针灸仪设计(控制电路).doc
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河南科技大学毕业设计（论文）
针灸仪设计（控制电路）
摘要
传统中医针灸疗法包括两部分：
针疗法和灸疗法。
简单的讲，针疗法就是通过毫针刺激人体的穴位，从而调节人体内源性调节系统，发挥治病防病的效果；灸疗法就是通过艾条（或者其它代替品）燃烧的热量作用于人体穴位、经络，从而调节人体内源性调节系统，发挥治病防病的效果。
传统中医针灸疗法中的针疗法与灸疗法既是相互独立的，又是互为补充的，《灵枢官能》说：
“针所不为，灸之所宜。
”正是体现了两者相辅相成的关系。
现代医学工作者根据前人积累下的丰富经验加以总结和研究，研制出了电针仪和灸疗仪[1-2]。
然而，单纯的电针仪和灸疗仪功能单一，不适用于传统针灸疗法所涵盖的各种病症，从而限制了其在临床上的广泛应用，因此，发展一种既可以进行针刺激又可进行灸疗的多功能针灸治疗仪成为迫切的临床需求。
本文利用电子和微处理器技术，以时基集成电路555为主要器件，设计了连续波脉冲、断续波脉冲、幅度调制脉冲和频率调制脉冲等多种针灸刺激波形发生电路，实现了多路输出，独立调节和控制，并给出设计原理框图和相应的参考电路；以8051单片机为核心设计了单片机控制系统，包括外部数据存储器、键盘单元和显示单元三部分。
关键词：
针灸，电针，灸疗，脉冲电路，单片机
THEDESIGNOFCHINESE
ACUPUNCTURE&MOXIBUSTIONINSTRUMENT
ABSTRACT
TraditionalChinesemedicineneedletherapyincludetwoparts:
acupunctureandmoxibustion.Simplyspeaking,acupuncturetherapyisthat,throughstimulatingtheacupuncturepointswithamilli-needletoregulateendogenousregulationsystemofthehumanbodyinordertodefendingadiseaseandcuringillness.Moxibustiontherapyisthroughapplyingquantityofheatthatcomefromwormwood（orothersubstitutes）burningtotheacupuncturepointsofhumanbody,veinsandarteries,regulateendogenousregulationsystemofthehumanbody,playthetreatmentandpreventioneffects.Acupunctureandmoxibustionnotonlyisindependentmutually,alsoiscomplementary,justasLingjiuguannengrecorded:
acupunctureisnot,moxibustionitproper.Itshowstherelationshipofsupplementeachother.Modernmedicineandresearchworkerssummedupandresearchaccordingtopredecessorsaccumulatedrichexperience,developtheelectro-acupunctureinstrumentandmoxibustioninstrument.However,thefunctionofelectro-acupunctureinstrumentandmoxibustioninstrumentissosinglethattheydon’tapplytothediseasewhichthetraditionalneedletherapycovered,therebylimittheirextensiveapplicationintheclinic,sodevelopingakindofMultifunctionalAcupuncture&moxibustioninstrumentwhichnotonlycancarryonAcupuncturebutalsocanmoxibustionbecomeanurgentclinicaldemand.
Inthispaper,weintroduceamultipleelectro-stimulativepulsegeneratorbasedonIC555,whichcanproducecontinuous,discontinuous,amplitudemodulatedandfrequencymodulatedmodes,andthusmultiple-output,independentadjustment&controlarerealized.Theprincipleblockdiagramandareferencecircuitarepresentedtoo.WedesignSCMControlSystemused8051asitscore,whichconsistofexternaldatamemory,keyboardunitanddisplayunit.
