自動調(diào)溫醫(yī)用光療系統(tǒng)的設(shè)計 - 全文

　　1 引言

　　自動調(diào)溫光療系統(tǒng)是一種醫(yī)用理療儀器，其原理是采用單片機(jī)對可控硅的控制來控制高壓下的激光輸出器進(jìn)行理療，在激光輸出器工作的同時對其進(jìn)行實(shí)時溫度檢測，利用檢測到的溫度狀況決定可控硅的導(dǎo)通狀態(tài)，達(dá)到改變激光輸出器輸出功率的目的，得到最佳的療效。

　　根據(jù)上述特點(diǎn)，本文選擇了單總線數(shù)字溫度傳感器DS18B20進(jìn)行溫度采集，介紹了使用DS18B20的程序代碼。為了使可控硅的輸出功率連續(xù)均勻變化，本文設(shè)計了一種利用外部中斷和定時器中斷實(shí)現(xiàn)可控硅移相觸發(fā)的編程方法，滿足治療光的強(qiáng)度均勻靈敏變化的需要。

　　2 調(diào)溫光療系統(tǒng)介紹

　　2.1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)介紹

　　本系統(tǒng)由5部分組成：CUP處理單元，鍵盤輸入單元，LCD顯示單元，測量溫度單元，可控硅控制激光器輸出單元。

　　CUP處理單元運(yùn)行系統(tǒng)程序調(diào)度所有任務(wù)，鍵盤用于輸入系統(tǒng)設(shè)定參數(shù)及控制狀態(tài)模式選擇，LCD為系統(tǒng)提供了良好的操作界面，測量溫度單元負(fù)責(zé)對激光輸出器的溫度進(jìn)行實(shí)時檢測，可控硅控制輸出單元針對設(shè)定參數(shù)及檢測到的溫度來控制激光輸出器的輸出。本文將詳細(xì)介紹測量溫度單元和可控硅控制單元的軟硬件設(shè)計。

　　2.2 系統(tǒng)程序流程介紹

　　本醫(yī)療系統(tǒng)的程序流程為：系統(tǒng)首先數(shù)據(jù)進(jìn)行初始化，這里的初始化主要包括定時器和外部中斷的設(shè)置，初始化完成后開外部中斷，然后系統(tǒng)進(jìn)行溫度采集，根據(jù)采集的溫度及系統(tǒng)的設(shè)置參數(shù)來決定定時器定時參數(shù)，該定時參數(shù)直接決定移相觸發(fā)可控硅時導(dǎo)通角的大小。接著系統(tǒng)再進(jìn)行溫度采集，選擇定時器定時時間參數(shù)，依次循環(huán)下去。

　　在系統(tǒng)循環(huán)工作過程中，人工可以通過按鍵改變系統(tǒng)的各種工作參數(shù)，工作參數(shù)直接影響控制可控硅導(dǎo)通角的定時器參數(shù)的選擇。系統(tǒng)的主流程框圖如圖1（a）所示意。當(dāng)系統(tǒng)循環(huán)執(zhí)行時，外部過零脈沖信號會使系統(tǒng)進(jìn)入外部中斷服務(wù)程序，進(jìn)而控制可控硅的的導(dǎo)通。

　　圖1：系統(tǒng)程序流程圖

　　3 測量溫度單元介紹

　　熱電偶或鉑電阻，需放大電路和A/D轉(zhuǎn)換實(shí)現(xiàn)溫度信號采集。為簡化系統(tǒng)硬件設(shè)計，選用了DALLAS公司生產(chǎn)的單總線數(shù)字溫度傳感器DS18B20。

　　DS18B20提供的“一線”總線接口只需一個端口進(jìn)行通訊;測溫范圍為-55～+125℃，在-10～+85℃的范圍內(nèi)，精度為±0.5℃;溫度以9～12位數(shù)字量讀出，分辨率為0.0625℃，該精度滿足本醫(yī)用光療系統(tǒng)的要求;同時DS18B20采用超小型的μSOP封裝，體積很小，可以直接敷貼在激光器的前端。由于DS18B20提供的“一線”總線接口只需一個端口與CPU通訊，因此在硬件上，利用單片機(jī)AT89C52的一個端口P2.0與DS18B20的DQ引腳相連。

