本科毕业论文---the-design-of-digital-control-acupuncture-instrument英语.doc

河南科技大学毕业设计(论文)数控针灸仪设计摘 要“针灸”是中华民族传统医学的优良成果之一。它是药物内服或注射以外的一种既可以治病，又可以保健的济世良法。针灸的主要作用就是疏通经络达到治疗的目的。电子模拟针灸，就是利用电子技术模拟针灸的进针、出针、停针和捻针的全过程。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AT89C51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THE DESIGN OF DIGITAL CONTROL ACUPUNCTURE INSTRUMENT ABSTRACTAcupuncture is one of the excellent achievements of the Chinese nation traditional medicine. It is one of the internal and outside or injection drug can cure, can care provides relief law. Acupuncture is the main function of regulating channels to achieve the purpose of treatment. Electronic simulation of acupuncture, acupuncture is using electronic technology simulation into the needle, and twist the whole process of needle.However, the function of electro-acupuncture instrument and moxibustion instrument is so single that they dont apply to the disease which the traditional needle therapy covered, thereby limit their extensive application in the clinic, so developing a kind of Multifunctional Acupuncture & moxibustion instrument which not only can carry on Acupuncture but also can moxibustion become an urgent clinical demand.In this paper, we introduce a multiple electro-stimulative pulse generator based on IC555, which can produce continuous, discontinuous, amplitude modulated and frequency modulated modes, and thus multiple -output, independent adjustment & control are realized. The principle block diagram and a reference circuit are presented too. We design SCM Control System used 8051 as its core, which consist of external data memory, keyboard unit and display unit.KEY WORDS: acupuncture, electric-acupuncture, moxibustion, electro-acupuncture pulse circuit, single-chip目 录前 言1第一章 软件介绍51.1 Proteus简介51.2 Keil简介7第二章 方案的选择92.1 仪器结构92.1.1 仪器整体结构框图92.1.2 治疗电路结构框图92.2 设计参数及主要性能102.2.1 基本波形要求102.2.2 脉冲序列模式10第三章 治疗单元设计123.1 治疗电路的原理框图123.2 555时基电路的选择123.2.1 LM555/LM555C系列简介123.2.2 LM555/LM555C系列的特性123.2.3 LM555/LM555C系列的封装及引脚133.2.4 LM555/LM555C系列替换器件133.3 连续脉冲发生电路143.4 间断波调制发生电路153.5 幅度调制脉冲发生电路173.5.1锯齿波发生电路173.5.2 幅度调制脉冲发生电路183.6脉冲宽度调制电路203.7 波形输出电路23第四章 控制单元及软件设计254.1 控制单元简介254.2 单片机的选择254.2.1 AT89C51单片机简介254.2.2 AT89C51单片机管脚及功能264.2.3 软件编程28结 论33参考文献34致 谢35附 录36IV 前 言针灸疗法（Acupuncture），即利用针刺与艾灸进行治疗，起源于新石器时代。