基于单片机和拉式负荷传感器实现腰椎牵引仪系统的设计

1 引言

医学上针对腰椎间盘突出症等腰脊椎病，通常采取物理牵引的保守治疗方法。便携可调式牵引器，患者可以自我操作．简单易用，适合中小医院更适合家庭长期白助康复。现有国内生产的便携可调式牵引器有手动支架牵引和机械牵引，这砦牵引器用人工控制和监视．操作费力、无法持续较长时间．不直观．调节困难，牵引器产生的牵引力难以精确保持，没有自动监测装置，给病人和医务人员带来许多不便．这就需要借助机电理疗自动化系统。为此本文设计了一种新型的腰椎牵引器．它是以AT89C5l单片机为微处理器，配合其它辅助电路并由直流电机实施牵引。从而实现腰脊椎病的物理治疗。它的单片机控制系统可以保证牵引治疗动作的精确量化，牵引治疗所需的牵引力、牵引时间可调整。可精确控制，实时显示，整个牵引过程自动完成。

2 腰椎牵引仪的硬件实现

仪器完成的主要任务是：键盘按键检测、操作设置信息和运行状态的显示、拉力信号的检测及控制、牵引电机的继电器控制与驱动等。牵引力监测与控制是本系统的主要研究目标，也是本系统稳定性和可靠性的根本保证。根据本系统的要求．采用了AT89C51单片机作为主控芯片．采用拉式负荷传感器用于检测牵引力值。

2．1硬件总体设计

图1为腰椎牵引仪系统硬件组成．系统以AT89C51作为主控MCU，主要包括牵引力采集检测单元电路、牵引电机调节控制电路、键盘控制与LED显示单元电路、系统电源电路、报警电路以及牵引装置。拉力传感器输出的模拟信号经过信号调理电路处理，送入AID转换器转换成数字量再送入AT89C51。单片机根据使用者所设定的牵引力、牵引时间进行判断，产生驱动牵引电机所需要的脉冲信号，调节控制电机及牵引装置。从而使该仪器工作时处于牵引运行辛引保持和牵引放松三种状态。并实现对牵引力及牵引时间的监测显示。

图1牵引器硬件电路系统总体框图

2．2部分硬件电路原理

腰椎牵引器采用AT89C51单片机作为系统控制单元，利用其控制能力实现对牵引力进行实时检测并通过LED数码显示单元实现牵引力度监视，并实现对电机的驱动控制。有关单片机系统的常规单元电路如：键盘设计、外存储器扩展、模数转换接口电路的设计与实现在众多的实例开发资料中都有详细介绍，在此不作介绍。本文旨在利用单片机实现腰椎牵引器这一应用新案例的开发思想。以下主要分析外围测餐与电机控制接口电路的设计与实现。

2．2．1牵引力采集检测原理

牵引力采集检测以拉式负荷传感器为检测传感器，通过放大、AID转换器转换送单片机进行计数得到牵引力值。牵引器将传感器上所受到的拉力转换为与之成正比的电压值，传感器的应变电阻元件如图2所示．4片应变片初始阻值大小相等，采用差动布片和全桥接线。因为传感器在受到力的作用时，应变电阻Rl和R2阻值的变化方向一样，R3和R4阻值的变化方向一样．通过采用差动布片和全桥接线。可以精确地输出传感器所受力转换的电压值。传感器的差压输出经过放大器OP07和TL062放大后，将输出送入AID转换器进行数据的采样和处理。OP07是低漂移差动放大器。我们用其作为第一级放大。可以精确地对来自传感器小至10μV的输入进行放大，并很好的抑制共模信号的干扰；第二级放大我们采用双通道运算放大器TL062，利用第一通道构成电压跟随器在此电路中起降低噪声及缓冲的作用．所以OP07输出的信号经过此电路等比例地平稳地进入第二通道。利用第二通道对OP07的输出进行放大，并将第二通道的正端输入按图3接法．通过调节RW可以调节TL062的正端输入，来设置输出零点，使模拟部分的输出信号在A/D转换器的线性工作区范围内。

