色。本系統(tǒng)要完成10個獨立按鍵掃描、一路DA數(shù)字量輸出和128*64圖形點陣液晶顯示等功能，故需進行I/O口擴展?？梢赃x用74系列芯片74HC377，但至少需要三片；也可選用專用I/O擴展芯片8255，不但節(jié)省成本，而且易于PCB布線，還方便采用總線方式進行操作。故在本設計中采用后者，8255的PA口設為輸出作為DA的數(shù)字量輸出，PB口和PC口設為輸入作為按鍵掃描的輸入。液晶采用總線方式進行操作。3.4.2 DA和通道切換控制部分為了節(jié)省成本，數(shù)模轉(zhuǎn)換部分用R-

31、2R梯形電阻網(wǎng)絡和單運放代替了昂貴的數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片DAC0832。經(jīng)計算，在電阻網(wǎng)絡的輸出端的電壓為，其中D為8255的PA口輸出的數(shù)字量0255。此電壓經(jīng)運放同相放大后，得到。由于8255輸出TTL電平的離散性，實際并不能達到+5V，可調(diào)整R10的值以調(diào)整輸出，這里測得若干片8255最大偏差約為0.5V，故以后在對電平要求精確的場合應考慮用74HC377或245等CMOS電平的器件。DA以2.5ms*4=10ms為周期依次輸出四個通道的強度量，經(jīng)CD4052分時復用后即在每個通道得到一個脈沖強度調(diào)制信號，完成了四通道強度單獨可調(diào)的設計。CD4052在周期為2.5ms的中斷里完成通道的切換(變換

32、CD4052的B、A端電平)，將DA輸出依次送與四個通道，未選中的通道瞬時輸出為0。由于通道切換和DA值變換同時發(fā)生，較巧妙地實現(xiàn)了四個通道同時輸出不同參數(shù)的波形。通道的導通控制信號也由CD4052在中斷內(nèi)同步產(chǎn)生并分時復用，節(jié)省IO口資源。如圖4所示。Vo1VoutR26圖4 DA輸出及通道選擇電路這里Atmel的單片機控制端要加約5.1k上拉電阻，才能保證高電平期間足夠的電平保證三極管導通。經(jīng)測試，R26=1k且不加上拉電阻時，在P1.5輸出1時，單片機引腳從4.8V經(jīng)200ns降至0.6V左右，導致晶體管不能充分導通。加5.1k上拉電阻后引腳電壓會降至1.2V，但可以充分導通。若改R26

33、=10k，則引腳電壓降至3.4V，可充分導通。初步認為引腳置1時1k(或10k)電阻與51k射極電阻分壓導致三極管導通，但然后引腳電壓被拉低(壓降=IR26*RALL)，導致不能充分導通。改為10k后或者IR26減小或者R26和內(nèi)部上拉電阻分壓變高導致引腳電平不至于很低。3.4.3 單個通道控制及變壓輸出對于每個通道，對上述分路輸出的脈沖強度調(diào)制信號(周期為10ms的方波序列)進行兩級濾波，基本達到平穩(wěn)直流電平，且電壓值隨DA數(shù)字量變化。其間經(jīng)過一復合三極管對電平控制信號進行擴流，最終送至變壓器中端作為正端電壓。變壓器的上下端為導通控制端，即通過變壓器的反相作用產(chǎn)生正負脈寬。上下端分別接至一開

34、關狀態(tài)工作的三極管，由單片機或經(jīng)分路后的信號控制。各端在三極管導通狀態(tài)下對地導通，在變壓器繞組上產(chǎn)生電流，在三極管高阻狀態(tài)下基本處于斷路，從而在輸出端得到脈沖。這里應注意三極管開關電路進行了電平轉(zhuǎn)換，以保證在上電后單片機上電后輸出默認為高電平的情況下開關電路處于截止，不會因直流電流而發(fā)生故障或所不期待的不安全隱患。二極管在這里保證電流的單向性，更重要的是為變壓器感應電壓提供泄電回路，以減少負沖。變壓器放大倍數(shù)約為5。電路如圖5所示。圖5 單個通道正負脈沖輸出電路3.4.4 探穴部分探穴檢測部分依靠兩個線性工作的運放，人體電阻和51k電阻R80的分壓值作為其一的同相輸入，通過調(diào)節(jié)另一端同相和反相