根据中国传统医学，健康的身体取决于一种极其重要的能量循环，这就是身体中的“气”。这种能量存在于全身的脉络中（十二经），穴位便坐落在这些脉络之上。当一个器官过渡活跃或是机能减退的时候，能量的循环则变得不正常。经脉当中产生了一个堵塞的地方，必须将之打通。所以通过针刺则可以治疗病患，使脉络的循环恢复正常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F Bache的美国医师翻译由S Morant所著的法文针灸书，该书于1825年在费城出版（S Morant: Me moir on acupuncturation）。次年即1826年F Bache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: North American Medical and Surgical Journal,1:311321，1826），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EA Brav与H Sigmond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（EA Brav: Military Surgeon,90:545549,1942）。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（912955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PP Harviell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John Churchill发表针刺治疗风湿性关节炎的报告；1951年德国医生Gerhart Bachmann和Heribert Schmidt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）、Societas Medicinae Siinensis（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中医经络理论阐述：经络者，人之元气，伏于气血之中。周身流行，昼夜无间。又云：经络能够通行气血，沟通上下内外，联络脏腑形体官窍，感应传导信息，协调阴阳，阻止外邪入侵。因此，利用经络的这些特性，用针灸、减肥及低频脉冲等物理方法刺激腧穴，达到调理经络气血及脏腑功能，是一种既可纠正异常的功能状态，又不会干扰正常的生理机能的治疗方式。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。现代医学证明，经络是一条具有传感和低电阻的传导体，在传统的针刺疗法中，每捻转或拉扦一次，其实质就是产生一个物理的电脉冲。在人体生命的机体里，时刻都在发生某种特殊的电流，这些微弱的电流从心脏、脑、肌肉、神经等部位发出，对身体的正常运行起着不可缺少的作用，这些微弱的电流就是人们所说的“生物电”。从中医经络学角度解析，当身体的某些器官或部位出现异常时，其正常的生物电也就出现异常，从而引起人体各种不适或疼痛，而外部的电刺激脉冲可以转化为生物电而影响组织器官。综合国外针灸治疗疗效较好的病症包括:卡他性鼻炎(花粉过敏)等过敏性疾病,忧郁症、失眠等精神心理疾病,偏头痛、面瘫、面肌痉挛、多发性神经炎、椎间盘综合征、震颤麻痹、癫痫、瘫痪等神经科疾病,各种痛证,月经失调、痛经、不孕症、更年期综合征等妇科疾病,遗精、阳萎等男性性功能障碍,腹痛、腹泻、眩晕、感冒、咳嗽、哮喘、耳鸣、耳聋、咽喉肿痛、呃逆、风湿性关节炎、类风湿关节炎、甲状腺机能减退等内科疾病,白癜风、牛皮癣、湿疹、带状疱疹等皮肤科疾病,颈肩腰腿痛等骨伤科疾病,老年性白内障、视神经炎、视神经萎缩、眼疲劳、屈光不正等眼科疾病,以及针灸戒烟、戒毒、减肥、美容等。荷兰针灸学会会长安特烈哥伦特认为:针灸对各种疼痛、心理疾病疗效较西医更理想,对脑血栓引起的中风偏瘫这类病症,治愈率25%,总有效率达75%11。但是,由于经过严格的临床试验报道太少,对针灸治疗疾病范围的认定远远小于临床实际应用的情况。因为这需要大量的资金,现在不少国家如美国、德国已开始重视这方面的研究。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150S300S，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 软件介绍1.1 Proteus简介Protues等同于Proteus,官网的拼法是proteus，Protues软件是英国Labcenter electronics公司出版的EDA工具软件。它不仅具有其它EDA工具软件的仿真功能，还能仿真单片机及外围器件。它是目前最好的仿真单片机及外围器件的工具。虽然目前国内推广刚起步，但已受到单片机爱好者、从事单片机教学的教师、致力于单片机开发应用的科技工作者的青睐。