自動(dòng)調(diào)溫醫(yī)用光療系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及軟件設(shè)計(jì)原理

1 引言

自動(dòng)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(duì)可控硅的控制來(lái)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(shí)對(duì)其進(jìn)行實(shí)時(shí)溫度檢測(cè)，利用檢測(cè)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(jì)了一種利用外部中斷和定時(shí)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(pán)輸入單元，LCD顯示單元，測(cè)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(pán)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(cè)量溫度單元負(fù)責(zé)對(duì)激光輸出器的溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)，可控硅控制輸出單元針對(duì)設(shè)定參數(shù)及檢測(cè)到的溫度來(lái)控制激光輸出器的輸出。本文將詳細(xì)介紹測(cè)量溫度單元和可控硅控制單元的軟硬件設(shè)計(jì)。

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(shí)器和外部中斷的設(shè)置，初始化完成后開(kāi)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(lái)決定定時(shí)器定時(shí)參數(shù)，該定時(shí)參數(shù)直接決定移相觸發(fā)可控硅時(shí)導(dǎo)通角的大小。接著系統(tǒng)再進(jìn)行溫度采集，選擇定時(shí)器定時(shí)時(shí)間參數(shù)，依次循環(huán)下去。在系統(tǒng)循環(huán)工作過(guò)程中，人工可以通過(guò)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(shí)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(shí)，外部過(guò)零脈沖信號(hào)會(huì)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。

3 測(cè)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(hào)采集。為簡(jiǎn)化系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)，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(gè)端口進(jìn)行通訊；測(cè)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(shí)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(gè)端口與CPU通訊，因此在硬件上，利用單片機(jī)AT89C52的一個(gè)端口P2.0與DS18B20的DQ引腳相連。

圖1：系統(tǒng)程序流程圖

3.1 DS18B20工作原理及程序

在對(duì)DS18B20進(jìn)行讀寫(xiě)操作之前,CPU首先發(fā)出一個(gè)復(fù)位脈沖,最小脈沖寬度為480μs的低電平信號(hào)；然后CPU釋放單總線，使之處于接收狀態(tài)。單總線經(jīng)過(guò)上拉電阻被拉至高電平。當(dāng)DS18B20檢測(cè)測(cè)到I／0端的上升沿時(shí),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(hào))。初始化子程序?yàn)椋?/p>

bit init_18b20(void)；

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

DQ = 0; //復(fù)位脈沖低電平

delay_20us(25); // 延時(shí)500us

DQ = 1; //復(fù)位脈沖高電平

delay_20us(4); //延時(shí)80us

presence = DQ; //保存DQ的狀態(tài)

delay_20us(20); //延時(shí)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(shí)，且保持時(shí)間大于1μs，就作為一個(gè)讀周期的開(kāi)始。DS18B20的輸出數(shù)據(jù)在讀時(shí)序下降沿過(guò)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(shí)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?yàn)椋?/p>

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(shí)變量

for (i=8;i>0;i--)

{value>>=1;

DQ = 0;

NOP_1uS; //延時(shí)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(shí)60us

}return(value);//返回對(duì)到的字節(jié) }

CPU把I／O線從高電平拉至低電平時(shí)，作為—個(gè)寫(xiě)周期的開(kāi)始。寫(xiě)時(shí)序包括兩種類(lèi)型：寫(xiě)1時(shí)序和寫(xiě)0時(shí)序，寫(xiě)1或?qū)?必須保持至少60μs，在兩個(gè)寫(xiě)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(shí)間內(nèi)進(jìn)行采樣。若I／O線為高電平，即認(rèn)為寫(xiě)入了一位1；反之，則認(rèn)為寫(xiě)入了一位0。主CPU在開(kāi)始寫(xiě)1周期時(shí)，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(kāi)始寫(xiě)0時(shí)，也將I／O拉至低電平，并保持60us的時(shí)間。寫(xiě)字節(jié)的子程序?yàn)椋?/p>

void write_byte(char val)//“val”用語(yǔ)傳遞需要寫(xiě)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 = val0x01;

delay_20us(5); //延時(shí)間100us

DQ = 1;val=val/2; //右移一位

}delay_20us(5); //延時(shí)間100us }

每次訪問(wèn)DS18B20的操作都是以初始化器件開(kāi)始，然后發(fā)出ROM命令和功能命令。初始化器件會(huì)使主機(jī)接到應(yīng)答信號(hào)，ROM 命令與各個(gè)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(gè)從機(jī)設(shè)備時(shí)，指定操作某個(gè)從機(jī)設(shè)備。這些命令還允許主機(jī)能夠檢測(cè)到總線上有多少個(gè)從機(jī)設(shè)備以及其設(shè)備類(lèi)型，或者有沒(méi)有設(shè)備處于報(bào)警狀態(tài)。本系統(tǒng)是只有一個(gè)溫度傳感器的單點(diǎn)系統(tǒng)，利用跳過(guò)ROM(SKIP ROM)命令，主機(jī)不必發(fā)送64 b序列號(hào)，從而節(jié)約了大量時(shí)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(lái)完成操作。本系統(tǒng)中讀取溫度的程序?yàn)椋?/p>

unsigned int Read_Temperature(void)