　　3.1 DS18B20工作原理及程序

　　在對DS18B20進(jìn)行讀寫操作之前，CPU首先發(fā)出一個復(fù)位脈沖，最小脈沖寬度為480μs的低電平信號;然后CPU釋放單總線，使之處于接收狀態(tài)。單總線經(jīng)過上拉電阻被拉至高電平。當(dāng)DS18B20檢測測到I/0端的上升沿時，就等待15—60μs，再向主CPU發(fā)出應(yīng)答脈沖（60一240μs的低電平信號）。初始化子程序為：

　　bit init_18b20（void）;

　　{ bit presence; //用于保存DS18b20對CPU的應(yīng)答信號

　　DQ = 0; //復(fù)位脈沖低電平

　　delay_20us（25）; // 延時500us

　　DQ = 1; //復(fù)位脈沖高電平

　　delay_20us（4）; //延時80us

　　presence = DQ; //保存DQ的狀態(tài)

　　delay_20us（20）; //延時400us

　　return（presence）;//返回DQ的狀態(tài) }

　　當(dāng)主CPU將I/O線從高電平拉至低電平時，且保持時間大于1μs，就作為一個讀周期的開始。DS18B20的輸出數(shù)據(jù)在讀時序下降沿過后的15μs內(nèi)有效，在此期間，主CPU應(yīng)釋放I/O線，使之處于讀入狀態(tài)以便讀取DS18B20的輸出數(shù)據(jù)。15μs后讀時序結(jié)束，I/O線經(jīng)上拉電阻變?yōu)楦唠娖?。通常讀取一位數(shù)據(jù)至少要60μs，并且在兩位數(shù)據(jù)之間至少要有1μs的恢復(fù)期。讀溫度字節(jié)的子程序為：

　　byte read_byte（void）

　　{byte i; //變量用于循環(huán)自加

　　byte value = 0;//用于移位操作的臨時變量

　　for （i=8;i》0;i--）

　　{value》》=1;

　　DQ = 0;

　　NOP_1uS; //延時1us的空操作宏的空操作宏

　　DQ = 1;

　　NOP_1uS; NOP_1uS; NOP_1uS;

　　if（DQ）value|=0x80;

　　delay_20us（3）; // 延時60us

　　}return（value）;//返回對到的字節(jié) }

　　CPU把I/O線從高電平拉至低電平時，作為—個寫周期的開始。寫時序包括兩種類型：寫1時序和寫0時序，寫1或?qū)?必須保持至少60μs，在兩個寫周期之間至少有1μs的恢復(fù)期。DS18B20在I/O線變低電平后的15—6Oμs的時間內(nèi)進(jìn)行采樣。

　　若I/O線為高電平，即認(rèn)為寫入了一位1;反之，則認(rèn)為寫入了一位0。主CPU在開始寫1周期時，必須將I/O線拉至低電平，然后釋放，15μs內(nèi)將I/O線拉至高電平。主CPU在開始寫0時，也將I/O拉至低電平，并保持60us的時間。寫字節(jié)的子程序為：

　　void write_byte（char val）//“val”用語傳遞需要寫的字節(jié)

　　{unsigned char i;// 變量用于循環(huán)自加

　　for （i=8; i》0; i--）

　　{DQ = 0; NOP_1uS; NOP_1uS;

　　DQ = val&0x01;

　　delay_20us（5）; //延時間100us

　　DQ = 1;val=val/2; //右移一位

　　}delay_20us（5）; //延時間100us }

　　每次訪問DS18B20的操作都是以初始化器件開始，然后發(fā)出ROM命令和功能命令。初始化器件會使主機(jī)接到應(yīng)答信號，ROM 命令與各個從機(jī)設(shè)備的惟一64位ROM 代碼相關(guān)，允許主機(jī)在1一Wire總線上連接多個從機(jī)設(shè)備時，指定操作某個從機(jī)設(shè)備。這些命令還允許主機(jī)能夠檢測到總線上有多少個從機(jī)設(shè)備以及其設(shè)備類型，或者有沒有設(shè)備處于報警狀態(tài)。

