電子針灸儀設計（控制電路

1、針灸儀設計(控制電路) 摘 要 傳統(tǒng)中醫(yī)針灸療法包括兩部分：針療法和灸療法。簡單的講，針療法就是通 過毫針刺激人體的穴位，從而調(diào)節(jié)人體內(nèi)源性調(diào)節(jié)系統(tǒng)，發(fā)揮治病防病的效果； 灸療法就是通過艾條（或者其它代替品）燃燒的熱量作用于人體穴位、經(jīng)絡，從 而調(diào)節(jié)人體內(nèi)源性調(diào)節(jié)系統(tǒng)，發(fā)揮治病防病的效果。傳統(tǒng)中醫(yī)針灸療法中的針療 法與灸療法既是相互獨立的，又是互為補充的，靈樞官能說：“針所不為， 灸之所宜?！闭求w現(xiàn)了兩者相輔相成的關系?，F(xiàn)代醫(yī)學工作者根據(jù)前人積累下 的豐富經(jīng)驗加以總結和研究，研制出了電針儀和灸療儀1-2。然而，單純的電針 儀和灸療儀功能單一，不適用于傳統(tǒng)針灸療法所涵蓋的各種病癥，從而限制了其

2、 在臨床上的廣泛應用，因此，發(fā)展一種既可以進行針刺激又可進行灸療的多功能 針灸治療儀成為迫切的臨床需求。 本文利用電子和微處理器技術，以時基集成電路555為主要器件，設計了連 續(xù)波脈沖、斷續(xù)波脈沖、幅度調(diào)制脈沖和頻率調(diào)制脈沖等多種針灸刺激波形發(fā)生 電路，實現(xiàn)了多路輸出，獨立調(diào)節(jié)和控制，并給出設計原理框圖和相應的參考電 路；以8051單片機為核心設計了單片機控制系統(tǒng)，包括外部數(shù)據(jù)存儲器、鍵盤單 元和顯示單元三部分。 關鍵詞：針灸，電針，灸療，脈沖電路，單片機 THE DESIGN OF CHINESE ACUPUNCTURE （b）DIP8雙列直插封裝 LM555/LM555C系列產(chǎn)品引腳功能如

3、下表所示: 表2-1 LM555/LM555C系列產(chǎn)品引腳描述 引腳編號符號功能說明 GND 地線 TR 觸發(fā) 1 2 3OUT 輸出 4RES 復位 5CV 控制電壓 6TH 閾值 7DIS 放電 8VCC 電源 2.2.4 LM555/LM555C 系列替換器件 以下各廠商的時基集成 555 電路均可直接替換同型號的 LM555/LM555C 系列 產(chǎn)品。 表2-2 LM555/LM555C系列替換器件 國家半導體摩托羅拉德州儀器日電飛利浦日立西格尼蒂克 LM555MC1455NE555PC1555CA555HA17555SE555 2.3 連續(xù)脈沖發(fā)生電路 采用由555與其外圍電路組成的

4、占空比連續(xù)可調(diào)的脈沖振蕩電路，如圖23 所示。 圖2-3 連續(xù)脈沖發(fā)生電路 圖中二極管D1為充電引導管，二極管D2為放電引導管，充電回路為 R1D1R3左(R3左半部分)C，放電回路為CR3右(R3右半部分)D2R29。充 放電的時間可以由式（21）來確定： （21） CRRT CRRT )32(2ln )31(2ln 右放 左 充 理論上講，只要R1、R2、R3的值設置的合適，調(diào)節(jié)電位器的大小就可以使占 空比在0.0199.99%之間改變。上圖中通過調(diào)節(jié)R3可以改變輸出脈沖的寬度和 頻率。當各參數(shù)的設置如上圖時，輸出頻率為60HZ、寬度約為200S的矩形波， 脈沖波形如下： 圖2-4 連續(xù)脈

