基于單片機和拉式負荷傳感器實現(xiàn)腰椎牽引儀系統(tǒng)的設(shè)計

1 引言

醫(yī)學(xué)上針對腰椎間盤突出癥等腰脊椎病，通常采取物理牽引的保守治療方法。便攜可調(diào)式牽引器，患者可以自我操作．簡單易用，適合中小醫(yī)院更適合家庭長期白助康復(fù)?，F(xiàn)有國內(nèi)生產(chǎn)的便攜可調(diào)式牽引器有手動支架牽引和機械牽引，這砦牽引器用人工控制和監(jiān)視．操作費力、無法持續(xù)較長時間．不直觀．調(diào)節(jié)困難，牽引器產(chǎn)生的牽引力難以精確保持，沒有自動監(jiān)測裝置，給病人和醫(yī)務(wù)人員帶來許多不便．這就需要借助機電理療自動化系統(tǒng)。為此本文設(shè)計了一種新型的腰椎牽引器．它是以AT89C5l單片機為微處理器，配合其它輔助電路并由直流電機實施牽引。從而實現(xiàn)腰脊椎病的物理治療。它的單片機控制系統(tǒng)可以保證牽引治療動作的精確量化，牽引治療所需的牽引力、牽引時間可調(diào)整?？删_控制，實時顯示，整個牽引過程自動完成。

2 腰椎牽引儀的硬件實現(xiàn)

儀器完成的主要任務(wù)是：鍵盤按鍵檢測、操作設(shè)置信息和運行狀態(tài)的顯示、拉力信號的檢測及控制、牽引電機的繼電器控制與驅(qū)動等。牽引力監(jiān)測與控制是本系統(tǒng)的主要研究目標(biāo)，也是本系統(tǒng)穩(wěn)定性和可靠性的根本保證。根據(jù)本系統(tǒng)的要求．采用了AT89C51單片機作為主控芯片．采用拉式負荷傳感器用于檢測牽引力值。

2．1硬件總體設(shè)計

圖1為腰椎牽引儀系統(tǒng)硬件組成．系統(tǒng)以AT89C51作為主控MCU，主要包括牽引力采集檢測單元電路、牽引電機調(diào)節(jié)控制電路、鍵盤控制與LED顯示單元電路、系統(tǒng)電源電路、報警電路以及牽引裝置。拉力傳感器輸出的模擬信號經(jīng)過信號調(diào)理電路處理，送入AID轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成數(shù)字量再送入AT89C51。單片機根據(jù)使用者所設(shè)定的牽引力、牽引時間進行判斷，產(chǎn)生驅(qū)動牽引電機所需要的脈沖信號，調(diào)節(jié)控制電機及牽引裝置。從而使該儀器工作時處于牽引運行辛引保持和牽引放松三種狀態(tài)。并實現(xiàn)對牽引力及牽引時間的監(jiān)測顯示。

圖1牽引器硬件電路系統(tǒng)總體框圖

2．2部分硬件電路原理

腰椎牽引器采用AT89C51單片機作為系統(tǒng)控制單元，利用其控制能力實現(xiàn)對牽引力進行實時檢測并通過LED數(shù)碼顯示單元實現(xiàn)牽引力度監(jiān)視，并實現(xiàn)對電機的驅(qū)動控制。有關(guān)單片機系統(tǒng)的常規(guī)單元電路如：鍵盤設(shè)計、外存儲器擴展、模數(shù)轉(zhuǎn)換接口電路的設(shè)計與實現(xiàn)在眾多的實例開發(fā)資料中都有詳細介紹，在此不作介紹。本文旨在利用單片機實現(xiàn)腰椎牽引器這一應(yīng)用新案例的開發(fā)思想。以下主要分析外圍測餐與電機控制接口電路的設(shè)計與實現(xiàn)。

2．2．1牽引力采集檢測原理

牽引力采集檢測以拉式負荷傳感器為檢測傳感器，通過放大、AID轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換送單片機進行計數(shù)得到牽引力值。牽引器將傳感器上所受到的拉力轉(zhuǎn)換為與之成正比的電壓值，傳感器的應(yīng)變電阻元件如圖2所示．4片應(yīng)變片初始阻值大小相等，采用差動布片和全橋接線。因為傳感器在受到力的作用時，應(yīng)變電阻Rl和R2阻值的變化方向一樣，R3和R4阻值的變化方向一樣．通過采用差動布片和全橋接線。可以精確地輸出傳感器所受力轉(zhuǎn)換的電壓值。傳感器的差壓輸出經(jīng)過放大器OP07和TL062放大后，將輸出送入AID轉(zhuǎn)換器進行數(shù)據(jù)的采樣和處理。OP07是低漂移差動放大器。我們用其作為第一級放大?？梢跃_地對來自傳感器小至10μV的輸入進行放大，并很好的抑制共模信號的干擾；第二級放大我們采用雙通道運算放大器TL062，利用第一通道構(gòu)成電壓跟隨器在此電路中起降低噪聲及緩沖的作用．所以O(shè)P07輸出的信號經(jīng)過此電路等比例地平穩(wěn)地進入第二通道。利用第二通道對OP07的輸出進行放大，并將第二通道的正端輸入按圖3接法．通過調(diào)節(jié)RW可以調(diào)節(jié)TL062的正端輸入，來設(shè)置輸出零點，使模擬部分的輸出信號在A/D轉(zhuǎn)換器的線性工作區(qū)范圍內(nèi)。

