基于AT89C51的腰椎牵引仪的设计

　　1引言

　　医学上针对腰椎间盘突出症等腰脊椎病, 通常采取物理牵引的保守治疗方法。便携可调式牵引器,患者可以自我操作,简单易用,适合中小医院更适合家庭长期自助康复。现有国内生产的便携可调式牵引器有手动支架牵引和机械牵引, 这些牵引器用人工控制和监视,操作费力、无法持续较长时间,不直观,调节困难,牵引器产生的牵引力难以精确保持,没有自动监测装置,给病人和医务人员带来许多不便, 这就需要借助机电理疗自动化系统。为此本文设计了一种新型的腰椎牵引器,它是以 AT89C51单片机为微处理器,配合其它辅助电路并由直流电机实施牵引,从而实现腰脊椎病的物理治疗, 它的单片机控制系统可以保证牵引治疗动作的精确量化,牵引治疗所需的牵引力、牵引时间可调整,可精确控制,实时显示,整个牵引过程自动完成。

　　2腰椎牵引仪的硬件实现

　　仪器完成的主要任务是:键盘按键检测、操作设置信息和运行状态的显示、拉力信号的检测及控制、牵引电机的继电器控制与驱动等。牵引力监测与控制是本系统的主要研究目标,也是本系统稳定性和可靠性的根本保证。根据本系统的要求,采用了AT89C51 单片机作为主控芯片, 采用拉式负荷传感器用于检测牵引力值。

　　2.1 硬件总体设计

　　图1 为腰椎牵引仪系统硬件组成,系统以AT89C51 作为主控MCU,主要包括牵引力采集检测单元电路、牵引电机调节控制电路、键盘控制与 LED 显示单元电路、系统电源电路、报警电路以及牵引装置。拉力传感器输出的模拟信号经过信号调理电路处理,送入A/D 转换器转换成数字量再送入 AT89C51。单片机根据使用者所设定的牵引力、牵引时间进行判断,产生驱动牵引电机所需要的脉冲信号,调节控制电机及牵引装置,从而使该仪器工作时处于牵引运行、牵引保持和牵引放松三种状态,并实现对牵引力及牵引时间的监测显示。

　　2.2 部分硬件电路原理

　　腰椎牵引器采用AT89C51 单片机作为系统控制单元,利用其控制能力实现对牵引力进行实时检测并通过 LED 数码显示单元实现牵引力度监视,并实现对电机的驱动控制。有关单片机系统的常规单元电路如:键盘设计、外存储器扩展、模数转换接口电路的设计与实现在众多的实例开发资料中都有详细介绍,在此不作介绍。本文旨在利用单片机实现腰椎牵引器这一应用新案例的开发思想。以下主要分析外围测量与电机控制接口电路的设计与实现。

　　2.2.1 牵引力采集检测原理

　　牵引力采集检测以拉式负荷传感器为检测传感器, 通过放大、A/D 转换器转换送单片机进行计数得到牵引力值。牵引器将传感器上所受到的拉力转换为与之成正比的电压值, 传感器的应变电阻元件如图2 所示,4 片应变片初始阻值大小相等,采用差动布片和全桥接线。因为传感器在受到力的作用时,应变电阻R1和R2阻值的变化方向一样,R3和R4阻值的变化方向一样,通过采用差动布片和全桥接线,可以精确地输出传感器所受力转换的电压值。传感器的差压输出经过放大器OP07 和TL062 放大后,将输出送入A/D 转换器进行数据的采样和处理。OP07是低漂移差动放大器,我们用其作为第一级放大,可以精确地对来自传感器小至 10μV 的输入进行放大, 并很好的抑制共模信号的干扰; 第二级放大我们采用双通道运算放大器TL062,利用第一通道构成电压跟随器在此电路中起降低噪声及缓冲的作用,所以OP07输出的信号经过此电路等比例地平稳地进入第二通道。