5、沖波形 2.4 間斷波發(fā)生電路 由于555的輸出受控于它的復位端（即第4腳），當復位端為高電平時，555 有輸出；當復位端為低電平時，輸出被截至，即輸出為0。因此可以利用另外一 片555的輸出來控制連續(xù)脈沖發(fā)生電路的復位端得到所需的間斷波?，F(xiàn)在需要做 的就是用一片555來產(chǎn)生周期為3S的方波，稱為間斷波調(diào)制電路。 2.4.1 間斷波調(diào)制電路 間斷波調(diào)制電路實際上就是周期為3S的方波產(chǎn)生電路，本次設計采用無穩(wěn)類 電路（即多諧振蕩電路）中的直接反饋型電路來實現(xiàn)此功能。 圖2-5 間斷波調(diào)制電路 該電路的特點是RA直接反饋至輸出端，與Vo相連，其用途之一就是方波的輸 出，輸出方波的周期可以由式（22

6、）來確定10： （22） 1 2lnCRTT A 放充 由此式得出各參數(shù)的大小如上圖所示。值得注意的是，圖中各參數(shù)是將計算 得出的理論值進行微調(diào)的結果，這樣做是因為由于仿真軟件本身的誤差使得由理 論值仿真出的波形與實際期望的波形之間存在一定的誤差，因此，需要通過調(diào)整 各參數(shù)將誤差降為最小。調(diào)整后的輸出波形如下： 圖2-6 間斷波調(diào)制波形 2.4.2 間斷波發(fā)生電路 將間斷波調(diào)制電路的輸出接至連續(xù)脈沖發(fā)生電路的復位端即可構成間斷波發(fā) 生電路。效果圖如圖26所示： 圖 2-7 間斷波發(fā)生電路 產(chǎn)生的波形如下： 圖 2-8 間斷波脈沖 上圖中出現(xiàn)的波形重疊現(xiàn)象是由于示波器的Timebase欄中的Sc

7、ale項設 置過大造成的，將數(shù)值變小即可消除此現(xiàn)象，在這里為了在一個屏幕中顯示出一 個周期的波形不得不將數(shù)值設置的較大。 2.5 幅度調(diào)制脈沖發(fā)生電路 幅度調(diào)制脈沖電路可以由周期為 2S 的鋸齒波電路和連續(xù)脈沖發(fā)生電路相乘 得到。 2.5.1 鋸齒波發(fā)生電路 如下圖所示，555 接成無穩(wěn)態(tài)多諧振蕩狀態(tài)。為了產(chǎn)生從 0 開始的干充電鋸 齒波，增加了級聯(lián)放大器 Q2、Q3，Q2 的基極接 555 的輸出端 3 腳，Q3 與 C2 并接 至控制端 5 腳，使得當 3 腳呈高電平時，Q2 導通，Q3 截至止，5 腳得控制電壓仍 為集成片內(nèi)的標準基準電壓 2/3VCC，而當 3 腳呈低電平時，Q2 截止

8、，Q3 飽和導 通，5 腳的電位幾乎被箝至 0V，因而 C1 放電也放至 0V 左右，555 才置位，3 腳 轉呈高電平，C1 的充電也幾乎從 0 開始。Q1 為場效應管，它與 RW、C1 組成恒流 源充電電路，使充電線性好。Q4、Q5 接成復合射極跟隨器，用于進行阻抗變換和 提高負載能力。調(diào)節(jié) RW 可以改變鋸齒波的周期，調(diào)整 R3 至合適值可以使充電從 0 開始11。 圖 2-9 鋸齒波發(fā)生電路 產(chǎn)生鋸齒波波形： 圖 2-10 周期為 2S 的鋸齒波 2.5.2 幅度調(diào)制脈沖發(fā)生電路 將鋸齒波發(fā)生電路的輸出與兩許脈沖發(fā)生電路的輸出通過一個乘法器輸出后 便可得到需要的波形。電路如下所示： 圖

