高頻電子式手術刀的設計

1、PAGE 華南理工大學廣州汽車學院電氣工程系PAGE 華南理工大學廣州汽車學院專業(yè)課程設計報告題目：高頻電子式手術刀的設計專 業(yè)： 電氣工程及其自動化 班 級： 電氣工程及其自動化2班 姓 名： 黃 鵬 學 號: 200730881364 同組隊員： 徐啟鋒 張芳接 龐南星 吳秦夢 指導教師： 楊自力 日期：2010 年 12 月 8 日目 錄 TOC o 1-3 h z u HYPERLINK l _Toc279620244 目 錄 PAGEREF _Toc279620244 h 2 HYPERLINK l _Toc279620245 一、設計目的 PAGEREF _Toc279620245

2、 h 1 HYPERLINK l _Toc279620246 二、設計要求和設計指標 PAGEREF _Toc279620246 h 1 HYPERLINK l _Toc279620247 三、設計內(nèi)容 PAGEREF _Toc279620247 h 2 HYPERLINK l _Toc279620248 3.1高頻電刀的工作原理 PAGEREF _Toc279620248 h 2 HYPERLINK l _Toc279620249 3.2控制系統(tǒng)硬件的總體設計 PAGEREF _Toc279620249 h 2 HYPERLINK l _Toc279620250 3.2.1 高頻電刀的硬件組

3、成 PAGEREF _Toc279620250 h 3 HYPERLINK l _Toc279620251 3.3振蕩和功率放大部分 PAGEREF _Toc279620251 h 3 HYPERLINK l _Toc279620252 3.4步進電機細分驅(qū)動電路 PAGEREF _Toc279620252 h 5 HYPERLINK l _Toc279620253 3.5高頻電刀的設計原則 PAGEREF _Toc279620253 h 5 HYPERLINK l _Toc279620254 3.6高頻電刀的使用和軟件設計 PAGEREF _Toc279620254 h 6 HYPERLIN

4、K l _Toc279620255 3.6.1 單極模式 PAGEREF _Toc279620255 h 6 HYPERLINK l _Toc279620256 3.6.2 雙極模式 PAGEREF _Toc279620256 h 6 HYPERLINK l _Toc279620257 四、本設計改進建議 PAGEREF _Toc279620257 h 8 HYPERLINK l _Toc279620258 五、總結(jié)（感想和心得等） PAGEREF _Toc279620258 h 8 HYPERLINK l _Toc279620259 六、主要參考文獻 PAGEREF _Toc27962025

5、9 h 10 HYPERLINK l _Toc279620260 附錄 PAGEREF _Toc279620260 h 10一、設計目的通過理論課的學習和生產(chǎn)實習，學生已經(jīng)掌握了不少理論知識和生產(chǎn)實際知識。對于一個未來的工程技術人員來說，如何運用所學知識去分析和解決實際問題是至關重要的。本課程設計的目的也正是如此。1.1、利用單片機實現(xiàn)led點陣屏的顯示功能。1.2、通過本次課程設計加深對單片機課程的全面認識和掌握，對單片機課程的應用進一步的了解。1.3、掌握UPSD325X-80 型單片機的應用，并學會使用外部芯片輔助項目設計。 1.4、鍛煉通過自學與自己探索的方式解決問題的能力。 1.5、

6、通過此次課程設計將單片機軟硬件結(jié)合起來對程序進行編輯，校驗，鍛煉實踐能力和理論聯(lián)系實際的能力。 1.6、鍛煉團隊分工合作與協(xié)調(diào)能力。二、設計要求和設計指標本文所設計高頻電刀已經(jīng)投入使用, 采用單片計算機作為高頻電刀的中心控制器,完成輸出功率的設置與調(diào)節(jié),各種參數(shù)的設置與顯示等其他控制與計算功能。通過PWM 脈沖控制步進電機技術,實現(xiàn)功率的精確調(diào)解,保證刀頭輸出功率恒定。采用電子管,工作頻率為4M 時,功率可達150W,電路設計相對簡單。實驗表明,該高頻性能完全可以和進口的先進的電刀媲美,而生產(chǎn)成本則大為降低。但仍需在性能、安全及人機化方面做了很多改進工作,以達到國外最先進技術水平,適應國際化的

