基于嵌入式器件AT89C51SND1C的電子治療儀設(shè)計(jì)方案

一、引言

目前，市場(chǎng)上采用的電子治療儀通常通過(guò)兩個(gè)電極片對(duì)稱(chēng)覆蓋治療人體部位，利用電極片上的脈動(dòng)電壓與治療部位電阻產(chǎn)生作用，在治療部位產(chǎn)生人體能夠感知的脈動(dòng)電流，刺激神經(jīng)肌肉，使其收縮和舒張，產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)效應(yīng)，從而達(dá)到治療目的。然而，這類(lèi)治療儀的脈動(dòng)電壓種類(lèi)有限，脈動(dòng)電流頻率周期固定，如果某治療部位長(zhǎng)期接受其脈動(dòng)，就會(huì)產(chǎn)生抗療作用，引起自發(fā)性緊張，從而降低治療效果。

為了解決這一問(wèn)題，本文將介紹一種基于嵌入式器件AT89C51SND1C的電子治療儀設(shè)計(jì)方案。該方案將MP3發(fā)出的隨機(jī)音樂(lè)信號(hào)引入治療儀，使音頻信號(hào)與2.4 kHz的中頻治療頻率進(jìn)行調(diào)制，產(chǎn)生多種脈動(dòng)電壓和頻率周期不斷變換的脈動(dòng)電流，隨音樂(lè)信號(hào)起伏變化而發(fā)生作用，從而提高治療效果。

二、主控芯片型號(hào)及其在設(shè)計(jì)中的作用

2.1 主控芯片型號(hào)

本設(shè)計(jì)方案選用ATMEL公司的AT89C51SND1C芯片作為主控芯片。AT89C51SND1C是一款基于8位C51 MCU內(nèi)核的MP3解碼器芯片，它內(nèi)置MP3硬件解碼器和USB控制器，支持多種采樣頻率（48、44.1、32、24、22.05及16KHZ），具有重低音、中音、高音均衡控制和重低音環(huán)繞聲效果。此外，它還內(nèi)置2304B RAM和64KB Flash程序空間，方便用戶增加復(fù)雜的功能，并提供MP3音頻時(shí)鐘及USB時(shí)鐘。

2.2 主控芯片在設(shè)計(jì)中的作用

1. MP3解碼與播放：AT89C51SND1C具有內(nèi)置的MP3解碼器，可以直接解碼MP3音頻文件，并通過(guò)D/A轉(zhuǎn)換器輸出模擬音頻信號(hào)，供耳機(jī)或喇叭播放。這使得治療儀在進(jìn)行治療的同時(shí)，可以播放音樂(lè)，分散患者的注意力，緩解緊張情緒。

2. USB控制器：AT89C51SND1C還內(nèi)置USB控制器，支持U盤(pán)功能。當(dāng)治療儀的USB端口插入電腦的USB接口時(shí)，可以執(zhí)行U盤(pán)程序，將選好的MP3歌曲復(fù)制到治療儀的存儲(chǔ)器中。這使得治療儀具有更大的靈活性，用戶可以根據(jù)需要隨時(shí)更換治療音樂(lè)。

3. 中頻信號(hào)產(chǎn)生與控制：AT89C51SND1C可以產(chǎn)生2.4 kHz的中頻信號(hào)，并與音頻信號(hào)進(jìn)行調(diào)制，產(chǎn)生脈動(dòng)電流。通過(guò)調(diào)整中頻信號(hào)和音頻信號(hào)的頻率和相位，可以產(chǎn)生多種脈動(dòng)電壓和頻率周期不斷變換的脈動(dòng)電流，從而提高治療效果。

4. 系統(tǒng)控制與管理：AT89C51SND1C作為系統(tǒng)的核心控制器，負(fù)責(zé)整個(gè)治療儀的系統(tǒng)控制與管理。它可以接收來(lái)自鍵盤(pán)的輸入信號(hào)，根據(jù)用戶的設(shè)置，控制治療時(shí)間、音量大小等參數(shù)，并通過(guò)顯示模塊顯示當(dāng)前的工作狀態(tài)。