Proteus是世界上著名的EDA工具(仿真软件)，从原理图布图、代码调试到单片机与外围电路协同仿真，一键切换到PCB设计，真正实现了从概念到产品的完整设计。是目前世界上唯一将电路仿真软件、PCB设计软件和虚拟模型仿真软件三合一的设计平台，其处理器模型支持8051、HC11、PIC10/12/16/18/24/30/DsPIC33、AVR、ARM、8086和MSP430等，2010年即将增加Cortex和DSP系列处理器，并持续增加其他系列处理器模型。在编译方面，它也支持IAR、keil和MPLAB等多种编译。Protues软件具有其它EDA工具软件（例：multisim）的功能。这些功能是：1、原理布图2、PCB自动或人工布线3、SPICE电路仿真革命性的特点：1、互动的电路仿真。用户甚至可以实时采用诸如RAM，ROM，键盘，马达，LED，LCD，AD/DA，部分SPI器件，部分IIC器件。2、仿真处理器及其外围电路。可以仿真51系列、AVR、PIC、ARM、等常用主流单片机。还可以直接在基于原理图的虚拟原型上编程，再配合显示及输出，能看到运行后输入输出的效果。配合系统配置的虚拟逻辑分析仪、示波器等，Protues建立了完备的电子设计开发环境。智能原理图设计（ISIS）丰富的器件库：超过27000种元器件，可方便地创建新元件；智能的器 件搜索：通过模糊搜索可以快速定位所需要的器件；智能化的连线功能：自动连线功能使连接导线简单快捷，大大缩短绘图时间；支持总线结构：使用总线器件和总线布线使电路设计简明清晰；可输出高质量图纸：通过个性化设置，可以生成印刷质量的BMP图纸，可以方便地供WORD、POWERPOINT等多种文档使用。完善的电路仿真功能（Prospice）ProSPICE混合仿真：基于工业标准SPICE3F5，实现数字/模拟电路的混合仿真；超过27000个仿真器件：可以通过内部原型或使用厂家的SPICE文件自行设计仿真器件，Labcenter也在不断地发布新的仿真器件，还可导入第三方发布的仿真器件； 多样的激励源：包括直流、正弦、脉冲、分段线性脉冲、音频（使用wav文件）、指数信号、单频FM、数字时钟和码流，还支持文件形式的信号输入； 丰富的虚拟仪器：13种虚拟仪器，面板操作逼真，如示波器、逻辑分析仪、信号发生器、直流电压/电流表、交流电压/电流表、数字图案发生器、频率计/计数器、逻辑探头、虚拟终端、SPI调试器、I2C调试器等； 生动的仿真显示：用色点显示引脚的数字电平，导线以不同颜色表示其对地电压大小，结合动态器件（如电机、显示器件、按钮）的使用可以使仿真更加直观、生动； 高级图形仿真功能（ASF）：基于图标的分析可以精确分析电路的多项指标，包括工作点、瞬态特性、频率特性、传输特性、噪声、失真、傅立叶频谱分析等，还可以进行一致性分析。独特的单片机协同仿真功能（VSM）支持主流的CPU类型：如ARM7、8051/52、AVR、PIC10/12、PIC16、PIC18、PIC24、dsPIC33、HC11、BasicStamp、8086、MSP430等，CPU类型随着版本升级还在继续增加，如即将支持CORTEX、DSP处理器；支持通用外设模型：如字符LCD模块、图形LCD模块、LED点阵、LED七段显示模块、键盘/按键、直流/步进/伺服电机、RS232虚拟终端、电子温度计等等，其COMPIM（COM口物理接口模型）还可以使仿真电路通过PC机串口和外部电路实现双向异步串行通信； 实时仿真：支持UART/USART/EUSARTs仿真、中断仿真、SPI/I2C仿真、MSSP仿真、PSP仿真、RTC仿真、ADC仿真、CCP/ECCP仿真。编译及调试：支持单片机汇编语言的编辑/编译/源码级仿真，内带8051、AVR、PIC的汇编编译器，也可以与第三方集成编译环境（如IAR、Keil和Hitech）结合，进行高级语言的源码级仿真和调试。1.2 Keil简介Keil C51是美国Keil Software公司出品的51系列兼容单片机C语言软件开发系统，与汇编相比，C语言在功能上、结构性、可读性、可维护性上有明显的优势，因而易学易用。Keil提供了包括C编译器、宏汇编、连接器、库管理和一个功能强大的仿真调试器等在内的完整开发方案，通过一个集成开发环境（uVision）将这些部分组合在一起。运行Keil软件需要WIN98、NT、WIN2000、WINXP等操作系统。如果你使用C语言编程，那么Keil几乎就是你的不二之选，即使不使用C语言而仅用汇编语言编程，其方便易用的集成环境、强大的软件仿真调试工具也会令你事半功倍。Keil优点：1、Keil C51生成的目标代码效率非常之高，多数语句生成的汇编代码很紧凑，容易理解。在开发大型软件时更能体现高级语言的优势。2、与汇编相比，C语言在功能上、结构性、可读性、可维护性上有明显的优势，因而易学易用。用过汇编语言后再使用C来开发，体会更加深刻。Keil C51软件提供丰富的库函数和功能强大的集成开发调试工具，全Windows界面。另外重要的一点，只要看一下编译后生成的汇编代码，就能体会到Keil 的优势。下面详细介绍Keil C51开发系统各部分功能和使用。Keil C51单片机软件开发系统的整体结C51工具包的整体结构，uVision与Ishell分别是C51 for Windows和for Dos的集成开发环境(IDE），可以完成编辑、编译、连接、调试、仿真等整个开发流程。