7、要求。本文創(chuàng)新點:電路中采用大功率電子管、諧振式輸出電路,電路簡單、可靠。PWM 脈沖控制步進電機,進而精確控制可調(diào)電容的容值,保證刀頭輸出功率恒定。 本項目的經(jīng)濟效益:20 萬元。三、設計內(nèi)容3.1高頻電刀的工作原理高頻電刀是一種新型的取代機械手術刀進行組織切割的電外科器械。它通過電極(電刀筆和病人板)將高頻電流送入人體,在電刀筆下的局部組織中形成高密度電流,從而使局部產(chǎn)生高熱而達到切割和凝結(jié)兩種電外科效果。高頻能量能夠以對病人最小的刺激通過人體而不會有任何電擊危險。高頻手術電刀不但使患者流溢出的血液少,而且手術面干凈、清晰,對醫(yī)務人員的視覺影響小,有利于手術操作的準確性和快捷性,目前已得到

8、廣泛應用。3.2控制系統(tǒng)硬件的總體設計高頻電刀的硬件組成主要有:UPSD325X-80 型單片機作為核心控制單元,液晶顯示部分,振蕩和功率放大,病人板,功率控制和方式選擇開關,檢測電路,腳踏、手柄控制。如圖1 所示。3.2.1 高頻電刀的硬件組成 UPSD325X 單片機的特點:uPSD325x 系列單片機將ST 公司著名的PSD(可編程序系統(tǒng)器件)和8032 微控制器集成進一個芯片, 形成一款功能強大的片上系統(tǒng)單片機。它內(nèi)含兩塊Flash 存儲器、SRAM、6 個I/O 口、可編程序邏輯CPLD、電源管理、并具有USB、I2C、ADC、DDC 和PWM 等片內(nèi)外部設備。本設計步進電機PWM

9、脈沖驅(qū)動信號, 既是由單片機的45,46,47 腳輸出。 單片機作為核心控制單元,通過光耦輸出,對步進電機進行細分控制,完成對空氣可調(diào)電容進行精密調(diào)節(jié)的目的,達到功率精確控制;通過輸出控制繼電器的開關完成切、凝功率控制和方式選擇;振蕩和功率放大部分核心控制器件是電子管,使電路設計大大簡化;腳踏、手柄控制完成人機接口功能;檢測電路報告電刀工作的狀態(tài),以便單片機進行控制。3.3振蕩和功率放大部分 目前,高頻電刀主要有三種形式:火花式振蕩電刀、電子管振蕩電刀、固體振蕩式電刀。本文設計的是電子管振蕩高頻電刀。振蕩器是一種能自動地將直流電源能量轉(zhuǎn)換為一定波形的交變振蕩信號能量的轉(zhuǎn)換電路。反饋振蕩器一般利

10、用正反饋方法來獲得等幅的正弦振蕩。在反饋振蕩器中, LC 并聯(lián)回路是最基本的選頻網(wǎng)絡,振蕩器進入平衡狀態(tài)以后, 直流電源補充的能量剛好抵消整個環(huán)路消耗的能量。在高頻電刀中采用諧振式輸出電路,無需濾波即可輸出很好的正弦功率波形。電子管振蕩電刀通常由大功率高頻電子管與LC 振蕩回路組成,振蕩比較穩(wěn)定。輸出為如圖2 所示的連續(xù)高頻等幅波。 振蕩和功率放大電路原理圖如圖3 所示: 電子管可采用大功率束射四極管或五極管,其中R1 和輸出變壓器的中心抽頭相連,與電子管的簾柵極相連,構成超線性輸出級,使電子管非線性失真度大幅度降低;燈絲供電電壓為6.3V 交流電。L1和整流橋輸出相連,然后供給電子管陽極(屏

11、極),柵極接LC 振蕩電路,電子管的陰極通過開關接地,圖中開關均為繼電器開關,繼電器線圈有單片機的驅(qū)動信號通過光耦驅(qū)動, 實現(xiàn)電刀的單極和雙極功率切換,其中U1A閉合時為雙極。電容C2為166PF 空氣可變電容器,容值通過步進電機進行精密調(diào)節(jié)。單極純切時輸出功率最大,單極混切時輸出功率次之,單極凝輸出功率更小,雙極凝時輸出功率最小。 電子管的高頻率、大功率的極限使晶體管的涉入尚有一定困難。電子管工作于高頻、大功率的電器中,優(yōu)點是電路相對簡單,而且對溫度、過壓、過流的影響,與半導體器件比較相對可靠性更高。 電路中所用電感值均較大,因此需注意繞制方法。由于分布電容在低頻時影響不大,但隨頻率的提高而