KEYWORDS:
acupuncture,electric-acupuncture,moxibustion,
electro-acupuncturepulsecircuit,single-chip
目录
前言 1
第一章方案的选择 4
§1.1仪器结构 4
§1.1.1仪器整体结构框图 4
§1.1.2治疗电路结构框图 4
§1.2设计参数及主要性能 5
§1.2.1基本波形要求 5
§1.2.2脉冲序列模式 5
第二章治疗单元设计 7
§2.1治疗电路的原理框图 7
§2.2555时基电路的选择 7
§2.2.1LM555/LM555C系列简介 7
§2.2.2LM555/LM555C系列的特性 7
§2.2.3LM555/LM555C系列的封装及引脚 8
§2.2.4LM555/LM555C系列替换器件 8
§2.3连续脉冲发生电路 9
§2.4间断波发生电路 10
§2.4.1间断波调制电路 10
§2.4.2间断波发生电路 11
§2.5幅度调制脉冲发生电路 12
§2.5.1锯齿波发生电路 13
§2.5.2幅度调制脉冲发生电路 14
§2.6疏密波发生电路 14
§2.6.1脉冲宽度调制电路 15
第三章控制单元及软件设计 18
§3.1控制单元简介 18
§3.2单片机的选择 18
§3.2.18051单片机简介 18
§3.2.28051单片机管脚及功能 19
§3.3锁存器的选择 20
§3.3.1锁存器简介 20
§3.3.274LS373管脚及功能 21
§3.3.374LS373真值表 21
§3.4硬件电路图设计 22
§3.4.1硬件电路图 22
§3.4.2硬件电路的工作原理 22
§3.4.3程序流程图 23
§3.4.4软件编程 23
结论 24
参考文献 26
致谢 26
附录 28
28
前言
针灸疗法是中华医学中古老而璀璨的传统医学疗法。
在发达的当今社会，针灸疗法凭借其适应症广、疗效明显、操作方便、经济安全等优点，在世界范围内得以广泛传播，针灸文献也随之在世界各地迅速发展。
无论是在发达国家还是发展中国家都相继出现了许多与针灸相关的科研、治疗机构，并且越来越多的国家开始承认针灸的合法性。
目前针灸研究已遍布世界约32个国家，文献涉及期刊约200多种，涉及中文、英语、德语、俄语、乌克兰语、希伯来语、日语、荷兰语、法语、意大利语、以及西班牙语等20多个语种[3-5]。
这说明了作为中国传统医学重要组成部分的针灸学得到了世界上许多国家的认可，是中医药学走向世界的重要标志。
下面是针灸在世界上各地的发展及现状。
一、针灸在美国的发展及现状
针灸早在17世纪便由中国传入欧洲，再由欧洲传入美国。
最早在美国出版英文版本针灸专书的是名叫FBache的美国医师翻译由SMorant所著的《法文针灸书》，该书于1825年在费城出版（SMorant:
Memoironacupuncturation）。
次年即1826年FBache又在《北美内科与外科杂志》发表他本人用针灸治疗的病例报告（Bache:
NorthAmericanMedicalandSurgicalJournal,1:
311～321，1826），此后便陆续有一些有关针灸论文在美国发表。
经过一百余年后，1942年EABrav与HSigmond在美国《军医杂志》上报告针灸的疗效，特别强调针刺止痛的疗效（EABrav:
MilitarySurgeon,90:
545～549,1942）。
美国国立卫生研究院NIH于1972年7月成立了“针刺疗法特别委员会”，在马里兰州比塞大（英文地名）召开了第一次学术会议，会上有40余项有关针灸方面的初步研究成果进行交流。
现在针灸在美国的地位逐步改变和提高。
早在1987年全美国已有2500余名有执照的针灸师，从事针灸医疗工作的达万余人；1989年全美与针灸有关的人数增2万人，仅加州有执照针灸师已达8600人，诊所800多家；1996年9月第四届世界针灸大会在纽约召开，与会者为来自46个国家和地区的专家学者，1200余人聚首一堂进行学术交流；到2001年，全美持有中医针灸执照的医师更是达14000多人。
二、针灸在日本的发展及现状