{ unsigned char a,b;// 用于存儲(chǔ)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(jì)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(jì)

本系統(tǒng)利用MOC3021光電隔離電路來(lái)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。

圖2：可控硅控制輸出單元原理圖

4.2 過(guò)零檢測(cè)電路設(shè)計(jì)

利用過(guò)零檢測(cè)電路捕捉交變電壓的零點(diǎn)信號(hào)。以便在過(guò)零點(diǎn)啟動(dòng)定時(shí)器，當(dāng)計(jì)時(shí)時(shí)間到達(dá)后觸發(fā)可控硅。過(guò)零檢測(cè)電路如圖2（b）所示，利用兩個(gè)TIL117與18V的交流電相連，兩個(gè)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(hào)。

4.3 可控硅移相觸發(fā)程序設(shè)計(jì)

過(guò)零檢測(cè)電路在交變電壓每個(gè)周期產(chǎn)生兩個(gè)過(guò)零點(diǎn)電壓脈沖信號(hào)，使AT89C52產(chǎn)生外部中斷。 在中斷服務(wù)程序中開(kāi)始定時(shí)器計(jì)時(shí)。定時(shí)器的定時(shí)時(shí)間小于兩個(gè)過(guò)零脈沖信號(hào)間隔，即10ms，這樣可以使定時(shí)器中斷在下一個(gè)外部中斷來(lái)到之前工作。在定時(shí)器中斷服務(wù)程序中，觸發(fā)可控硅，并裝入新的定時(shí)器定時(shí)時(shí)間常數(shù)。等待下一個(gè)過(guò)零脈沖信號(hào)到來(lái)引發(fā)的外部中斷，進(jìn)而開(kāi)始新一個(gè)周期的可控硅觸發(fā)周期。程序流程圖如圖1（b）。

利用過(guò)零檢測(cè)電路產(chǎn)生的下降沿作為外部中斷信號(hào)，在中斷程序中根據(jù)系統(tǒng)此時(shí)功率輸出判斷是否啟動(dòng)定時(shí)器，如果功率輸出為非零則啟動(dòng)定時(shí)器進(jìn)行計(jì)時(shí)。

void guicontrol(void) interrupt 2

{ if(power!=0) //判斷負(fù)載功率輸出是否為零時(shí)，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(dòng)定時(shí)器 } }

當(dāng)定時(shí)器中斷產(chǎn)生時(shí)，停止定時(shí)器計(jì)時(shí)，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(cè)到的溫度及系統(tǒng)的功率設(shè)定而實(shí)時(shí)變化的新定時(shí)時(shí)間常數(shù)，觸發(fā)可控硅導(dǎo)通?？煽毓鑼?dǎo)通時(shí)間會(huì)持續(xù)到負(fù)載電流每個(gè)半周的終點(diǎn)。

void time0(void) interrupt 1

{ TR0=0;//停止定時(shí)器計(jì)時(shí)

TH0=timehigh;//裝入新的定時(shí)器定時(shí)時(shí)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(shí)器溢出標(biāo)志位 }

5 結(jié)束語(yǔ)

本文闡述了醫(yī)療系統(tǒng)的溫度測(cè)控設(shè)計(jì)原理，選用了單總線數(shù)字傳感器DS18B20作為溫度傳感器，簡(jiǎn)化電路。設(shè)計(jì)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(jì)。 所采用設(shè)計(jì)方案使該醫(yī)療系統(tǒng)硬件簡(jiǎn)單實(shí)用，可靠性增加。

參考文獻(xiàn)：

[1] 馬田華，陳東，蔣國(guó)平．可編程單總線數(shù)字式溫度傳感器DS18B20的原理及應(yīng)用[J]．元器件分析與應(yīng)用，2004,7:83-85

[2] 李鋼，趙彥峰．1-Wire總線數(shù)字溫度傳感器DS18B20原理及應(yīng)用[J]．現(xiàn)代電子技術(shù)，2005， 21:77-79

[3] 戚新波，范崢，陳學(xué)廣．DS18B20與ATmega8單片機(jī)接口的C語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)方法[J]．微計(jì)算機(jī)信息，2005，7-2:71-73

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