12、漸顯出來,當頻率高到某個值以上時,電感也許變成電容特性了。因此必須采用蜂房式繞制。蜂房式繞法的優(yōu)點是體積小,分布電容小,而且電感量大。蜂房式線圈都是利用蜂房繞線機來繞制,折點越多,分布電容越小。3.4步進電機細分驅(qū)動電路 對于步進電動機控制系統(tǒng)的運動, 只要能向驅(qū)動器發(fā)出兩路信號就可滿足要求:一路為控制脈沖方波信號,另一路為正反轉(zhuǎn)控制方向電平信號。細分從本質(zhì)上講是通過對步進電機勵磁繞組中電流的控制,使步進電機內(nèi)部的合成磁場為均勻的圓形旋轉(zhuǎn)磁場,從而實現(xiàn)步進電機步距角的細分,最終實現(xiàn)對電容C2 值得精密調(diào)節(jié)。實現(xiàn)細分方式有多種方法, 最常用的是脈寬調(diào)制式斬波驅(qū)動方式,大多數(shù)專用的步進電機驅(qū)動芯片

13、都采用這種驅(qū)動方式,TA8435H 就是其中一種芯片。圖1 是單片機與TA8435 相連控制步進電機的原理圖。該電路用一片TA8435 來驅(qū)動一個兩相混合式步進電機, 輸入信號有使能控制、正反轉(zhuǎn)控制和時鐘輸入,通過光耦可將驅(qū)動器與輸入級進行電隔離,以起到邏輯電平隔離和保護作用;該電路工作在1/8 細分模式(M1,M2 接高電平),可減小低速時的振動,快恢復二極管可用來泄放繞組電流,由于REF 引腳接高電平,輸出級斬波電流為VNF/RNF=0.8/0.8=1A。當然也可將M1,M2 接至單片機的輸入輸出引腳,根據(jù)需要選擇細分方式。3.5高頻電刀的設計原則 由于高頻電刀是工作于人體這一特殊對象,

14、因此有許多特殊的要求與限制,特別是在安全性方面不能有絲毫差錯。此外,高頻電刀的輸出還應有頻譜要求, 在電切時要求輸出高頻電流的頻譜越窄越好,最好是一跟單譜線,所以要求電刀輸出波形為正弦。另外,高頻電刀為在不同人體上得到好的作用效果,對輸出功率要進行控制, 并且在工作時應根據(jù)工作點人體電阻的變化輸出不同的功率,即按照預定的功率輸出曲線輸出功率,好的電刀功率曲線寬而平坦,而差的電刀是一峰狀功率曲線。本設計從電路和軟件上均給與了充分的考慮并采取了相應的措施。設計了很好的人機對話界面。充分考慮了使用、生產(chǎn)和維修的要求,設計了相應的軟件,以滿足不同的要求,從而使用方便,生產(chǎn)簡單。3.6高頻電刀的使用和軟

15、件設計高頻電刀有兩種主要的工作模式:單極和雙極。3.6.1 單極模式 在單極模式中,用一個完整的電路來切割和凝固組織,該電路由高頻電刀內(nèi)的高頻發(fā)生器、病人極板、接連導線和電極組成。在大多數(shù)的應用中,電流通過有效導線和電極穿過病人,再由病人極板及其導線返回高頻電刀的發(fā)生器。3.6.2 雙極模式 雙極電凝是通過雙極鑷子的兩個尖端向機體組織提供高頻電能,來達到凝固組織的目的。它的作用范圍只限于鑷子兩端之間,對機體組織的損傷程度和影響范圍遠比單極的方式要小得多。高頻電刀能輸出各種不同波形的高頻電流。當高頻電流波形發(fā)生改變時,電流對組織的切割效果也會發(fā)生變化。 1).當高頻電刀能輸出固定的高頻電流對應“

16、電切”狀態(tài),高頻電刀瞬時產(chǎn)生大量的熱量, 這種熱量能夠使細胞汽化并切割組織。 2).當我們使電刀輸出一種周期性的高頻電流時對應“電凝”狀態(tài),這種電流的波形在單位時間產(chǎn)生的熱量較少,因此與使細胞汽化效應不同的是,組織燒糊即呈現(xiàn)出電凝的效果。 3).當高頻電刀輸出一種介于“電切”和“電凝”之間的混合波形時,高頻電流對人體組織的熱效應也介于“電切”和“電凝”之間。如圖5 所示。 設計完成的高頻電刀能完成單極電切、單極柔和電凝、單極強力電凝、雙極電凝、自動雙極電凝、混切等功能,主程序流程圖如圖6 所示。四、本設計改進建議要做好一個課程設計，就必須做到：在設計程序之前，對所用單片機的內(nèi)部結(jié)構有一個系統(tǒng)的