　　本系統(tǒng)是只有一個溫度傳感器的單點(diǎn)系統(tǒng)，利用跳過ROM（SKIP ROM）命令，主機(jī)不必發(fā)送64 b序列號，從而節(jié)約了大量時間。ROM命令后，主機(jī)就可以發(fā)出指定功能命令（溫度轉(zhuǎn)換、讀暫存器等）來完成操作。本系統(tǒng)中讀取溫度的程序為：

　　unsigned int Read_Temperature（void）

　　{ unsigned char a，b;// 用于存儲溫度數(shù)據(jù)的變量

　　if（init_18b20（）==0）

　　{write_byte（0xCC）; //發(fā)送Skip ROM指令

　　write_byte（0x44）; // 發(fā)送溫度轉(zhuǎn)換指令

　　delay_20us（1）;

　　if（init_18b20（）==0）

　　{write_byte（0xCC）; //發(fā)送Skip ROM指令

　　write_byte（0xBE）; //發(fā)送讀取暫存寄存器指令

　　a=read_byte（）; //讀出低八位溫度數(shù)據(jù)

　　b=read_byte（）; //讀出高八位溫度數(shù)據(jù)

　　temperature=（（b*256+a）/16）;//計算出10進(jìn)制溫度值

　　}}return（temperature）;}

　　4 可控硅控制輸出單元

　　4.1 可控硅控制單元硬件設(shè)計

　　圖2：可控硅控制輸出單元原理圖

　　本系統(tǒng)利用MOC3021光電隔離電路來觸發(fā)可控硅。AT89C52利用P21引腳與MOC3021的2腳相連。圖2（a）為觸發(fā)電路原理圖。MOC3021是雙向晶閘管輸出型的光電耦合器，其作用是隔離單片機(jī)系統(tǒng)和外部的雙向晶閘管。

　　4.2 過零檢測電路設(shè)計

　　利用過零檢測電路捕捉交變電壓的零點(diǎn)信號。以便在過零點(diǎn)啟動定時器，當(dāng)計時時間到達(dá)后觸發(fā)可控硅。過零檢測電路如圖2（b）所示，利用兩個TIL117與18V的交流電相連，兩個TIL117分別在交流電的正負(fù)周期當(dāng)電壓達(dá)到0.3V使三極管T導(dǎo)通，進(jìn)而使三極管T的集電極在交流電的零點(diǎn)附近產(chǎn)生脈沖信號。

　　4.3 可控硅移相觸發(fā)程序設(shè)計

　　過零檢測電路在交變電壓每個周期產(chǎn)生兩個過零點(diǎn)電壓脈沖信號，使AT89C52產(chǎn)生外部中斷。 在中斷服務(wù)程序中開始定時器計時。定時器的定時時間小于兩個過零脈沖信號間隔，即10ms，這樣可以使定時器中斷在下一個外部中斷來到之前工作。

　　在定時器中斷服務(wù)程序中，觸發(fā)可控硅，并裝入新的定時器定時時間常數(shù)。等待下一個過零脈沖信號到來引發(fā)的外部中斷，進(jìn)而開始新一個周期的可控硅觸發(fā)周期。程序流程圖如圖1（b）。

　　利用過零檢測電路產(chǎn)生的下降沿作為外部中斷信號，在中斷程序中根據(jù)系統(tǒng)此時功率輸出判斷是否啟動定時器，如果功率輸出為非零則啟動定時器進(jìn)行計時。

　　void guicontrol（void） interrupt 2

　　{ if（power！=0） //判斷負(fù)載功率輸出是否為零時，非零則進(jìn)入

　　{ DT=1;//關(guān)斷可控硅輸出，DT為AT89C52的P21引腳

　　TR0=1;//啟動定時器 } }

　　當(dāng)定時器中斷產(chǎn)生時，停止定時器計時，并且在中斷函數(shù)中裝入在程序主控制流程中根據(jù)檢測到的溫度及系統(tǒng)的功率設(shè)定而實(shí)時變化的新定時時間常數(shù)，觸發(fā)可控硅導(dǎo)通?？煽毓鑼?dǎo)通時間會持續(xù)到負(fù)載電流每個半周的終點(diǎn)。

　　void time0（void） interrupt 1

　　{ TR0=0;//停止定時器計時

　　TH0=timehigh;//裝入新的定時器定時時間常數(shù)

　　TL0=timelow;

　　DT=0;//觸發(fā)可控硅導(dǎo)通，DT為AT89C52的P21引腳

　　TF0=0; //清除定時器溢出標(biāo)志位 }

　　5 結(jié)束語

　　本文闡述了醫(yī)療系統(tǒng)的溫度測控設(shè)計原理，選用了單總線數(shù)字傳感器DS18B20作為溫度傳感器，簡化電路。設(shè)計了一種實(shí)現(xiàn)可控硅移相觸發(fā)的編程方法，給出了具體應(yīng)用電路和軟件設(shè)計。 所采用設(shè)計方案使該醫(yī)療系統(tǒng)硬件簡單實(shí)用，可靠性增加。