三、系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

基于嵌入式器件AT89C51SND1C的電子治療儀系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)分為信號(hào)產(chǎn)生與控制模塊、調(diào)頻輸出模塊、電源模塊三部分。

1. 信號(hào)產(chǎn)生與控制模塊：由AT89C51SND1C單片機(jī)、海量存儲(chǔ)器、鍵盤(pán)、USB端口、液晶顯示、D/A轉(zhuǎn)換器、音頻放大等部分組成。該模塊負(fù)責(zé)產(chǎn)生音頻信號(hào)和中頻信號(hào)，并進(jìn)行調(diào)頻控制。同時(shí)，它還負(fù)責(zé)接收用戶的輸入信號(hào)，顯示當(dāng)前的工作狀態(tài)，并將MP3歌曲解碼為音頻數(shù)字信號(hào)。

2. 調(diào)頻輸出模塊：由調(diào)頻、放大、輸出劑量調(diào)整、輸出變壓器、電極片等部分組成。該模塊負(fù)責(zé)對(duì)音頻信號(hào)和中頻信號(hào)進(jìn)行調(diào)頻，并將調(diào)頻后的信號(hào)放大，通過(guò)輸出變壓器隔離輸出脈動(dòng)治療電壓。同時(shí)，它還可以根據(jù)用戶的設(shè)置，調(diào)整輸出劑量，以滿足不同治療部位和皮膚干濕度的需求。

3. 電源模塊：提供15V、5V、3.3V系統(tǒng)工作電壓。其中，15V電壓用于輸出劑量調(diào)節(jié)電路，5V電壓用于調(diào)頻、放大電路，3.3V電壓用于嵌入式器件AT89C51SND1C。電源模塊通過(guò)變壓、整流、穩(wěn)壓、濾波等步驟，將220V的交流電源轉(zhuǎn)換為系統(tǒng)所需的工作電壓。

3.2 信號(hào)產(chǎn)生與控制模塊

信號(hào)產(chǎn)生與控制模塊的核心是AT89C51SND1C單片機(jī)。為了實(shí)現(xiàn)MP3及U盤(pán)功能，AT89C51SND1C單片機(jī)需要外接一個(gè)NAND-Flash海量存儲(chǔ)器。本設(shè)計(jì)中選用16MB的K9F2808U0C作為海量存儲(chǔ)器，其數(shù)據(jù)線I/O0～I(xiàn)/O7接P0端口，控制線接P5端口。

MP3音頻解碼輸出信號(hào)通過(guò)AT89C51SND1C單片機(jī)的DOUT、DLCK、DSEL、SCLK引腳接D/A轉(zhuǎn)換器CS4330，經(jīng)過(guò)放大后，輸出到耳機(jī)或喇叭。液晶屏接單片機(jī)的P2端口，與鍵盤(pán)相配合以顯示當(dāng)前治療儀的工作狀態(tài)。

鍵盤(pán)上有4個(gè)按鍵，“音量/歌曲/定時(shí)”功能鍵接P1.0引腳，分別與P1.1引腳所接的“next”鍵和P1.2引腳所接的“previ-OHS”鍵相配合，實(shí)現(xiàn)音量調(diào)節(jié)、歌曲選定、治療定時(shí)等功能設(shè)定；而“啟動(dòng)/停止”鍵接P1.3引腳。

AT89C51SND1C單片機(jī)的P3.3引腳用于檢測(cè)當(dāng)前使用的是U盤(pán)還是MP3播放器。如將治療儀的USB引線接到電腦的USB端口，P3.3引腳則檢測(cè)到高電平，執(zhí)行U盤(pán)程序；否則，P3.3引腳檢測(cè)到低電平，則執(zhí)行MP3程序。