9、 2-11 幅度調(diào)制脈沖發(fā)生電路 為了使輸出脈沖的幅度滿足 012V 的要求，這里采用+5V 的 VCC。輸出波形 見下頁。 圖 2-12 幅度調(diào)制脈沖 2.6 頻率調(diào)制脈沖發(fā)生電路 頻率調(diào)制脈沖發(fā)生電路由鋸齒波發(fā)生電路、壓控振蕩電路和單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)電路 構成。其中鋸齒波發(fā)生電路和壓控振蕩電路組成一個脈沖寬度調(diào)制電路，然后將 脈沖寬度調(diào)制電路的輸出端接至單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)電路的輸入端，調(diào)整單穩(wěn)態(tài)出發(fā)電路 的電容電阻值得到需要的波形即可。 2.6.1 脈沖寬度調(diào)制電路 一、壓控振蕩電路 一般的振蕩器若要改變振蕩頻率必須改變選頻網(wǎng)絡的參數(shù)值。在這里使用的 由555定時器構成的振蕩器，只要改變加在輸入端（5腳）

10、的控制電壓就可改變振 蕩電路的輸出頻率。這樣的振蕩器就我們電壓控制振蕩器，簡稱壓控振蕩器。壓 控振蕩電路的原理圖如下頁圖2-13所示。 圖2-13 壓控振蕩原理圖 輸出波形的振蕩周期可用如下公式計算： 21 TTT i i UV UV CRRT CC CC 1211 2/ ln)( 122 2lCRnT 二、脈沖寬度調(diào)制電路 選定VCC的值，根據(jù)對疏密波的要求算出輸入電壓Ui的范圍，然后由鋸齒波 發(fā)生器產(chǎn)生符合要求的鋸齒波（鋸齒波原理圖見圖2-8所示），將鋸齒波發(fā)生電 路的輸出接至壓控振蕩電路的輸入端即可構成脈沖寬度調(diào)制電路。原理圖如下： 圖2-14 脈沖寬度調(diào)制電路 上圖中，由于鋸齒波發(fā)生電

11、路的輸出達不到要求，故而在其后接了一級同相 比例運算電路14。 三、單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)電路 單穩(wěn)態(tài)出發(fā)電路是由555定時器組成的電路中最簡單的一種，它是以555的2 腳作為脈沖輸入端，6、7腳接一起，在其與電源之間接電阻、與地之間接電容， 5腳經(jīng)濾波電容接地10。具體原理圖如下所示： 圖2-15 單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)電路及波形圖 （a）單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)電路原理圖；（b）單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)電路波形圖 輸出的脈沖寬度TW等于暫穩(wěn)態(tài)的持續(xù)時間，而暫穩(wěn)態(tài)的持續(xù)時間取決于外接 電阻R1和C1的大小。由圖2-15可知，TW等于電容電壓在充電過程中從0上升到 2/3VCC所需要的時間，因此可得： CCCC CC W VV V CRT 3

12、2 ln 11 11 3lnCR 通常，R1的取值在幾百歐姆到幾兆歐姆之間，電容的取值范圍在幾百皮法到 幾百微法，TW的范圍為幾微秒到幾分鐘。但是必須注意，隨著TW的寬度的增加它 的精度和穩(wěn)定度也在下降。 根據(jù)對脈沖寬度的要求設置合適的參數(shù)，并將脈沖寬度調(diào)制電路的輸出接至 單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)電路的輸入端便可實現(xiàn)疏密波的輸出。 第三章 控制單元及軟件設計 3.1 控制單元簡介 單片機控制單元主要用于脈沖模式的選擇與控制。就該單元由三部分組成： 外部存儲器擴展單元、外部鍵盤擴展單元以及外部顯示器擴展單元。本項目中由 于所需存儲數(shù)據(jù)量較小，因此不再進行外存儲器的擴展。 3.2 單片機的選擇 3.2.1 80

