基于AT89S52的野战便携式中频治疗系统的设计

刘 琳 蔡雪花

战伤救护是为战时减少伤亡、迅速恢复战斗力以保持战争实力而必须采取的一项重要措施[1]。在战伤救护过程中，出现的贯通伤、盲管伤、擦伤、骨折等各种创伤，在急救处理和手术后仍需要漫长的治疗和理疗过程，才能促进伤员康复的进程，而中频治疗系统在伤员的治疗和理疗过程中能够起到重要的作用[2]。

中频治疗系统的中频电流不仅能够改善后局部组织的血液循环，组织水肿减轻，炎症产物的吸收和排除加速，局部组织的营养和代谢增强，免疫防御机能提高；而且能够刺激扩大细胞与组织的间隙，使粘连的结缔组织纤维、肌纤维、神经纤维等活动而得到分离，达到软化疤痕、松解粘连[3]。除上述治疗作用外，中频治疗系统还有刺激运动神经和肌肉引起正常骨骼肌和神经肌肉收缩、锻炼肌肉、防止肌肉萎缩的作用，并提高平滑肌张力、引起平滑肌收缩和调整植物神经功能的作用[6]。传统的中频治疗系统采用市电供电，结构笨重，设备功耗较大，在面对野战医疗和机动医疗的特殊环境下，不便于携带操作；由于内置电池的使用时间问题，有些伤员需在户外做康复理疗，几乎不可能[7]。为此，本研究设计野战便携式中频治疗系统，不仅能够满足医院门诊、康复理疗的运用，还能够适合野战医疗条件下，战时伤员的治疗康复的运用。

1 中频治疗系统设计路线和实现

系统采用AT89S52为主控芯片，通过振动电路产生各种治疗波，运用于各级战时疾病的治疗作用，整个控制模块集成化设计，尽可能降低功耗；该设备不仅可以采用市电供电还内置以串联的方式连接两个12 V、7 Ah的铅酸电池供电，可以采用市电充电，也可以采用光伏充电，可以在野外或者户外调节下，完全摆脱市电的束缚，实现野外或户外治疗康复运行[8]。

系统主要包括中频信号设计模块、供电模块，通过中频信号设计模块输出各种治疗波形作用在电极片上；供电模块采用内置蓄电池供电，一种可以采用市电充电模块，一种采用光伏充电模块，光伏充电模块主要包括太阳能电池板、太阳能充电器，其系统结构如图1所示。

图1 中频治疗系统结构示意图

1.1 硬件设计

系统采用的主芯片为AT89S52，是一款低功耗、高性能金属氧化物半导体(complementary metaloxide semiconductor，CMOS)的8位微控制器。内置8 K字节Flash，256字节随机存储器(random access memory，RAM)，32位I/O口线，看门狗定时器，2个数据指针，3个16位定时器/计数器，一个6向量2级中断结构，全双工串行口，片内晶振及时钟电路。此外，AT89S52可降至0 Hz静态逻辑操作，支持2种软件可选择节电模式，空闲模式下，中央处理器(central processing unit，CPU)停止工作，允许RAM、定时器和(或)计数器、串口、中断继续工作，在掉电保护方式下RAM内容被保存，振荡器被冻结，单片机一切工作停止，直到下一个中断或硬件复位为止[9](如图2所示)。

图2 中频治疗系统控制电路系统框图

1.1.1 电源电路设计

系统采用的供电电压为+5 V电压，市电通过变压器降低+9 V，经过D1、D2、D3及D4整流，通过C1、C2进行滤波，再通过稳压芯片LM7805进行稳压，最后输出+5 V电压给系统供电[10](如图3所示)。

图3 中频治疗系统市电电源电路图

系统内置2个12 V、7 Ah的铅酸电池，便于伤员进行户外康复治疗。该电池可以采用市电进行充电，也可以采用太阳能进行充电(如图4所示)。

图4 中频治疗系统市电充电电路图

图4 显示，市电经过变压器，再整流后通过稳压芯片LM7824输出+24 V给蓄电池充电，蓄电池可以通过R3限压，再通过稳压芯片LM7805、C7滤波输出+5 V给本系统供电[11]。鉴于野战医疗的特殊环境，为了适应野战供电，系统可以采用光伏充电。光伏充电系统包括2块光伏电池板、光伏充电器、蓄电池、中频治疗系统等(如图5所示)。

