牽引理療床的總體設(shè)計(jì)與軟硬件設(shè)計(jì),理療學(xué)論文

牽引理療床的總體設(shè)計(jì)與軟硬件設(shè)計(jì),理療學(xué)論文摘要：設(shè)計(jì)了一種使用IAP15W4K58S4單片機(jī)作為主控芯片的用于腰頸椎牽引的多功能牽引理療系統(tǒng).闡述了該牽引理療床的系統(tǒng)構(gòu)造、主要功能和工作原理.分析了基于IAP15W4K58S4單片機(jī)實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)控制的硬件電路,采取了保障患者安全接受治療的軟硬件措施.硬件電路配以相應(yīng)的軟件程序,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)腰牽、頸牽、旋轉(zhuǎn)、成角等各種功能.本文關(guān)鍵詞語：IAP15W4K58S4單片機(jī);牽引理療床;液晶顯示;Abstract：Amulti-functionaltractionphysiotherapysystemforlumbarandcervicaltractionusingIAP15W4K58S4singlechipasthemaincontrolchipwasdesigned.Thesystemstructure,mainfunctionsandworkingprincipleofthetractionphysiotherapybedweredescribed.ThehardwarecircuitofmotioncontrolbasedonIAP15W4K58S4singlechipcomputerwasanalyzed,andthehardwareandsoftwaremeasuresweretakentoensurepatientstoreceivetreatmentsafely.Thehardwarecircuitwasequippedwithcorrespondingsoftwareprogramtorealizevariousfunctionssuchaslumbartraction,necktraction,rotation,angulationandsoon.Keyword：IAP15W4K58S4singlechip;tractionphysiotherapybed;LCD;隨著生活壓力的增加和社會(huì)競(jìng)爭的加劇,身體亞健康的情況越來越普遍,大部分白領(lǐng)、學(xué)生、老師經(jīng)常坐著,沒有足夠運(yùn)動(dòng),使得肌肉的性能下降,同時(shí)久坐也導(dǎo)致腰椎、頸椎長期遭到壓迫,最終患上頸椎腰椎等疾病.牽引床是針對(duì)腰頸椎間盤突出癥等腰脊椎病,結(jié)合生物力學(xué)的原理和中醫(yī)推拿正骨的手法所研發(fā)出的一款牽引理療設(shè)備[1].本文根據(jù)牽引理療床的功能原理,采用IAP15W4K58S4單片機(jī)作為主控芯片對(duì)床體運(yùn)動(dòng)進(jìn)行控制,設(shè)計(jì)了一款能夠?qū)崿F(xiàn)腰牽、頸牽、旋轉(zhuǎn)、成角等功能的牽引床.1、系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)1.1、工作原理牽引理療床控制系統(tǒng)以單片機(jī)為核心控制部件,加以適宜的外圍電路來完成控制任務(wù).可提供各種自由度可調(diào)節(jié)的物理運(yùn)動(dòng),醫(yī)師據(jù)此為患者進(jìn)行腰頸椎疾病物理治療.床體分前、后兩部分供病人躺臥,使用兩個(gè)固定帶分別將病人腰上、下部固定在前后段.由于人的上半身被固定在床體前段,后段床體在電機(jī)驅(qū)動(dòng)下向后運(yùn)動(dòng)時(shí),對(duì)病人的腰椎就有一定的作用力.床體前部可在電機(jī)帶動(dòng)下以腰部處為軸心,做上下成角、左右旋轉(zhuǎn)等運(yùn)動(dòng).床體前部設(shè)置一個(gè)牽引桿,供頸椎牽引使用.腰椎、頸椎牽引力及成角角度、旋轉(zhuǎn)角度均可在一定范圍內(nèi)任意設(shè)定.1.2、控制系統(tǒng)組成圖1系統(tǒng)總體框圖Fig.1Thediagramofgeneralsystem系統(tǒng)總體組成框圖如此圖1所示.控制系統(tǒng)選用IAP15W4K58S4單片機(jī)作為控制器主芯片.牽引力由S型拉壓力傳感器[2]采集并進(jìn)行放大處理,控制器判定并控制直流電機(jī)在設(shè)定的牽引力作用下運(yùn)行,進(jìn)而對(duì)腰頸椎病人施行牽引治療.