13、51 單片機簡介 MCS-51 單片機是美國 INTE 公司于 1980 年推出的產(chǎn)品，與 MCS-48 單片機相 比，它的結構更先進，功能更強，在原來的基礎上增加了更多的電路單元和指令。 MCS-51 單片機可以算是相當成功的產(chǎn)品，一直到現(xiàn)在，MCS-51 系列(或其兼容的 單片機)仍是應用的主流產(chǎn)品，各高校及專業(yè)學校的培訓教材仍與 MCS-51 單片機 作為代表進行理論基礎學習。 本文中采用控制電路比較簡單，功能也不太復雜，故而選擇目前市場上通用 的高檔 8 位 MCS-51 系列單片機 8051。8051 是 MCS-51 系列單片機中的代表產(chǎn)品， 它內(nèi)部集成了功能強大的中央處理器，包含

14、了硬件乘除法器、21 個專用控制寄存 器、4KB 的程序存儲器、128 字節(jié)的數(shù)據(jù)存儲器、4 組 8 位的并行口、兩個 16 位 的可編程定時/計數(shù)器、一個全雙工的串行口以及布爾處理器。此類單片機具有 體積小、功能全、面向控制、開發(fā)應用方便的特點，是工業(yè)實時控制、智能控制、 測控領域的首選。 3.2.2 8051 單片機管腳及功能 圖 3-1 8051 單片機管腳圖 一、電源引腳 VCC和 VSS VCC：電源端，接5V。 VSS：接地端，通常在 VCC和 VSS引腳之間接 0.1f 高頻濾波電容。 二、時鐘電路引腳 XTAL1 和 XTAL2 XTAL1：接外部晶振和微調(diào)電容的一端，在片內(nèi)它

15、是振蕩器倒相放大器的輸 入，若使用外部 TTL 時鐘時，該引腳必須接地。 XTAL2：接外部晶振和微調(diào)電容的另一端，在片內(nèi)它是振蕩器倒相放大器的 輸出，若使用外部 TTL 時鐘時，該引腳為外部時鐘的輸入端。 三、地址鎖存允許 ALE 在系統(tǒng)擴展時，ALE 用于控制地址鎖存器鎖存 P0 口輸出的低 8 位地址，從而 實現(xiàn)數(shù)據(jù)與低位地址的復用。當單片機上電正常工作后，ALE 端就周期性地以時 鐘頻率的 1/6 的固定頻率向外輸出正脈沖信號。 四、外部程序存儲器讀選通信號 是讀外部程序存儲器的選通信號，低電平有效。CPU 從外部存儲器取指 令時，它在每個機器周期中兩次有效。 五、程序存儲器地址允許輸

16、入端/Vpp 當為高電平時，CPU 執(zhí)行片內(nèi)程序存儲器指令，但當 PC 中的值超過 0FFFH 時，將自動轉向執(zhí)行片外程序存儲器指令。當為低電平時，CPU 只執(zhí)行片外程 序存儲器指令。 六、復位信號 RST 該信號高電平有效，在輸入端保持兩個機器周期的高電平后，就可以完成復 位操作。此外，該引腳還有掉電保護功能。 七、輸入/輸出端口 P0P3 P0 口（P0.0P0.7，3932 腳）：是一個 8 位漏極開路型的雙向 I/O 口。 第二功能是在訪問外部存儲器時，分時提供低 8 位地址線和 8 位雙向數(shù)據(jù)總線。 P1 口（P1.0P1.7，18 腳）：P1 口是一個帶內(nèi)部上拉電阻的 8 位準雙向

17、 I/O 端口，一般可作為 I/O 口。在 P1 口作為輸入口使用時，應先向 P1 口鎖存器 寫入全 1，此時 P1 口引腳由內(nèi)部上拉電阻拉成高電平。 P2 口（P2.0P2.7，2128 腳）：P2 口是一個帶內(nèi)部上拉電阻的 8 位準雙 向 I/O 端口。在訪問片外 EPROM/RAM 時，它輸出高 8 位地址。 P3 口（P3.0P3.7，1017 腳）：P3 口是一個帶內(nèi)部上拉電阻的 8 位準雙 向 I/O 端口，此外 P3 口的每個腳還具有如表 3-1 所示的第二功能。 表 3-1 P3 口的第二功能 序號第二功能 P3.0 RXD(串行接收) P3.1 TXD(串行發(fā)送) P3.2