中頻信號(hào)F中頻和音頻信號(hào)F音頻分別接AT89C51SND1C單片機(jī)的P4.4、P4.5和DOUT引腳。

3.3 調(diào)頻輸出模塊

調(diào)頻輸出模塊由調(diào)頻、放大、輸出劑量調(diào)整、輸出變壓器、電極片等部分組成。音頻信號(hào)F音頻分別與中頻信號(hào)F中頻和中頻相調(diào)制，產(chǎn)生兩個(gè)相位相反的調(diào)制波形，再經(jīng)9013、8050、D880Y放大后送至變壓器的兩個(gè)輸入端。

變壓器中間抽頭電壓可通過(guò)毫安表所接的劑量調(diào)節(jié)電路進(jìn)行調(diào)整。47kΩ電位器即劑量調(diào)節(jié)電位器，向下調(diào)則毫安表指示的電流變小，反之變大。變壓器隔離輸出電壓變化與輸入電壓同步變化，輸出電壓經(jīng)電極片與人體接觸，在人體內(nèi)產(chǎn)生感知電流。

根據(jù)理療部位的不同以及皮膚的干濕程度不同，人體的感知電流也不一樣。理療時(shí)需要調(diào)整電位器，使理療者感覺(jué)舒適即可。

3.4 電源模塊

電源模塊提供15V、5V、3.3V系統(tǒng)工作電壓。其中，15V電壓用于輸出劑量調(diào)節(jié)電路，5V電壓用于調(diào)頻、放大電路，3.3V電壓用于嵌入式器件AT89C51SND1C。

電源模塊通過(guò)變壓、整流、穩(wěn)壓、濾波等步驟，將220V的交流電源轉(zhuǎn)換為系統(tǒng)所需的工作電壓。5V穩(wěn)壓采用78L05，3.3V穩(wěn)壓采用LDll17S33。當(dāng)使用U盤(pán)功能時(shí)，治療儀的USB端口插入電腦的USB接口，不接220V的交流電源，單片機(jī)工作電壓則由USB接口提供。

四、系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)包括鍵盤(pán)中斷服務(wù)程序、MP3音頻解碼系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)過(guò)程、MP3播放過(guò)程流程圖等部分。

1. 鍵盤(pán)中斷服務(wù)程序：用于接收用戶的輸入信號(hào)，并根據(jù)用戶的設(shè)置，控制治療時(shí)間、音量大小等參數(shù)。

2. MP3音頻解碼系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)過(guò)程：利用Flash存儲(chǔ)器技術(shù)、MP3音頻解碼技術(shù)，讀取MP3音頻文件，并將其解碼為音頻數(shù)字信號(hào)。

3. MP3播放過(guò)程流程圖：實(shí)現(xiàn)音頻數(shù)字信號(hào)的D/A轉(zhuǎn)換、放大、輸出等功能，同時(shí)實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互接口和U盤(pán)的讀寫(xiě)功能。

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)需要與硬件電路功能配合，確保整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。

五、結(jié)論

本文介紹了一種基于嵌入式器件AT89C51SND1C的電子治療儀設(shè)計(jì)方案。該方案利用AT89C51SND1C的MP3解碼器和USB控制器功能，將音樂(lè)信號(hào)引入治療儀，使音頻信號(hào)與中頻治療頻率進(jìn)行調(diào)制，產(chǎn)生多種脈動(dòng)電壓和頻率周期不斷變換的脈動(dòng)電流。通過(guò)調(diào)整輸出劑量和電位器，可以滿足不同治療部位和皮膚干濕度的需求。

該設(shè)計(jì)方案不僅提高了治療效果，還增加了治療的趣味性和舒適性。同時(shí)，AT89C51SND1C的強(qiáng)大功能也為系統(tǒng)的擴(kuò)展和升級(jí)提供了更多的可能性。未來(lái)，可以進(jìn)一步探索將更多先進(jìn)的嵌入式技術(shù)和算法應(yīng)用于電子治療儀中，以提高其治療效果和用戶體驗(yàn)。