基于單片機和拉式負荷傳感器實現腰椎牽引儀系統的設計

1 引言

醫學上針對腰椎間盤突出癥等腰脊椎病，通常采取物理牽引的保守治療方法。便攜可調式牽引器，患者可以自我操作．簡單易用，適合中小醫院更適合家庭長期白助康復?，F有國內生產的便攜可調式牽引器有手動支架牽引和機械牽引，這砦牽引器用人工控制和監視．操作費力、無法持續較長時間．不直觀．調節困難，牽引器產生的牽引力難以精確保持，沒有自動監測裝置，給病人和醫務人員帶來許多不便．這就需要借助機電理療自動化系統。為此本文設計了一種新型的腰椎牽引器．它是以AT89C5l單片機為微處理器，配合其它輔助電路并由直流電機實施牽引。從而實現腰脊椎病的物理治療。它的單片機控制系統可以保證牽引治療動作的精確量化，牽引治療所需的牽引力、牽引時間可調整?？删_控制，實時顯示，整個牽引過程自動完成。

2 腰椎牽引儀的硬件實現

儀器完成的主要任務是：鍵盤按鍵檢測、操作設置信息和運行狀態的顯示、拉力信號的檢測及控制、牽引電機的繼電器控制與驅動等。牽引力監測與控制是本系統的主要研究目標，也是本系統穩定性和可靠性的根本保證。根據本系統的要求．采用了AT89C51單片機作為主控芯片．采用拉式負荷傳感器用于檢測牽引力值。

2．1硬件總體設計

圖1為腰椎牽引儀系統硬件組成．系統以AT89C51作為主控MCU，主要包括牽引力采集檢測單元電路、牽引電機調節控制電路、鍵盤控制與LED顯示單元電路、系統電源電路、報警電路以及牽引裝置。拉力傳感器輸出的模擬信號經過信號調理電路處理，送入AID轉換器轉換成數字量再送入AT89C51。單片機根據使用者所設定的牽引力、牽引時間進行判斷，產生驅動牽引電機所需要的脈沖信號，調節控制電機及牽引裝置。從而使該儀器工作時處于牽引運行辛引保持和牽引放松三種狀態。并實現對牽引力及牽引時間的監測顯示。

圖1牽引器硬件電路系統總體框圖

2．2部分硬件電路原理

腰椎牽引器采用AT89C51單片機作為系統控制單元，利用其控制能力實現對牽引力進行實時檢測并通過LED數碼顯示單元實現牽引力度監視，并實現對電機的驅動控制。有關單片機系統的常規單元電路如：鍵盤設計、外存儲器擴展、模數轉換接口電路的設計與實現在眾多的實例開發資料中都有詳細介紹，在此不作介紹。本文旨在利用單片機實現腰椎牽引器這一應用新案例的開發思想。以下主要分析外圍測餐與電機控制接口電路的設計與實現。

2．2．1牽引力采集檢測原理

牽引力采集檢測以拉式負荷傳感器為檢測傳感器，通過放大、AID轉換器轉換送單片機進行計數得到牽引力值。牽引器將傳感器上所受到的拉力轉換為與之成正比的電壓值，傳感器的應變電阻元件如圖2所示．4片應變片初始阻值大小相等，采用差動布片和全橋接線。因為傳感器在受到力的作用時，應變電阻Rl和R2阻值的變化方向一樣，R3和R4阻值的變化方向一樣．通過采用差動布片和全橋接線?？梢跃_地輸出傳感器所受力轉換的電壓值。傳感器的差壓輸出經過放大器OP07和TL062放大后，將輸出送入AID轉換器進行數據的采樣和處理。OP07是低漂移差動放大器。我們用其作為第一級放大?？梢跃_地對來自傳感器小至10μV的輸入進行放大，并很好的抑制共模信號的干擾；第二級放大我們采用雙通道運算放大器TL062，利用第一通道構成電壓跟隨器在此電路中起降低噪聲及緩沖的作用．所以OP07輸出的信號經過此電路等比例地平穩地進入第二通道。利用第二通道對OP07的輸出進行放大，并將第二通道的正端輸入按圖3接法．通過調節RW可以調節TL062的正端輸入，來設置輸出零點，使模擬部分的輸出信號在A/D轉換器的線性工作區范圍內。