开发人员可用IDE本身或其它编辑器编辑C或汇编源文件。然后分别由C51及C51编译器编译生成目标文件（.OBJ）。目标文件可由LIB51创建生成库文件，也可以与库文件一起经L51连接定位生成绝对目标文件(.ABS）。ABS文件由OH51转换成标准的Hex文件，以供调试器dScope51或tScope51使用进行源代码级调试，也可由仿真器使用直接对目标板进行调试，也可以直接写入程序存贮器如EPROM中。第二章 方案的选择2.1 仪器结构2.1.1 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2-1所示。图2-1 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。2.1.2 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2-2 针灸仪治疗电路结构框图2.2 设计参数及主要性能2.2.1 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150S-300S之间。2.2.2 脉冲序列模式脉冲序列具备四种模式，如图2-3所示。模式一为等间隔连续脉冲，见图2-3(a)，脉冲频率60Hz；模式二为断续波脉冲，见图2-3(b)，脉冲频率60Hz，重复周期3S8；模式三为幅度调制脉冲，见图2-3(c)，脉冲频率60Hz，重复周期2S。模式四为频率调制脉冲，见图2-3(d)，脉冲频率9020Hz，重复周期2S；前三种模式的电压要求为12V，模式四的电压为012V。图2-3 脉冲序列模式（a）连续脉冲；（b）断续脉冲；（c）幅度调制脉冲；（d）频率调制脉冲第三章 治疗单元设计3.1 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3-1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3-1 治疗电路原理框图3.2 555时基电路的选择3.2.1 LM555/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。3.2.2 LM555/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%/3.2.3 LM555/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3-2 LM555/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3-1 LM555/LM555C系列产品引脚描述引脚编号符号功能说明123GND地线TR触发OUT输出4RES复位5CV控制电压6TH阈值7DIS放电8VCC电源3.2.4 LM555/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3-2 LM555/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LM555MC1455NE555PC1555CA555HA17555SE5553.3 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3-3所示。图3-3 连续脉冲发生电路图中间断调制波发生电路通过一个或门以及一个单刀双制开关与脉冲发生电路相连接。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R21R3(上半部分)D1C，放电回路为CD2RV4R3（下半部分）。充放电的时间可以由式（31）来确定：T充=ln2（R21+R3上）C9T放=ln2（RV4+R3下）C9 （3-1）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0.0199.99%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200S的矩形波，脉冲波形如下：图3-4 连续脉冲波形3.4 间断波调制发生电路由于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。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3-5 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（3-2）来确定10：T充=T放=2RV5.C8 （3-2）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3-6 间断波调制波形3.5 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。3.5.1锯齿波发生电路如下图所示，555接成无稳态多谐振荡状态。此电路为一个周期为2秒的5V锯齿波。