根據(jù)設(shè)定的旋轉(zhuǎn)和成角角度,床體進(jìn)行旋轉(zhuǎn)和成角運(yùn)動(dòng),根據(jù)光電開關(guān)信號(hào)判定床體能否平衡.控制器采用PWM(脈寬調(diào)制)信號(hào)驅(qū)動(dòng)直流電機(jī)運(yùn)動(dòng),牽引力的大小能夠通過PWM占空比加以改動(dòng).系統(tǒng)采用薄膜44矩陣鍵盤進(jìn)行數(shù)字設(shè)定和功能選擇.選用LCD320240液晶顯示器作為系統(tǒng)顯示器.采用串口通信的方式,主芯片將數(shù)據(jù)發(fā)送給STC90C516RC+單片機(jī),由其控制LCD320240液晶顯示器顯示相應(yīng)參數(shù).2、系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)2.1、控制芯片本設(shè)計(jì)以IAP15W4K58S4單片機(jī)作為主控芯片,它是當(dāng)前宏晶科技公司研發(fā)并生產(chǎn)的新型的單片機(jī),屬于STC15W4K32S4系列.這一系列單片機(jī)有很多優(yōu)勢(shì).IAP15W4K58S4單片機(jī)內(nèi)包含內(nèi)部專用PWM模塊、串行口、專用復(fù)位電路、電源監(jiān)控、CPU、EEPROM、硬件看門狗、高精度R/C時(shí)鐘、中斷系統(tǒng)、程序存儲(chǔ)器、SPI接口、CCP模塊、比擬器模塊、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器、定時(shí)器/計(jì)數(shù)器、ADC模塊等模塊.同時(shí)IAP15W4K58S4單片機(jī)的所有I/O口均有4種工作形式:準(zhǔn)雙向口、推挽輸出、僅為輸入(高阻狀態(tài))與開漏形式,每個(gè)I/O口的驅(qū)動(dòng)能力均可到達(dá)20mA.在本設(shè)計(jì)中,選用STC90C516RC+單片機(jī)作為LCD320240液晶顯示的控制芯片.它是宏晶科技公司研發(fā)并生產(chǎn)的一款單片機(jī),屬于8051系列.其具有很多優(yōu)點(diǎn),如體積小、智能化、低功耗、高性能、超強(qiáng)抗干擾.2.2、信號(hào)采集2.2.1、急退按鈕為了加強(qiáng)安全性能,在后段床體部分設(shè)置了一個(gè)病人能夠自主控制的急退按鈕.在牽引經(jīng)過中,病人如感到不適,能夠按下急退按鈕,牽引床立即停止?fàn)恳?床體復(fù)位,防止造成損傷.采用光電耦合電路,主控芯片使用外部中斷0采集該信號(hào).由于光電耦合電路能夠隔離輸入與輸出信號(hào),信號(hào)只能從輸入傳遞到輸出,所以具有很強(qiáng)的抗干擾能力.2.2.2、光電開關(guān)床體旋轉(zhuǎn)時(shí),主控芯片根據(jù)光電開關(guān)的輸入信號(hào)判定床體能否平衡.采用光電耦合電路,將光電開關(guān)的信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換,主控芯片使用外部中斷1采集該信號(hào).2.2.3、實(shí)時(shí)牽引力信號(hào)牽引治療時(shí)實(shí)時(shí)牽引力信號(hào)由活動(dòng)床體后部的S型拉壓力傳感器采集,轉(zhuǎn)換為電壓模擬信號(hào).該信號(hào)大小與加在傳感器上的鼓勵(lì)電壓以及傳感器本身的靈敏度有關(guān).本設(shè)計(jì)中采用BL2-100醫(yī)用傳感器,其靈敏度為47.5mV/V,量程是100kg.當(dāng)鼓勵(lì)電壓是5V時(shí),傳感器輸出的最大電壓是237.5mV.該信號(hào)經(jīng)放大電路放大10倍后,輸入IAP15W4K58S4片內(nèi)10位AD轉(zhuǎn)換器.主控芯片每秒采集一次實(shí)時(shí)牽引力信號(hào),與設(shè)定的牽引力進(jìn)行比擬.假如實(shí)際牽引力大于設(shè)定牽引力,直流電機(jī)停止?fàn)恳?假如實(shí)際牽引力小于等于設(shè)定牽引力,直流電機(jī)繼續(xù)牽引.2.3、人機(jī)交互界面2.3.1、矩陣鍵盤鍵盤是實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互的一個(gè)重要部分,通過鍵盤能夠向單片機(jī)輸入各種指令信號(hào),進(jìn)而完成各種任務(wù).當(dāng)前比擬常見的薄膜鍵盤有兩種,分別是掃描式和行列式(矩陣)兩種.本設(shè)計(jì)采用的是16鍵矩陣鍵盤,它能夠節(jié)約I/O口的使用,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)拉力、旋轉(zhuǎn)、成角、時(shí)間等設(shè)置和各種形式的選擇.