17、了解，知道該單片機內(nèi)有哪些資源；要有一個清晰的思路和一個完整的軟件流程圖；在設計程序時，不能妄想一次就將整個程序設計好，反復修改、不斷改進是程序設計的必經(jīng)之路；要養(yǎng)成注釋程序的好習慣，一個程序的完美與否不僅僅是實現(xiàn)功能，而應該讓人一看就能明白你的思路，這樣也為資料的保存和交流提供了方便；在設計課程過程中遇到問題是很正常德，但我們應該將每次遇到的問題記錄下來，并分析清楚，以免下次再碰到同樣的問題的課程設計結(jié)束了，但是從中學到的知識會讓我受益終身。發(fā)現(xiàn)、提出、分析、解決問題和實踐能力的提高都會受益于我在以后的學習、工作和生活中。設計過程，好比是我們?nèi)祟惓砷L的歷程，常有一些不如意，但畢竟這是第一次做

18、，難免會遇到各種各樣的問題。在設計的過程中發(fā)現(xiàn)了自己的不足之處，對以前所學過的知識理解得不夠深刻，掌握得不夠牢固。所以我們以后要努力學習，設計出一個效果更好成本更低的高頻電子式手術刀。五、總結(jié)（感想和心得等）單片機作為我們的主要專業(yè)課之一，雖然在大三開學初我對這門課并沒有什么興趣，覺得那些程序枯燥乏味，但在這次課程設計后我發(fā)現(xiàn)自己在一點一滴的努力中對單片機的興趣也在逐漸增加。 這次單片機課程設計我們歷時兩個星期，在我們班里算是倒數(shù)幾組完成的吧，但經(jīng)過這兩個星期的實踐和體驗下來，我們又怎么會去在乎那個先后問題呢，因為對我來說學到的不僅是那些知識，更多的是團隊和合作。現(xiàn)在想來，也許學校安排的課程設

19、計有著它更深層的意義吧，它不僅僅讓我們綜合那些理論知識來運用到設計和創(chuàng)新，還讓我們知道了一個團隊凝聚在一起時所能發(fā)揮出的巨大潛能! 兩個星期前我們五個人還在為到底選那個課題而發(fā)生分歧，最后還是在楊老師的耐心分析和指導下完成了課題的選定，但是隨之而來的問題卻遠比我們想的要困難的多。 過沒想到這項看起來不需要多少技術的工作卻是非常需要耐心和精力在兩個星期后的今天我已明白課程設計對我來說的意義，它不僅僅是讓我們把所學的理論知識與實踐相結(jié)合起來，提高自己的實際動手能力和獨立思考的能力，更重要的是同學間的團結(jié)，雖然我們這次花去的時間比別人多，但我相信我們得到的也會更多! 作為一名電氣工程及其自動化專業(yè)的

20、大四學生，我覺得做單片機課程設計是十分有意義的，而且是十分必要的。在已度過的大學時間里，我們大多數(shù)接觸的是專業(yè)課。我們在課堂上掌握的僅僅是專業(yè)課的理論知識，如何去鍛煉我們的實踐能力？如何把我們所學的專業(yè)基礎課理論知識運用到實踐中去呢？我想做類似的課程設計就為我們提供了良好的實踐平臺。在做本次課程設計的過程中，我感觸最深的當屬查閱大量的設計資料了。為了讓自己的設計更加完善，查閱這方面的設計資料是十分必要的，同時也是必不可少的。我們是在做單片機課程設計，但我們不是藝術家，他們可以拋開實際盡情在幻想的世界里翱翔，而我們一切都要有據(jù)可依，有理可尋，不切實際的構想永遠只能是構想，永遠無法升級為設計。 其

21、次，在這次課程設計中，我們運用到了以前所學的專業(yè)課知識，如：CAD制圖、匯編語言、模擬和數(shù)字電路知識等。雖然過去從未獨立應用過它們，但在學習的過程中帶著問題去學我發(fā)現(xiàn)效率很高，這是我做這次課程設計的又一收獲。我們通過查閱大量有關資料，并在小組中互相討論，交流經(jīng)驗和自學，若遇到實在搞不明白的問題就會及時請教老師，使自己學到了不少知識，也經(jīng)歷了不少艱辛，但收獲同樣巨大。通過這次課程設計我也發(fā)現(xiàn)了自身存在的不足之處，雖然感覺理論上已經(jīng)掌握，但在運用到實踐的過程中仍有意想不到的困惑，經(jīng)過一番努力才得以解決。這也激發(fā)了我今后努力學習的興趣，我想這將對我以后的學習產(chǎn)生積極的影響。通過這次設計，我懂得了學習