钦明天皇十三年552年，中国梁朝的简文帝赠日本政府《针经》一部；永观二年984年，针博士丹波康赖（912～955年）集隋、唐医学之大成，著成日本现存最古的医学著作《医心方》三十卷，其中卷二全部为针灸内容。
《医心方》的成书，奠定了日本针灸医学的基础。
嘉元二年1304年，原性全以日文撰成《顿医抄》五十卷，嘉历元年1326年又用汉文撰成《万安方》六十二卷。
《顿医抄》为大型综合性医学全书，其中卷四十记载了灸治期间的禁食和宜食，卷四十二汇集了全身127个常用孔穴的取穴、主治等。
《万安方》共收载95个常用孔穴，主要论述孔穴的取穴及主治。
永禄十年1567年，曲直濑道三著《针灸集要》一书，集中、日两国针灸之大成。
此期还有曲直濑道三《秘灸》《指南针灸集》《启迪庵日用灸法》《仰伏同身寸法》以及樵青斋洞丹《烟萝子针灸法》等针灸专门著作问世。
庆长年间的针灸著作以吉田意休《刺针家鉴》《虫书》《经络考义》《大明针家琢周传》等著称。
目前，在互联网NCBI网站上，日本约有20多种杂志发表了有关针灸的论文，其中6种杂志发表的针灸论文数在5篇以上，最高达58篇。
三、针灸文献在欧洲的发展
针灸在欧洲传入较早、发展较快的国家是法国、英国和德国，尤其是法国和英国的针灸在欧洲处于领先地位。
14世纪时欧洲人通过马可波罗的记载首次了解针灸疗法；耶稣传教士PPHarviell于1681年最早在法国撰文介绍针灸；1735年传教士Duherder在巴黎刊印《中华帝国志》其中设有专卷介绍中医和针灸；1821年英国医生JohnChurchill发表针刺治疗风湿性关节炎的报告；1951年德国医生GerhartBachmann和HeribertSchmidt创办了德国针灸学会，第2年发行了德国针灸杂志。
目前在德国有许多针灸协会，主要是德国医生针灸协会（DAEGfA）、针灸和中医研究小组（FATCM）、SocietasMedicinaeSiinensis（SMS）、传统针灸和中医的工作集体，这些协会都有自己的网页，定期发表针灸文章，而且还有自己的杂志发行。
英国、法国、意大利、俄罗斯和荷兰等国家也都有自己的针灸杂志。
仅在互联网NCBI网站上，英国就有50多种杂志发表了有关针灸的论文，俄罗斯约有40多种杂志发表了有关针灸的论文，德国约有30多种杂志发表了有关针灸的论文，法国和意大利也都有20多种杂志发表了有关针灸的论文。
四、针灸器械的发展及现状
随着社会地发展，现代科技地运用，针灸器械的种类也日益繁多。
总的来说，针灸器械大至可分为以下几类：
针刺针类器械、电针类器械、电火针类、微波电针类、电兴奋类器械、电离子穴位类器械、穴位磁疗器械、激光照射类器械、电子穴位按摩类器械等[6]。
针灸器械的发展过程展示了人类科技发展的历程，其发展变化也促进了针灸学术理论及治疗方法的不断发展，开拓创新了针灸医学的研究和应用领域，对针灸学术理论的发展产生了积极的影响。
然而由于仪器本身的局限性，使得上述各种仪器很难在临床中有更广泛的应用，更不可能推广至成千上万的家庭，因此研制一种新型的、便携式的、集针疗仪和灸疗仪的功能于一体的多功能电子针灸治疗仪成为临床的迫切需要。
五、本次设计的目的及意义
本文所讲的电子针灸治疗仪与过往的针灸器械的不同之处在于电子针灸治疗仪是在针刺入穴位得气后，在针上通以接近人体生理电的微量电流，利用针和电两种刺激相结合来达到治疗疾病的目的。
电针疗法的优点是疗效高，效果好，利用单片机控制可以灵活的选择刺激波形，准确地控制和调整刺激量，以适应不同种类的疾病和不同体质的患者。
电针的临床治疗范围也相当广泛：
神经精神方面有头痛、三叉神经痛、偏头痛、面神经麻痹、截瘫、神经衰弱、癔病、精神分裂症、美尼尔氏症等[7]；呼吸系统方面有支气管炎、支气管哮喘、肺炎等；消化系统方面有慢性胃炎、胃、十二指肠溃疡、胃下垂、慢性肠炎等；循环系统方面有高血压、心动过速、休克、心脏神经官能症等；泌尿生殖系统方面有泌尿系统感染、前列腺炎、阳痿等；骨关节运动系统方面有风湿性关节炎、膝部软组织损伤、肩部软组织损伤、落枕等；还有慢性皮肤病、炎症性疾病等。
本次设计根据功能的不同可以分为两部分：
治疗电路和控制电路。
治疗电路要求以时基集成电路555为主要器件，设计多种针灸刺激波形的发生电路，其中脉冲输出电流最大不超过80mA、宽度为150μS－300μS，脉冲序列具备四种模式：
等间隔连续脉冲、断续波脉冲、疏密波脉冲、幅度调制脉冲。