18、INT0(外部中斷 0 輸入) P3.3 INT1(外部中斷 1 輸入) P3.4 T0 (定時器 0 外部輸入) P3.5 T1 (定時器 1 外部輸入) P3.6 WR（外部數(shù)據(jù)存儲器寫信號） P3.7 RD（外部數(shù)據(jù)存儲器讀信號） 3.3 鎖存器的選擇 3.3.1 鎖存器簡介 鎖存器就是把當前的狀態(tài)鎖存起來，使 CPU 送出的數(shù)據(jù)在接口電路的輸出端 保持一段時間不發(fā)生變化，直到解除鎖定或復位。 鎖存有地址鎖存和數(shù)據(jù)鎖存之分。當用作地址鎖存器使用時，需要將鎖存器 的鎖存允許端 LE 接至單片機的 ALE 管腳；當用作數(shù)據(jù)鎖存器使用時，可按具體 情況將鎖存器的鎖存允許端 LE 接至單片機的

19、P0 或 P1 口。 本設計中采用三態(tài)輸出的八位透明鎖存器 74LS373。 3.3.2 74LS373 管腳及功能 圖 3-2 74LS373 管腳 各管腳功能如下： D0D7：數(shù)據(jù)/地址輸入端； Q0Q7：數(shù)據(jù)/地址輸出端； ：三態(tài)允許控制端（低電平有效）； LE：鎖存允許端； 3.3.3 74LS373 真值表 表 3-2 位 74LS373 的真值表，表中各符號的意義為：Dn 為輸入，Qn 為輸出， H 代表高電平，L 代表低電平，Q0 為輸出端初始狀態(tài)，表示無論高低電平，Z 表示輸出呈高阻態(tài)。 表 3-2 74LS373 真值表 DnLEQn HHLH LHLL LLQ0 HZ 3.

20、4 硬件電路圖設計 3.4.1 硬件電路圖 硬件電路圖設計如圖 3-3 所示。 圖中用單片機的 P1 口作為輸入口，輸入高低電平，高低電平的選擇通過按 鍵的斷開和閉合來實現(xiàn)；P0 口作為輸出口，輸出高低電平來控制發(fā)光二極管與雙 向模擬開關 4066 的導通和截至。 圖 3-3 針灸儀控制電路圖 3.4.2 硬件電路的工作原理 在圖 3-3 中的輸入與輸出之間存在如下的對應關系： 當按鍵 1 按下時，P1.0 為 0，這時編程使 P0.0 和 P0.4 的輸出分別為 0 和 1，使二極管 DS1 和 4066 的 A 組正常工作； 當按鍵 2 按下時，P1.2 為 0，這時編程使 P0.1 和

21、P0.5 的輸出分別為 0 和 1，使二極管 DS1 和 4066 的 B 組正常工作； 當按鍵 3 按下時，P1.2 為 0，這時編程使 P0.2 和 P0.6 的輸出分別為 0 和 1，使二極管 DS3 和 4066 的 C 組正常工作； 當按鍵 4 按下時，P1.3 為 0，這時編程使 P0.3 和 P0.7 的輸出分別為 0 和 1，使二極管 DS1 和 4066 的 D 組正常工作； 由于采用了數(shù)據(jù)鎖存器，通過鎖存 P0 口的不同狀態(tài)可使各種序列的波形連 續(xù)輸出，當完成治療時，按下復位端的開關便可使儀器停止工作。 3.4.3 程序流程圖 圖 3-4 程序流程圖 3.4.4 軟件編程