22、的重要性，了解到理論知識與實踐相結(jié)合的重要意義，學會了堅持、耐心和努力，這將為自己今后的學習和工作做出了最好的榜樣。我覺得作為一名電氣工程及其自動化專業(yè)的學生，單片機的課程設計是很有意義的。更重要的是如何把自己平時所學的東西應用到實際中。雖然自己對于這門課懂的并不多，很多基礎的東西都還沒有很好的掌握，覺得很難，也沒有很有效的辦法通過自身去理解，但是靠著這一個多禮拜的“學習”，在小組同學的幫助和講解下，漸漸對這門課逐漸產(chǎn)生了些許的興趣，自己開始主動學習并逐步從基礎慢慢開始弄懂它。我認為這個收獲應該說是相當大的。覺得課程設計反映的是一個從理論到實際應用的過程，但是更遠一點可以聯(lián)系到以后畢業(yè)之后從學

23、校轉(zhuǎn)到踏上社會的一個過程。小組人員的配合相處，以及自身的動腦和努力，都是以后工作中需要的。六、主要參考文獻1Frain G, et al. Technology of APC with ParticularRegard to Endoscopic Applications J. EndosopicSurgery and Allied Technologies,1994,2(1):1002徐正平,翟林培等. 基于DDS 技術的高頻正弦波發(fā)生器的設計J. 微計算機信息,2009,2-2:67-683田紅芳,李穎宏等.基于DSP 實現(xiàn)的步進電機控制器的設計J.微計算機信息,2007,1-2:223-

24、2244鄭國川,李洪英.常用電子管應用手冊M.福建科學出版社,2006.35楊昌漢.高頻電子線路M.哈爾濱工程大學出版社,2001.3作者簡介:曹智文(1972-)男,漢族,河北省保定人,華北科技學院講師,研究方向:智能控制。Biography:CAO Zhi-wen, Male (Han ethnic), He Bei Province,lecturer, Research area: Intelligent control.(101601 北京東燕郊華北科技學院電信系) 曹智文于家城(Electronic information engineering Department of Nort

25、hChina Institute of Science and Technology, Yanjiao BeijingeastBeijingeast101601, China) CAO Zhi-wen YU Jia-cheng附錄成員分工情況：徐啟鋒:操作面板輸入按鍵和LED數(shù)碼顯示設計黃鵬: 單片機系統(tǒng)控制電路硬件和軟件設計張芳接:電源輸入有源PFC設計，輸出為400V直流電壓龐南星:第二級直流可調(diào)電壓源的設計吳秦夢:可調(diào)頻正弦波逆變輸出電路 附錄資料：不需要的可以自行刪除 流體機械原理課后解答p41習題一：一、為了滿足一個規(guī)劃中的企業(yè)用電高峰的需要，擬在有利地形處建一座具有一臺泵及一臺水輪

26、機的抽水蓄能電站，該企業(yè)每天對電能的需要為：14h為P1=8MW；10h為P2=40MW。假定該企業(yè)可以從電網(wǎng)中獲得的電功率Pv是常數(shù)，已知：水輪機的總效率，泵的總效率，壓力管道的損失，電站的靜水頭。為簡單計，假定和為常數(shù)，其它損失忽略不計。假定該裝置中水的總量為常數(shù)（上游無來水，下游不放水，并忽略蒸發(fā)泄漏），試求：必需的值。泵與水輪機的工作參數(shù)，。上游及下游水池的最小容積V。解：從電網(wǎng)中獲得的電能不足時，用水輪機發(fā)電補充；從電網(wǎng)中獲得的電能有多余時，用于泵去抽水蓄能。MWm3/s， m3/s對水輪機：m3/s；， MW，MW，對于泵：m3/s；，MW，MWVm3二、水輪機效率實驗時在某一導葉

27、開度下測得下列數(shù)據(jù)：蝸殼進口處壓力表讀數(shù)Pa，壓力表中心高程m，壓力表所在鋼管直徑m，電站下游水位m，流量m/s，發(fā)電機功率kW，發(fā)電機效率，試求水輪機效率及機組效率。解：，；而，=0，=0m水輪機的效率機組效率三、某泵裝置中，進口管直徑mm，其上真空表讀數(shù)Pa（500mmHg），出口管路直徑mm，其上壓力表讀數(shù)MPa，壓力表位置比真空表高1m，輸送介質(zhì)為礦物油，其密度kg/m3，泵的流量為m3/s，試求泵的揚程。解：泵的揚程某泵裝置中，進出口管直徑相同cm，進口真空表讀數(shù)mmHg，出口管路上壓力表讀數(shù)kgf/cm2，壓力表位置比真空表高1m，輸送介質(zhì)為礦物油，其密度kg/m3，泵的流量為 L/s，試求泵的揚程。答案：四、一臺送