圖2傳感器內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

圖3牽引力采集檢測電路

2．2．2牽引力控制原理

牽引力控制采用的控制機構(gòu)由電機、牽引輪、棘輪繼電器等組成，是一個小型的電力拖動系統(tǒng)，圖4所示為電力拖動部分的機構(gòu)圖。我們采用電機通過傳動方式拖動滾輪（稱為牽引輪）轉(zhuǎn)動，滾輪轉(zhuǎn)動帶動纏繞在其上的牽引帶從而產(chǎn)生牽引力．以達到對牽引對象牽引的目的。圖中．棘輪和牽引輪直接與電機主軸相連，通常。以電機作為動力進行拖動的電力拖動系統(tǒng)中．電機是通過某種自動控制方式來進行控制的，本裝置中，我們同樣采用單片機、繼電器控制方式實現(xiàn)對電機的控制。為使?fàn)恳Ρ３郑?a target="_blank">控制系統(tǒng)采用棘輪繼電器來實現(xiàn)，即關(guān)斷棘輪繼電器．使得棘輪不能轉(zhuǎn)動，這時電機輸出的拉力處于保持狀態(tài)。當(dāng)輸入設(shè)定的間歇牽引時間到時，接通棘輪繼電器，放松棘輪，棘輪自由轉(zhuǎn)動，牽引電機處于放松．牽引力處于撤消狀態(tài)。當(dāng)輸入設(shè)定的間歇放松時間達到時．接通棘輪繼電器、啟動電機進入牽引運行狀態(tài)。電機、繼電器的控制電路如圖5所示，電機啟?？刂菩盘杹碜訮1．3引腳，繼電器通斷控制信號來自PI．6引腳。

圖4電力拖動部分機構(gòu)圖

3 軟件設(shè)計

本軟件設(shè)計中，系統(tǒng)控制程序由主程序、中斷服務(wù)程序和其它子程序組成。在設(shè)計中采用模塊化程序設(shè)計技術(shù)，根據(jù)系統(tǒng)的功能，把整個程序按照各模塊完成的功能分為：主程序、中斷服務(wù)子程序、電機牽引運行子程序、功能設(shè)定子程序、顯示子程序、數(shù)據(jù)處理子模塊和牽引時問分析子程序等。系統(tǒng)的程序流程如圖6所示．以中斷的方式實現(xiàn)系統(tǒng)功能。

圖5電機、繼電器驅(qū)動電路

圖6腰椎牽引器系統(tǒng)的程序流程圖

主程序首先初始化，允許開放所有中斷．并打開定時器中斷。主程序隨時等待并響應(yīng)中斷。在沒有中斷產(chǎn)生的情況下，運行檢測程序，以檢測系統(tǒng)是進人功能設(shè)定還是進入牽引電機運行處理狀態(tài)。當(dāng)有定時器中斷產(chǎn)生時，程序跳轉(zhuǎn)到定時器中斷服務(wù)子程序。運行鍵盤掃描，數(shù)據(jù)采集，顯示以及牽引時間分析子程序。當(dāng)中斷子程序運行完畢，返回主程序調(diào)用處。

3．1主程序設(shè)計

軟件主程序是系統(tǒng)的監(jiān)控程序．主要完成初始化．控制程序的流向．調(diào)用子程序等功能。其流程圖見圖6所示。上電復(fù)位后，程序開始執(zhí)行。首先是初始化的工作．包括：

·A／D采樣結(jié)果．BCD轉(zhuǎn)換結(jié)果．拉力設(shè)定值這些存放單元的初始值設(shè)置；

·lO秒發(fā)生器計數(shù)器，定時開計數(shù)器，定時關(guān)計數(shù)器?？偁恳龝r間計數(shù)器以及定時開預(yù)值，定時關(guān)預(yù)值，總牽引時間預(yù)值這些單元的初值沒置：

·中斷計數(shù)器值的設(shè)置，調(diào)整它可改變中斷響應(yīng)時間：

·20H單元中的各個位00H～07H賦0．電機控制端口P1．3置1（指示電機關(guān)），17H置1（指示定時關(guān)狀態(tài)），0DH置l（設(shè)置等待燈亮）：

·定時器0中斷服務(wù)初始化：定時器工作方式以及其初值的設(shè)置

其次是檢測位地址00H，判斷電機是否開。如果有（00H=1）則執(zhí)行電機牽引運行處理程序相應(yīng)的功能。如果沒有（00H=0）Hq到下一步．檢測位地址01H，判斷鍵盤上的功能鍵是否按下．如果有（O1H=1）則執(zhí)行程序參數(shù)設(shè)置處理相應(yīng)的功能。如果沒有（01H=0）則返回到檢測電機是否開。主程序循環(huán)執(zhí)行。

主程序的流程較為簡單，所需要的完成的功能都是由子程序?qū)崿F(xiàn)。

4 結(jié)論

本文作者的創(chuàng)新點是設(shè)計了一種牽引力和牽引時間能精確控制且能實時顯示。牽引過程能自動完成，患者在治療過程中可以自行進行適當(dāng)調(diào)節(jié)的腰椎牽引器。由于該系統(tǒng)硬件簡單、成本低、集成度高、穩(wěn)定性好、調(diào)試方便以及抗干擾能力強，并且能實現(xiàn)牽引力的自動控制．因而具有一定的實用價值，但投入實用化仍需改進，為真正促進智能型腰椎牽引器的應(yīng)用，需要采用新器件以實現(xiàn)電路更加緊湊．改進牽引器的機械結(jié)構(gòu)設(shè)計、加強儀器的可靠性等方面采取一定的技術(shù)措施，同時增加對牽引力保持階段的牽引力檢測。當(dāng)出現(xiàn)偏離設(shè)定的數(shù)值時，能控制牽引系統(tǒng)進行自動補償．這是值得探討的問題。

通過實驗測試系統(tǒng)檢測傳感器、控制執(zhí)行機構(gòu)、顯示、報警等各功能正常，性能達到預(yù)定設(shè)計要求。

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