22、ORG 0000H START: JNB P1.0 AA ；P1.0 為 0？若是 0 執(zhí)行子程序 AA JNB P1.1 BB ；P1.1 為 0？若是 0 執(zhí)行子程序 BB JNB P1.2 CC ；P1.2 為 0？若是 0 執(zhí)行子程序 CC JNB P1.3 DD ；P1.3 為 0？若是 0 執(zhí)行子程序 DD AA: SJMP D12MS ；調(diào)用延時程序 JB P1.0 START ；P1.0 為 1？若是則返回到開始 CLR P1.4 ；將 P1.4 置 0 MOV A，#01EH MOV P0，A ；二極管 DS1 亮，模式 1 輸出 SETB P1.5 CLR P1.5 ；將

23、P0 口數(shù)據(jù)鎖存 JMP $ ；原地等待 BB: SJMP D12MS ；調(diào)用延時程序 JB P1.1 START ；P1.1 為 1？若是則返回到開始 CLR P1.4 ；將 P1.4 置 0 MOV A， #2DH MOV P0，A ；二極管 DS2 亮，模式 2 輸出 SETB P1.5 CLR P1.5 ；將 P0 口數(shù)據(jù)鎖存 JMP $ ；原地等待 CC: SJMP D12MS ；調(diào)用延時程序 JB P1.2 START ；P1.2 為 1？若是則返回到開始 CLR P1.4 ；將 P1.4 置 0 MOV A，#4BH MOV P0，A ；二極管 DS3 亮，模式 3 輸出 SET

24、B P1.5 CLR P1.5 ；將 P0 口數(shù)據(jù)鎖存 JMP $ ；原地等待 DD: SJMP D12MS ；調(diào)用延時程序 JB P1.3 START ；P1.3 為 1？若是則返回到開始 CLR P1.4 ；將 P1.4 置 0 MOV A，#87H MOV P0，A ；二極管 DS4 亮，模式 4 輸出 SETB P1.5 CLR P1.5 ；將 P0 口數(shù)據(jù)鎖存 JMP $ ；原地等待 D12MS: MOV R0，#18H ；延時 12ms 子程序（晶振 12MHz） D12A: MOV R1，#OF8H DJNZ R1，$ DJNZ R0，D12A RET 結 論 畢業(yè)設計是本科學習

25、階段一次非常難得的理論與實際相結合的機會。在硬件 電路設計過程中，通過學習理論、模擬仿真等一系列實踐使我對時基集成電路 555 和 MCS-51 系列單片機有了更深入的理解和掌握。在軟件設計過程中，通過查 閱資料、嘗試編程等實踐，使我使用匯編語言編寫程序的能力得到了極大的鍛煉。 另外通過這次設計我擺脫了單純的理論知識學習狀態(tài)，理論和實際的結合鍛煉了 我綜合運用所學專業(yè)基礎知識的能力，并且通過不斷的查閱資料、搜索相關網(wǎng)頁， 使我掌握了快捷、有效的查找方法。同時對設計整體的把握，對局部的取舍，以 及對細節(jié)的斟酌處理，都使我的能力得到了鍛煉，經(jīng)驗得到了豐富，抗壓能力及 耐力也都得到了不同程度的提升。

26、我想這些正是我們進行畢業(yè)設計的目的所在！ 本設計對電子針灸儀電針治療部分作了詳細的分析和研究，給出了相關電路 圖和仿真波形，對控制單元做出了硬件原理圖并進行了程序的編寫。遺憾的是由 于各種原因本人未能進行實際的硬件電路制作，不過我始終相信如果條件允許我 能夠完成硬件電路的制作。 另外本文純屬個人觀點，僅希望能對有興趣研究針灸儀的電子愛好者一些幫 助。本人也衷心期望在不久的將來有能之士能夠設計出新型的電子針灸儀器，為 人類的醫(yī)療事業(yè)作出貢獻。 參考文獻 1 章小平,龍目恒,黃尚廉.針灸電子化進程.器械博覽,2002,2(2),4145 2 劉志朋,殷濤.多功能中醫(yī)針灸治療儀的研制與應用.生物醫(yī)學

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