35、輸入的參考電平大小來改變探穴強度和靈敏度。人體電阻過小或兩調(diào)節(jié)電平過大均會引起輸出電平由低變高，二極管截止導致后面多諧振蕩器起振。通過對振蕩器的輸出進行監(jiān)測就可提示穴位，這里振蕩器周期約為0.3ms，在軟件設計時還可作為發(fā)提示聲的調(diào)制信號。后端二極管為保證低電平期間正常檢測。如圖6所示。圖6 探穴部分電路3.4.5 加熱部分控制電路比較簡單，為三極管開關電路，注意PNP三極管的使用使上電后默認關閉加熱。打開加熱后通過光電耦合過零觸發(fā)雙向可控硅控制PTC電阻實現(xiàn)對電針端恒溫加熱8?？煽毓枇阌|發(fā)方式是把可控硅導通的起始點限制在電源電壓過零處，它能很好抑制移相觸發(fā)所產(chǎn)生的高次諧波和避免因較大沖擊電流

36、引起的電壓瞬時大幅度下降9。PTC元件又稱為PTC熱敏電阻陶瓷，它是一類具有正的溫度系數(shù)的半導體功能陶瓷。PTC在轉(zhuǎn)變溫度之前，電阻隨溫度的升高而下降，溫度從轉(zhuǎn)變溫度到熱失控溫度之間，電阻隨溫度的升高而顯著增長，PTC元件具有恒溫發(fā)熱、自然壽命長、節(jié)能、無明火、安全性能好、發(fā)熱量容易調(diào)節(jié)及受電源電壓影響小等一系列傳統(tǒng)電熱元件所無法比擬的優(yōu)點。3.4.6 其他其余電路比較簡單常見，不再贅述。4 軟件設計方案4.1 程序流程圖程序流程圖（主函數(shù)）如圖7所示。否開始讀ROM并設置各通道參數(shù)初始化液晶，顯示歡迎界面初始化CPU及各定時器并開啟是清零鍵按下？清零，存儲，設置各變量和標志是通道鍵按下？切換

37、通道，顯示該通道各參量否檢測各按鍵并設置是治療強度增或探穴強度增否強度增鍵按下？是未按鍵情況下播放音樂否放音標志為1？圖7 程序流程圖4.2 程序設計要點由于該設計使用有限的硬件資源實現(xiàn)較多的功能，故單片機各資源做到了充分的復用。上電初始化后，該系統(tǒng)主要工作在“治療”和“探穴”兩種工作狀態(tài)，通過相應按鍵進行切換，并使用標志位(det_flag)以方便各按鍵和定時器等資源在不同狀態(tài)下的復用。各按鍵根據(jù)狀態(tài)標志位完成相應操作，各定時器在不同狀態(tài)下也根據(jù)狀態(tài)標志位完成相應功能。在同一狀態(tài)（如“治療”）下，各定時器也根據(jù)相應的標志完成多種任務。4.2.1 主函數(shù)說明初始設置，讀ROM，顯示歡迎界面，初

38、始化顯示，然后循環(huán)檢測按鍵進行相關設置，循環(huán)檢測音樂播放標志并播放。波形的發(fā)生均在定時器中斷函數(shù)內(nèi)完成，以滿足時間精度。4.2.2 定時器分配、設置所有定時器均工作于16位定時器方式，Timer2僅用于設置2.5ms單通道中斷進行通道參量切換，在放音狀態(tài)(msc_flag=1)可能處于啟動狀態(tài)，但由于各路強度為零，不會有脈沖強度和控制脈沖的輸出。此時不關閉定時器是為了下次重新開始工作的方便。在探穴狀態(tài)(det_flag=1)下該定時器關閉，不進行其他工作。Timer2處于低優(yōu)先級。Timer1在治療狀態(tài)(det_flag=0)下定時600us中斷用于控制脈沖的發(fā)送，其開啟在Timer2的中斷函

39、數(shù)中，到時后在timer1的中斷函數(shù)內(nèi)關閉。治療狀態(tài)下為高優(yōu)先級以保證優(yōu)先于Timer2執(zhí)行關閉脈沖。在探穴狀態(tài)(det_flag=1)下定時550us用于二、四雙通道的切換以及該路DA值(探穴強度和靈敏度)的輸出，仍處于高優(yōu)先級以優(yōu)先于用于放探穴提示音的Timer0保證輸出電平穩(wěn)定性。在探穴切換時要進行初始值等的重新設置。Timer0在治療狀態(tài)和非播放音樂狀態(tài)(det_flag=0 && msc_flag=0)設置為60ms用于工作定時，軟件計數(shù)(ms)滿1000為1min。為高中斷優(yōu)先級以保證計時準確。min=0后打開音樂播放(msc_flag=1)，仍使用該定時器做音調(diào)發(fā)