图2传感器内部结构图

图3牵引力采集检测电路

2．2．2牵引力控制原理

牵引力控制采用的控制机构由电机、牵引轮、棘轮继电器等组成，是一个小型的电力拖动系统，图4所示为电力拖动部分的机构图。我们采用电机通过传动方式拖动滚轮（称为牵引轮）转动，滚轮转动带动缠绕在其上的牵引带从而产生牵引力．以达到对牵引对象牵引的目的。图中．棘轮和牵引轮直接与电机主轴相连，通常。以电机作为动力进行拖动的电力拖动系统中．电机是通过某种自动控制方式来进行控制的，本装置中，我们同样采用单片机、继电器控制方式实现对电机的控制。为使牵引力保持．控制系统采用棘轮继电器来实现，即关断棘轮继电器．使得棘轮不能转动，这时电机输出的拉力处于保持状态。当输入设定的间歇牵引时间到时，接通棘轮继电器，放松棘轮，棘轮自由转动，牵引电机处于放松．牵引力处于撤消状态。当输入设定的间歇放松时间达到时．接通棘轮继电器、启动电机进入牵引运行状态。电机、继电器的控制电路如图5所示，电机启停控制信号来自P1．3引脚，继电器通断控制信号来自PI．6引脚。

图4电力拖动部分机构图

3 软件设计

本软件设计中，系统控制程序由主程序、中断服务程序和其它子程序组成。在设计中采用模块化程序设计技术，根据系统的功能，把整个程序按照各模块完成的功能分为：主程序、中断服务子程序、电机牵引运行子程序、功能设定子程序、显示子程序、数据处理子模块和牵引时问分析子程序等。系统的程序流程如图6所示．以中断的方式实现系统功能。

图5电机、继电器驱动电路

图6腰椎牵引器系统的程序流程图

主程序首先初始化，允许开放所有中断．并打开定时器中断。主程序随时等待并响应中断。在没有中断产生的情况下，运行检测程序，以检测系统是进人功能设定还是进入牵引电机运行处理状态。当有定时器中断产生时，程序跳转到定时器中断服务子程序。运行键盘扫描，数据采集，显示以及牵引时间分析子程序。当中断子程序运行完毕，返回主程序调用处。

3．1主程序设计

软件主程序是系统的监控程序．主要完成初始化．控制程序的流向．调用子程序等功能。其流程图见图6所示。上电复位后，程序开始执行。首先是初始化的工作．包括：

·A／D采样结果．BCD转换结果．拉力设定值这些存放单元的初始值设置；

·lO秒发生器计数器，定时开计数器，定时关计数器。总牵引时间计数器以及定时开预值，定时关预值，总牵引时间预值这些单元的初值没置：

·中断计数器值的设置，调整它可改变中断响应时间：

·20H单元中的各个位00H～07H赋0．电机控制端口P1．3置1（指示电机关），17H置1（指示定时关状态），0DH置l（设置等待灯亮）：

·定时器0中断服务初始化：定时器工作方式以及其初值的设置

其次是检测位地址00H，判断电机是否开。如果有（00H=1）则执行电机牵引运行处理程序相应的功能。如果没有（00H=0）Hq到下一步．检测位地址01H，判断键盘上的功能键是否按下．如果有（O1H=1）则执行程序参数设置处理相应的功能。如果没有（01H=0）则返回到检测电机是否开。主程序循环执行。

主程序的流程较为简单，所需要的完成的功能都是由子程序实现。

4 结论

本文作者的创新点是设计了一种牵引力和牵引时间能精确控制且能实时显示。牵引过程能自动完成，患者在治疗过程中可以自行进行适当调节的腰椎牵引器。由于该系统硬件简单、成本低、集成度高、稳定性好、调试方便以及抗干扰能力强，并且能实现牵引力的自动控制．因而具有一定的实用价值，但投入实用化仍需改进，为真正促进智能型腰椎牵引器的应用，需要采用新器件以实现电路更加紧凑．改进牵引器的机械结构设计、加强仪器的可靠性等方面采取一定的技术措施，同时增加对牵引力保持阶段的牵引力检测。当出现偏离设定的数值时，能控制牵引系统进行自动补偿．这是值得探讨的问题。

通过实验测试系统检测传感器、控制执行机构、显示、报警等各功能正常，性能达到预定设计要求。

责任编辑：gt