控制电路要进行以单片机为核心的针灸仪控制系统硬件和软件设计并制作出硬件，要求完成单片机外部存储器、键盘电路、显示电路及相应软件设计，从而实现仪器对治疗电路输出刺激波形的控制和显示。
第一章方案的选择
§1.1仪器结构
§1.1.1仪器整体结构框图
针灸治疗仪由电针模式（波形发生单元）、单片机控制单元、显示单元和控制键盘等部分构成。
仪器结构框图如图1-1所示。
图1-1针灸治疗仪结构框图
电针模式实际上就是波形发生单元（即治疗电路部分），它包括四种脉冲模式：
等间隔连续脉冲发生模块、断续波发生模块、幅度调制脉冲发生模块和频率调制脉冲发生模块，每个模块都是独立输出，四模式之间相互不影响。
单片机控制单元主要是用于控制波形的选择控制，它包括显示单元和键盘控制单元。
§1.1.2治疗电路结构框图
一、电针机理及电针模式选择的依据
电针是在针刺腧穴得气后，在毫针柄上通以接近人体生物电的微量电流以防治疾病的一种疗法。
在针刺的基础上加以脉冲电的治疗作用，针与电两种刺激相结合，故对某些疾病能提高疗效，能方便的调节刺激参数代替手法运针，使患者针下出现相应的浚、麻、胀、重、冷、热的感觉，甚至沿着一定部位向一定方向扩散。
电针机理：
人体组织是由水分、无机盐和带电生物胶体组成的复杂的电解质导体，当一种频率不断变化的脉冲电流作用于人体时，组织中的离子会发生定向运动，清除细胞膜极化状态，使离子浓度和分布改变，这是脉冲电流治疗作用最基本的电生理基础[1]。
低频连续波脉冲通过毫针刺激腧穴，具有调整人体功能、止痛静神、促进血气循环、调整肌胀等作用。
断续波脉冲是有节律的时断时续自动出现，使机体不容易产生适应，其动力作用颇强。
能提高肌肉组织的兴奋性，对横纹肌有良好的刺激收缩作用。
幅度调制脉冲是脉冲按锯齿样自动起伏波形，其频率接近人体的呼吸规律，可用于对膈神经作人工电呼吸，抢救呼吸衰竭，并有提高神经肌肉兴奋性、调整经络功能、改善血气循环等功能。
频率调制脉冲是疏波和密波自动交替出现的波形，克服单一波形易产生适应的缺点，动力作用大，治疗的兴奋效应占优势，能促进新陈代谢、血气循环，改善组织营养，消除炎症水肿。
二、治疗电路结构框图
图1-2针灸仪治疗电路结构框图
§1.2设计参数及主要性能
§1.2.1基本波形要求
基本波形的输出电流幅度不超过80mA，通过手动微调旋扭连续可调；宽度应介于150μS-300μS之间。
§1.2.2脉冲序列模式
脉冲序列具备四种模式，如图1-3所示。
模式一为等间隔连续脉冲，见图1-3（a），脉冲频率60Hz；模式二为断续波脉冲，见图1-3（b），脉冲频率60Hz，重复周期3S[8]；模式三为幅度调制脉冲，见图1-3（c），脉冲频率60Hz，重复周期2S。
模式四为频率调制脉冲，见图1-3（d），脉冲频率90～20Hz，重复周期2S；前三种模式的电压要求为12V，模式四的电压为0～12V。
图1-3脉冲序列模式
（a）连续脉冲；（b）断续脉冲；
（c）幅度调制脉冲；（d）频率调制脉冲
第二章治疗单元设计
§2.1治疗电路的原理框图
治疗电路主要以555时基电路为基础，原理框图如图2-1所示。
该电路包括连续脉冲发生电路、模式控制电路、斜波发生电路、幅度调制电路和频率调制电路几部分。
受控部分经接口电路与单片机系统相连，方便进行模式控制、输出控制等多种操作。
图2-1治疗电路原理框图
§2.2555时基电路的选择
§2.2.1LM555/LM555C系列简介
LM555/LM555C系列是美国国家半导体公司生产的时基电路。
我国和世界各大集成电路生产商均有同类产品可供选用，是使用极为广泛的一种通用集成电路。
555时基电路有双极型和CMOS型两种。
LM555/LM555C系列属于双极型，其优点是输出功率大、负载能力强、使用灵活、适用范围宽，可用于精确定时、脉冲发生、连续定时、频率变换、脉冲宽度调制、脉冲相位调制等场所，因而被广泛用于各种电子产品中。
§2.2.2LM555/LM555C系列的特性
LM555/LM555C系列产品具有以下特性：
一、可直接替换SE555/NE555
二、定时时间从微秒级到小时级
三、可工作于无稳态和单稳态两种方式
四、可调整占空比
五、输出电压与TTL电平兼容
六、温度稳定性好于0.005%/℃