图5 中频治疗系统光伏充电系统结构图

光伏电池板接收阳光后产生的电压经过C1稳压，在经过Q1、Q2开关管进行调制，经过变压器变压输出+24 V电压给电池供电，D1为稳压管，R5和R6进行输出电压采样，反馈到Q1上，进而控制Q1的导通角，控制变压器的初级电压，光伏充电模块电路如图6所示。

图6 中频治疗系统光伏充电器电路图

1.1.2 系统电路设计

中频治疗系统采用的波形频率为1000～100000 Hz，通过1000～100000 Hz的中频电路作用于人体，人体受到电刺激后神经系统会释放一些具有镇痛效应的物质，达到镇痛的作用。系统采用的主控制芯片为AT89S52，采用正弦波发生器产生正弦波，通过AT89S52调制电路，产生连续调制波、间隙调制波、变频调制波三种波形，再通过功率放大电路、电压器隔离电路、双通道输出电路作用在电极片上[12]。其信号调制电路结构如图7所示。

图7 中频治疗系统信号调制结构图

正弦波发生器产生的正弦波通过主芯片进行调制，经过Q1、Q2、Q3、Q4进行功率放大，通过变压器T1进行隔离输出到两个电极片上；输出电流可以通过电位器R8进行调节，控制输出电流的大小，输出电流的大小可以显示在电流表A1上，其中频治疗系统输出信号电路如图8所示。

图8 中频治疗系统输出信号电路图

1.2 软件设计

系统开机后进行系统的初始化并扫描按键，在确定治疗方案过程中，必须确定治疗时间、治疗功率和治疗波形才能输出电流。在治疗过程中，显示器显示治疗值，并计时治疗时间，当治疗时间到时，报警电路报警，提示患者治疗结束，其主程序如图9所示。

图9 中频治疗系统主程序流程图

2 中频治疗系统临床应用

野战便携式中频治疗系统操作简单，便于携带，且有多种供电方式，患者可以根据自身要求选择治疗地点。系统通过100例门诊治疗和50例野战医疗、机动医疗治疗测试，患者可以根据自身的伤病情况，选择合适的治疗时间、治疗功率和治疗波形，能够满足患者的治疗要求。该系统配备光伏充电系统，可满足战时伤员野外治疗的特殊要求[13]。中频治疗系统临床应用测试效果见表1。

表1 中频治疗系统临床应用测试效果

系统在野外治疗过程中，通过光伏充电系统进行充电，整个中频治疗系统可以完全离开市电的情况下，在野战长时间的运用治疗。在户外治疗过程中，采用光伏充电模块充电，其充电曲线如图8所示。

图10 中频治疗系统光伏充电电压曲线图

系统的光伏充电系统采用2块并联的光伏电池板接收太阳光，这样太阳能电池板输出的电压最大可达36 V，通过太阳能充电器输出26 V给蓄电池充电，在野外充电测试中，从图8的电压曲线图，充满该系统的蓄电池需要的时间大约为3.5 h，可以满足患者在野战医疗或者户外的治疗使用[14]。

3 结语

中频治疗系统在治疗过程中，对促进患者局部血液循环、锻炼肌肉、软化疤痕、松解粘连、消炎、镇痛等有着良好的疗效。本系统针对目前大部分中频治疗系统依赖市电、功耗高、不方便携带等特点，面临野战医疗、机动医疗等特殊环境和有些伤员想户外治疗的特殊要求，设计一种野战便携式中频治疗系统，该系统采用内置铅酸电池供电，并可以采用光伏充电系统进行充电，达到野外或者户外治疗的目的。整个系统功耗较低，不受物理环境的束缚，操作简单，自由度高，适合战时伤员的野战医疗和普通患者的户外治疗活动[15]。