將鍵盤的八個(gè)引腳與主控芯片IAP15W4K58S4的P2端口相連,并且接一個(gè)4.7k的上拉排阻.2.3.2、液晶顯示選用5.7英寸LCD320240A為顯示屏幕.該顯示器采用COB工藝,不帶字庫,IC采用RA8835控制,功能強(qiáng)大,穩(wěn)定性好,功耗低,能夠在-20～70℃內(nèi)正常工作.顯示器能夠顯示320240點(diǎn)陣單色圖片或者顯示300個(gè)字.本設(shè)計(jì)中LCD主要顯示各種牽引理療床參數(shù)及運(yùn)行狀態(tài).液晶顯示電路如此圖2所示,LCD由單片機(jī)STC90C516RC+控制顯示.圖2液晶電路原理圖Fig.2ThediagramofLCDschematic2.4、直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路原理圖如此圖3所示,主要由三部分組成:電動(dòng)推桿、繼電器、NPN型三極管.單片機(jī)引腳電平狀態(tài)與控制形式如表1所示.本次設(shè)計(jì)共用了四組這樣的電路,分別實(shí)現(xiàn)腰牽、頸牽、旋轉(zhuǎn)、成角等功能.表1單片機(jī)控制電機(jī)形式圖3驅(qū)動(dòng)電路原理圖Fig.3Thediagramofdriveschematic3、軟件設(shè)計(jì)本設(shè)計(jì)采用KeilVision4軟件進(jìn)行編程,這是一款為8051系列單片機(jī)開發(fā)的基于C語言的程序開發(fā)工具.軟件采用模塊化設(shè)計(jì).主控芯片IAP15W4K58S4的程序由系統(tǒng)初始化程序、鍵盤檢測(cè)程序、A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換、急退和光電開關(guān)的信號(hào)采集、電機(jī)驅(qū)動(dòng)程序、病例管理、串口通信程序等組成.從芯片STC90C516RC+的程序由系統(tǒng)初始化程序、串口通信程序、LCD驅(qū)動(dòng)顯示程序等組成.通信雙方所采用的波特率為9600bit/s.3.1、鍵盤掃描主程序中循環(huán)執(zhí)行鍵盤掃描程序.當(dāng)設(shè)定鍵按下時(shí),LCD顯示界面將切換成設(shè)定形式,用戶此時(shí)可根據(jù)病患承受力修改牽引力大小、牽引時(shí)間、旋轉(zhuǎn)角度、成角角度等參數(shù).牽引鍵按下時(shí),牽引床將根據(jù)設(shè)定的參數(shù)進(jìn)行牽引,同時(shí)在液晶顯示屏上顯示實(shí)際牽引力大小和牽引時(shí)間.牽引結(jié)束后,自動(dòng)復(fù)位.急退鍵按下時(shí),系統(tǒng)停止?fàn)恳?執(zhí)行急退.3.2、串口通信協(xié)議主控芯片對(duì)需要顯示的數(shù)據(jù),是通過一定的數(shù)據(jù)通信協(xié)議傳達(dá)至從芯片執(zhí)行的.通信指令按照異步串行數(shù)據(jù)通信格式制定,包括開場(chǎng)符、指令數(shù)據(jù)和結(jié)束符三部分.從芯片接收數(shù)據(jù)時(shí),根據(jù)字頭判定接收到的數(shù)據(jù)是什么指令,根據(jù)結(jié)束符判定本次接收能否結(jié)束.指令數(shù)據(jù)傳達(dá)參數(shù)設(shè)置與控制信息.3.3、PWM信號(hào)控制本控制系統(tǒng)使用PWM信號(hào)控制電動(dòng)推桿的運(yùn)動(dòng)[3].一個(gè)占空比的PWM信號(hào)對(duì)應(yīng)一個(gè)轉(zhuǎn)速,根據(jù)設(shè)定的牽引力,編寫程序利用P1.6管腳,輸出PWM信號(hào),到達(dá)控制直流電機(jī)轉(zhuǎn)速的目的.從P1.6管腳產(chǎn)生PWM信號(hào),通過繼電器電路控制電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn),改變電樞平均電壓大小,進(jìn)而控制電機(jī)轉(zhuǎn)速來控制電動(dòng)推桿的牽引力大小.4、結(jié)束語基于IAP15W4K58S4的牽引理療床,根據(jù)中醫(yī)推拿正骨原理,以生物力學(xué)為根據(jù),通過糾正脊柱椎骨間病變區(qū)域到達(dá)治療目的的一種非手術(shù)療法.經(jīng)過軟硬件聯(lián)合測(cè)試,實(shí)現(xiàn)了腰牽、頸牽、旋轉(zhuǎn)、成角等功能.本系統(tǒng)已交付廠