§2.2.3LM555/LM555C系列的封装及引脚
LM555/LM555C系列产品常用的封装形式有TO-5金属封装和DIP8双列直插封装两种，如下所示。
图2-2LM555/LM555C系列的封装
（a）TO-5金属封装;（b）DIP8双列直插封装
LM555/LM555C系列产品引脚功能如下表所示:
表2-1LM555/LM555C系列产品引脚描述
引脚编号
符号
功能说明
1
2
3
GND
地线
TR
触发
OUT
输出
4
RES
复位
5
CV
控制电压
6
TH
阈值
7
DIS
放电
8
VCC
电源
§2.2.4LM555/LM555C系列替换器件
以下各厂商的时基集成555电路均可直接替换同型号的LM555/LM555C系列产品。
表2-2LM555/LM555C系列替换器件
国家半导体
摩托罗拉
德州仪器
日电
飞利浦
日立
西格尼蒂克
LM555
MC1455
NE555
μPC1555
CA555
HA17555
SE555
§2.3连续脉冲发生电路
采用由555与其外围电路组成的占空比连续可调的脉冲振荡电路，如图2－3所示。
图2-3连续脉冲发生电路
图中二极管D1为充电引导管，二极管D2为放电引导管，充电回路为R1→D1→R3左（R3左半部分）→C，放电回路为C→R3右（R3右半部分）→D2→R2[9]。
充放电的时间可以由式（2－1）来确定：
（2－1）
理论上讲，只要R1、R2、R3的值设置的合适，调节电位器的大小就可以使占空比在0.01％～99.99%之间改变。
上图中通过调节R3可以改变输出脉冲的宽度和频率。
当各参数的设置如上图时，输出频率为60HZ、宽度约为200μS的矩形波，脉冲波形如下：
图2-4连续脉冲波形
§2.4间断波发生电路
由于555的输出受控于它的复位端（即第4脚），当复位端为高电平时，555有输出；当复位端为低电平时，输出被截至，即输出为0。
因此可以利用另外一片555的输出来控制连续脉冲发生电路的复位端得到所需的间断波。
现在需要做的就是用一片555来产生周期为3S的方波，称为间断波调制电路。
§2.4.1间断波调制电路
间断波调制电路实际上就是周期为3S的方波产生电路，本次设计采用无稳类电路（即多谐振荡电路）中的直接反馈型电路来实现此功能。
图2-5间断波调制电路
该电路的特点是RA直接反馈至输出端，与Vo相连，其用途之一就是方波的输出，输出方波的周期可以由式（2－2）来确定[10]：
（2－2）
由此式得出各参数的大小如上图所示。
值得注意的是，图中各参数是将计算得出的理论值进行微调的结果，这样做是因为由于仿真软件本身的误差使得由理论值仿真出的波形与实际期望的波形之间存在一定的误差，因此，需要通过调整各参数将误差降为最小。
调整后的输出波形如下：
图2-6间断波调制波形
§2.4.2间断波发生电路
将间断波调制电路的输出接至连续脉冲发生电路的复位端即可构成间断波发生电路。
效果图如图2－6所示：
图2-7间断波发生电路
产生的波形如下：
图2-8间断波脉冲
上图中出现的波形重叠现象是由于示波器的[Timebase]栏中的[Scale]项设置过大造成的，将数值变小即可消除此现象，在这里为了在一个屏幕中显示出一个周期的波形不得不将数值设置的较大。
§2.5幅度调制脉冲发生电路
幅度调制脉冲电路可以由周期为2S的锯齿波电路和连续脉冲发生电路相乘得到。
§2.5.1锯齿波发生电路
如下图所示，555接成无稳态多谐振荡状态。
为了产生从0开始的干充电锯齿波，增加了级联放大器Q2、Q3，Q2的基极接555的输出端3脚，Q3与C2并接至控制端5脚，使得当3脚呈高电平时，Q2导通，Q3截至止，5脚得控制电压仍为集成片内的标准基准电压2/3VCC，而当3脚呈低电平时，Q2截止，Q3饱和导通，5脚的电位几乎被箝至0V，因而C1放电也放至0V左右，555才置位，3脚转呈高电平，C1的充电也几乎从0开始。
Q1为场效应管，它与RW、C1组成恒流源充电电路，使充电线性好。
Q4、Q5接成复合射极跟随器，用于进行阻抗变换和提高负载能力。
调节RW可以改变锯齿波的周期，调整R3至合适值可以使充电从
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