基于AT89C2051单片机的超声波理疗仪设计

　　0 引言

　　目前国内外的多数超声治疗仪(理疗型)普遍都是以连续正弦波(1～3 MHz)或脉冲正弦波(低频调制100 kHz左右)的方式进行工作，其输出声强≤3.0 W/cm2，所存在的问题是超声波主要作用于皮肤、肌肉和结缔组织，发射波形峰值高、穿透力差等，对较深病灶点的治疗效果不明显。因此，治疗和促进肌肉恢复和骨骼愈合需要很长的时间。本设计的理疗仪能产生波形峰值低、穿透力强的特定超声波能量，可以更加深层地作用于肌肉骨骼上，起到加速愈合的作用。本设计使用电路模块化的设计思路，并结合实际电路设计了一种简单适用的多参数超声波治疗仪。目前，该设计在国内外无类似的产品报道，产品设计原理涉及许多关于超声波对骨伤治疗的最前沿的研究成果和报道。

　　1 系统构成原理

　　该系统主要分为5个主要模块。其中单片机控制模块是系统核心，它控制着超声波产生的强度。其他(如MAX038则)主要是产生高频波，NE555构成多谐振荡器，混频后产生的超声波经过放大输出，即可作用于人体的受伤部位，其基本的系统构成如图1所示。

　　本系统的基本工作原理是先由集成芯片MAX038输出一个高频信号，同时由NE555构成的多谐振荡器通过7474组成的二分频电路和MAX029以及外围电路构成的低通滤波器得到低频信号，再用低频信号调制高频信号，以得到适当频率的超声波。由于信号比较微弱，所以需要功率放大器来对信号进行放大。这里的功放电路采用三级放大电路，最后再经过换能器输出，并由单片机控制超声波的输出强度。

　　2 高频信号的产生

　　产生高频信号可选用美信公司的MAX038高频波形发生器芯片。该方法的各种波形曲线均可以用三角函数方程式来表示。能够产生多种波形的函数信号。函数信号发生器也可以由晶体管、运放IC等通用器件制作，而美信公司的函数信号发生器MAX038的频率高、精度好，因此，它被称为高频精密函数信号发生器IC。该芯片组成的高频信号产生电路如图2所示。

　　图2中，第3脚和第4脚(即A0和A1脚)即是控制输出的波形，而输出的波形频率则由外接电容C1和第8脚和第10脚共同确定。

　　3 低频信号发生电路

　　低频信号发生模块电路可采用NE555构成多谐振荡器，当该振荡器输出波形信号后，再接以7474锁存器为主要部件组成二分频电路，最后再用MAX298组成低通滤波器以进行滤波，就能得到所需的低频信号波。MAXIM公司生产的MAX29X系列8阶低通开关电容滤波器由于使用方便、设计简单、尺寸小(有8-pin DIP封装)，因而在ADC的反混叠滤波、噪声分析、电源噪声抑制等领域得到了广泛的应用。这里不采用MAX03 8来产生低频波的原因主要是两种波形参杂的直流电平不同时，其混频以后效果不明显。而用MAX298进行滤波，则可以在5 kHz～10 kHz频率内得到很好的滤波效果，具体的低频信号发生电路如图3所示。其中振荡周期由NE555中R1，R2和C1确定，具体公式为：