圖2傳感器內部結構圖

圖3牽引力采集檢測電路

2．2．2牽引力控制原理

牽引力控制采用的控制機構由電機、牽引輪、棘輪繼電器等組成，是一個小型的電力拖動系統，圖4所示為電力拖動部分的機構圖。我們采用電機通過傳動方式拖動滾輪（稱為牽引輪）轉動，滾輪轉動帶動纏繞在其上的牽引帶從而產生牽引力．以達到對牽引對象牽引的目的。圖中．棘輪和牽引輪直接與電機主軸相連，通常。以電機作為動力進行拖動的電力拖動系統中．電機是通過某種自動控制方式來進行控制的，本裝置中，我們同樣采用單片機、繼電器控制方式實現對電機的控制。為使牽引力保持．控制系統采用棘輪繼電器來實現，即關斷棘輪繼電器．使得棘輪不能轉動，這時電機輸出的拉力處于保持狀態。當輸入設定的間歇牽引時間到時，接通棘輪繼電器，放松棘輪，棘輪自由轉動，牽引電機處于放松．牽引力處于撤消狀態。當輸入設定的間歇放松時間達到時．接通棘輪繼電器、啟動電機進入牽引運行狀態。電機、繼電器的控制電路如圖5所示，電機啟?？刂菩盘杹碜訮1．3引腳，繼電器通斷控制信號來自PI．6引腳。

圖4電力拖動部分機構圖

3 軟件設計

本軟件設計中，系統控制程序由主程序、中斷服務程序和其它子程序組成。在設計中采用模塊化程序設計技術，根據系統的功能，把整個程序按照各模塊完成的功能分為：主程序、中斷服務子程序、電機牽引運行子程序、功能設定子程序、顯示子程序、數據處理子模塊和牽引時問分析子程序等。系統的程序流程如圖6所示．以中斷的方式實現系統功能。

圖5電機、繼電器驅動電路

圖6腰椎牽引器系統的程序流程圖

主程序首先初始化，允許開放所有中斷．并打開定時器中斷。主程序隨時等待并響應中斷。在沒有中斷產生的情況下，運行檢測程序，以檢測系統是進人功能設定還是進入牽引電機運行處理狀態。當有定時器中斷產生時，程序跳轉到定時器中斷服務子程序。運行鍵盤掃描，數據采集，顯示以及牽引時間分析子程序。當中斷子程序運行完畢，返回主程序調用處。

3．1主程序設計

軟件主程序是系統的監控程序．主要完成初始化．控制程序的流向．調用子程序等功能。其流程圖見圖6所示。上電復位后，程序開始執行。首先是初始化的工作．包括：

·A／D采樣結果．BCD轉換結果．拉力設定值這些存放單元的初始值設置；

·lO秒發生器計數器，定時開計數器，定時關計數器?？偁恳龝r間計數器以及定時開預值，定時關預值，總牽引時間預值這些單元的初值沒置：

·中斷計數器值的設置，調整它可改變中斷響應時間：

·20H單元中的各個位00H～07H賦0．電機控制端口P1．3置1（指示電機關），17H置1（指示定時關狀態），0DH置l（設置等待燈亮）：

·定時器0中斷服務初始化：定時器工作方式以及其初值的設置

其次是檢測位地址00H，判斷電機是否開。如果有（00H=1）則執行電機牽引運行處理程序相應的功能。如果沒有（00H=0）Hq到下一步．檢測位地址01H，判斷鍵盤上的功能鍵是否按下．如果有（O1H=1）則執行程序參數設置處理相應的功能。如果沒有（01H=0）則返回到檢測電機是否開。主程序循環執行。

主程序的流程較為簡單，所需要的完成的功能都是由子程序實現。

4 結論

本文作者的創新點是設計了一種牽引力和牽引時間能精確控制且能實時顯示。牽引過程能自動完成，患者在治療過程中可以自行進行適當調節的腰椎牽引器。由于該系統硬件簡單、成本低、集成度高、穩定性好、調試方便以及抗干擾能力強，并且能實現牽引力的自動控制．因而具有一定的實用價值，但投入實用化仍需改進，為真正促進智能型腰椎牽引器的應用，需要采用新器件以實現電路更加緊湊．改進牽引器的機械結構設計、加強儀器的可靠性等方面采取一定的技術措施，同時增加對牽引力保持階段的牽引力檢測。當出現偏離設定的數值時，能控制牽引系統進行自動補償．這是值得探討的問題。

通過實驗測試系統檢測傳感器、控制執行機構、顯示、報警等各功能正常，性能達到預定設計要求。

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