40、生器，而音樂音節(jié)長度則用延時實現(xiàn)，以節(jié)省定時器資源。探穴狀態(tài)(det_flag=1)下該定時器做500Hz探穴提示音發(fā)生器，在檢測到高電平期間發(fā)聲。此時要設為低優(yōu)先級。4.2.3 各種波形參數(shù)連續(xù)波注2：周期0.01-1.99s可調(diào)，脈寬600us。疏密波注3：密波周期0.01-1.99s可調(diào)，f密：f疏=4：1，循環(huán)發(fā)送38組密波和19組疏波，每組包括一個正脈沖和相隔10ms后的負脈沖?？倖沃芷跒?8*(tm+1)+19*(4*tm+1)，tm為設置周期值1-199，代表0.01-1.99s。輕捶波注4：周期0.01-1.99s可調(diào)，脈寬600us。正負交替，周期定義為正脈沖起點到負脈沖起點

41、。按摩波E1注5：周期0.02-0.24s可調(diào)，周期定義為正脈沖到負脈沖起點。為三角波對輕捶波調(diào)制，正負交替，幅值逐漸上升到最大后下降。三角波周期為10s，故一周期內(nèi)脈沖數(shù)為1000/tm，DA值步進為va*tm/500，其中va為DA輸出數(shù)字量。按摩波E2注6：周期0.02-0.24s可調(diào)，為鋸齒波調(diào)制正和負向連續(xù)波組成。其余同E1波。按摩波E3：周期不可調(diào)。持續(xù)時間25s*4，由三種波順序組成，E3_mode=0時，為變周期輕捶波，輕捶波周期在25s內(nèi)從0.80s遞減至0.05s，故每種周期值的波形持續(xù)時間約為33*10ms=25s/75，循環(huán)4個大周期。然后E3_mode=1，為變脈寬的

42、正向連續(xù)波和負向連續(xù)波交替，周期固定為0.03s，脈寬在5.53s內(nèi)從0-600us漸增，然后為反向變寬連續(xù)波，正負交替八次，故持續(xù)時間為5.53*8s。這里取5.53是因定時器從0到600us的定時計數(shù)以1漸變比較方便，即600*11.05292/12=553。然后E3_mode=2,為普通疏密波，密波周期為0.3s，疏波周期為1.2s。先14個疏波，后50各密波，大概各持續(xù)15s，共持續(xù)約30s。然后E3_mode=0，以此循環(huán)。4.2.4 多路同時輸出、參數(shù)獨立可調(diào)的實現(xiàn)(Timer2中斷函數(shù))定義結(jié)構(gòu)體存儲每個通道參數(shù)，故各通道調(diào)節(jié)不受影響，執(zhí)行時均通過同一程序段根據(jù)各自參數(shù)運行。關鍵

43、是多路同時輸出的實現(xiàn)，用周期為2.5ms的定時器2中斷，在中斷程序內(nèi)改變通道標記n(0-3)，并以該通道的參數(shù)完成通道切換(改變CD4052的A、B端)和該通道DA值的輸出(帶調(diào)制輸出的通道輸出為上次計算值)，然后針對該通道的波形模式完成是否發(fā)控制脈沖，發(fā)何種脈沖。mode=1、5單次均進行判斷，mode=0、2、3、4要等達到設定周期值后(以cn進行計數(shù))進行判斷和發(fā)送。4.2.5 各種波形的編程實現(xiàn)(1)、以下波形每次中斷時均執(zhí)行：疏密波 (mode=1)：在38*(tm+1)+19*(4*tm+1)個10ms脈沖內(nèi)進行判斷，根據(jù)正負脈沖的規(guī)律寫出判斷條件表達式，見程序。按摩波E3(mod

44、e=5)：設定E3_mode進行判斷，E3_mode=0時為變周期輕捶波，計數(shù)完成指定數(shù)目循環(huán)后置E3_mode為1，然后進行周期判斷，輕捶波的發(fā)生則同普通輕捶波。變脈寬正負連續(xù)波使定時器的初值遞減以完成脈寬漸增，然后進行周期判斷發(fā)連續(xù)波，設置E3_posf2進行正負判斷。然后置E3_mode為2，疏密波的發(fā)生同上利用表達式判斷，周期tm換為30即可。完成后置E3_mode為0循環(huán)，并置tm為80(0.80s)供變周期輕捶波用。(2)、以下波形在周期計數(shù)值滿時執(zhí)行：連續(xù)波：直接發(fā)正脈沖即可。輕捶波：設置M2_posflag標志進行正負脈沖交替。按摩波E1、E2：設置cn_tri對調(diào)制三角波或鋸齒波一個周期的發(fā)送脈沖進行計數(shù)，故_tri>=1000/chn.tm后清零。E1波無需判斷調(diào)制三角波前半周期和后半周期根據(jù)E1_posflag標志直接進行正負脈沖交替發(fā)送。E2波判斷前半周期后發(fā)正脈沖，后半周期發(fā)負脈沖。前半周期累加步進ch