低頻超聲透皮儀設(shè)計(jì)方案

引 言

　　研究表明不同頻率和強(qiáng)度超聲波對(duì)機(jī)體的作用是不同的，其次，溫度對(duì)于經(jīng)皮給藥也有一定的影響，如一定的溫度可以提高滲透率，但太高的溫度會(huì)引起皮膚的燙傷，因?yàn)槌曇灿袩嵝?yīng);因此，如何把各個(gè)因素綜合考慮以達(dá)到既保證較高的滲透率又避免對(duì)人體產(chǎn)生灼傷及生理機(jī)能的損傷是研究的難點(diǎn)之一。

　　單片機(jī)作為智能控制芯片，在電子信息、自動(dòng)控制的各個(gè)領(lǐng)域發(fā)揮著極其重要的作用。醫(yī)療儀器的設(shè)計(jì)和研制也越來越多應(yīng)用單片機(jī)技術(shù)，使其朝著智能化，小型化方向發(fā)展。綜合考慮各種因素，在此介紹了一種采用高性能單片機(jī)C8051F340作為核心控制芯片的輸頻率、強(qiáng)度等可調(diào)，可控恒溫的低頻超聲波促透皮系統(tǒng)。

　　1 硬件設(shè)計(jì)

　　該系統(tǒng)包括：溫度測(cè)控模塊、功率超聲發(fā)生器、恒溫控制模塊、過流保護(hù)模塊、顯示模塊和掉電存儲(chǔ)模塊?？傮w結(jié)構(gòu)如圖1所示。

　　系統(tǒng)各部分的工作是由高性能單片機(jī)C8051F340來進(jìn)行控制協(xié)調(diào)的。它是整個(gè)系統(tǒng)的核心。C8051F340單片機(jī)是集成在一塊芯片上的混合系統(tǒng)級(jí)單片機(jī)。具有與8051指令集完全兼容的CIP-51內(nèi)核，采用了流水線指令結(jié)構(gòu)，其運(yùn)行速度最高可達(dá)48 MIPS，與標(biāo)準(zhǔn)的8051相比，在相同時(shí)鐘下單周期指令運(yùn)行速度為原來的12倍。并且，它在一個(gè)芯片內(nèi)集成了構(gòu)成一個(gè)單片機(jī)數(shù)據(jù)采集或控制系統(tǒng)所需要的功能部件;模擬多路選擇器、可編程增益放大器、ADC、電壓比較器、電壓基準(zhǔn)、溫度傳感器、SMBus/I2C、UART、SPI、USB可編程計(jì)數(shù)器/定時(shí)器陣列(PCA)、定時(shí)器、I/O端口、內(nèi)部振蕩器、看門狗定時(shí)器及電源監(jiān)視器等幾乎所有模擬和數(shù)字外設(shè)及其他功能部件。通過對(duì)C8051F340的編程，可以實(shí)現(xiàn)多種功能。

　　該系統(tǒng)利用鍵盤輸入電路獲得操作人員對(duì)各部分工作條件的要求，根據(jù)這些要求對(duì)加熱絲以及超聲發(fā)射進(jìn)行設(shè)置，同時(shí)在每次測(cè)控過程中將各部分的溫度值送LCD進(jìn)行顯示，并進(jìn)行越限判斷，在溫度越限時(shí)啟動(dòng)報(bào)警電路發(fā)出報(bào)警。對(duì)溫度的控制采用調(diào)功方式控制電爐絲加熱使得實(shí)驗(yàn)過程中保持溫度恒定，包括溫度的讀取、溫度值的處理及輸出信號(hào)驅(qū)動(dòng)負(fù)載。

　　1.1 溫度測(cè)控模塊

　　該系統(tǒng)溫度傳感器采用PT100鉑電阻溫度傳感器，它具有線性度好，測(cè)量范圍寬，靈敏度高，無需參考點(diǎn)等優(yōu)點(diǎn)。利用鉑電阻的溫度電阻特性，將溫度信號(hào)直接轉(zhuǎn)化為電信號(hào)。然后經(jīng)過前置放大后送入到單片機(jī)內(nèi)12位開關(guān)電容逐次逼近型A/D轉(zhuǎn)化器，完成模/數(shù)轉(zhuǎn)換。在電子測(cè)量系統(tǒng)中，需要檢測(cè)大量的電量或非電量信息，而且檢測(cè)的電信號(hào)又非常的微弱，極易受到干擾。因此，對(duì)前置級(jí)獲取信號(hào)的放大，提出如下要求：高輸入阻抗、高共模抑制比、低漂移、低噪聲、低輸出電阻等參數(shù)要求。基于以上原則前置放大器選用美國(guó)BURR-BROWN公司生產(chǎn)的低電壓通用型雙通道儀表放大器INA2128，它除了滿足以上要求外，并可用一個(gè)外部電阻方便地從1～100 000設(shè)定增益，使得INA2128能夠廣泛應(yīng)用于信號(hào)采集放大。醫(yī)用儀器及多通道系統(tǒng)等很多領(lǐng)域，可以在低至的+2.25 V電源電壓下工作，并且靜態(tài)工作電流很少。它與Pt100構(gòu)成的溫度檢測(cè)和前置放大如圖2所示。

　　INA2128內(nèi)部是由過壓保護(hù)電路和三運(yùn)放組成的性能優(yōu)越的測(cè)量放大器;A1和A2組成雙端輸入/雙端輸出的差動(dòng)放大器，由于信號(hào)從兩個(gè)同相端輸入，使輸入阻抗高大10 MΩ以上。第二級(jí)又采用差動(dòng)輸入，在運(yùn)放參數(shù)和R5嚴(yán)格對(duì)稱時(shí)，電路具有很高的共模抑制能力和低溫漂。

　　上式表明：該電路可以通過調(diào)節(jié)RG進(jìn)行增益的控制。