图3-7 锯齿波发生电路产生锯齿波波形如下：图3-8 周期为2S的锯齿波3.5.2 幅度调制脉冲发生电路将锯齿波发生电路的输出与连续脉冲发生电路的输出通过一个电子开关来调节三角波的通断输出后便可得到需要的波形。电路如下所示：图3-9 幅度调制脉冲发生电路为了使输出脉冲的幅度满足+5V的要求，这里采用+5V的VCC。输出波形见下页。图3-10 幅度调制脉冲3.6 疏密波发生电路疏密波发生电路由锯齿波发生电路、压控振荡电路和单稳态触发电路构成。其中锯齿波发生电路和压控振荡电路组成一个脉冲宽度调制电路，然后将脉冲宽度调制电路的输出端接至单稳态触发电路的输入端，调整单稳态出发电路的电容电阻值得到需要的波形即可。3.6.1 脉冲宽度调制电路一、压控振荡电路一般的振荡器若要改变振荡频率必须改变选频网络的参数值。在这里使用的由555定时器构成的振荡器，只要改变加在输入端（5脚）的控制电压就可改变振荡电路的输出频率。这样的振荡器就我们电压控制振荡器，简称压控振荡器。压控振荡电路的原理图如下页图3-11所示。图3-11 压控振荡原理图输出波形的振荡周期可用如下公式计算：二、脉冲宽度调制电路选定VCC的值，根据对疏密波的要求算出输入电压Ui的范围，然后由锯齿波发生器产生符合要求的锯齿波（锯齿波原理图见图3-7所示），将锯齿波发生电路的输出接至压控振荡电路的输入端即可构成脉冲宽度调制电路。原理图如下：图3-12 脉冲宽度调制电路上图中，由于锯齿波发生电路的输出达不到要求，故而在其后接了一级同相比例运算电路14。三、单稳态触发电路单稳态出发电路是由555定时器组成的电路中最简单的一种，它是以555的2脚作为脉冲输入端，6、7脚接一起，在其与电源之间接电阻、与地之间接电容，5脚经滤波电容接地10。具体原理图如下所示：图3-13 单稳态触发电路图3-14 单稳态触发电路波形图输出的脉冲宽度TW等于暂稳态的持续时间，而暂稳态的持续时间取决于外接电阻R1和C1的大小。DC电压为Ui，输出电压为Uo。由图3-14可知，TW等于电容电压在充电过程中从0上升到2/3VCC所需要的时间，因此可得：通常，R1的取值在几百欧姆到几兆欧姆之间，电容的取值范围在几百皮法到几百微法，TW的范围为几微秒到几分钟。但是必须注意，随着TW的宽度的增加它的精度和稳定度也在下降。根据对脉冲宽度的要求设置合适的参数，并将脉冲宽度调制电路的输出接至单稳态触发电路的输入端便可实现疏密波的输出。此电路的设置参数如下：重复周期为2S，频率：20HZ-90HZ，脉宽：150US-300US。3.7 波形输出电路一放大电路：运用两个放大器对电路进行放大，具体电路图如下：图3-15 放大电路二耦合电路：电容耦合输出，实现电荷平衡，电路图如下：图3-16 耦合电路第四章 控制单元及软件设计4.1 控制单元简介单片机控制单元主要用于脉冲模式的选择与控制。就该单元由三部分组成：外部存储器扩展单元、外部键盘扩展单元以及外部显示器扩展单元。本项目中由于所需存储数据量较小，因此不再进行外存储器的扩展。4.2 单片机的选择4.2.1 AT89C51单片机简介AT89C51是一种带4K字节闪烁可编程可擦除只读存储器（FPEROMFalshProgrammableandErasableReadOnlyMemory）的低电压，高性能CMOS8位微处理器，俗称单片机。AT89C51是一种带2K字节闪烁可编程可擦除只读存储器的单片机。单片机的可擦除只读存储器可以反复擦除100次。该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。由于将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中，ATMEL的AT89C51是一种高效微控制器，AT89C2051是它的一种精简版本。AT89C单片机为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。4.2.2 AT89C51单片机管脚及功能图4-1 AT89C51单片机AT89C51管脚说明：VCC：供电电压。GND：接地。P0口：P0口为一个8位漏级开路双向I/O口，每脚可吸收8TTL门电流。当P1口的管脚第一次写1时，被定义为高阻输入。P0能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据/地址的第八位。在FIASH编程时，P0口作为原码输入口，当FIASH进行校验时，P0输出原码，此时P0外部必须被拉高。P1口：P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口，P1口缓冲器能接收输出4TTL门电流。P1口管脚写入1后，被内部上拉为高，可用作输入，P1口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。在FLASH编程和校验时，P1口作为第八位地址接收。P2口：P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2口缓冲器可接收，输出4个TTL门电流，当P2口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。并因此作为输入时，P2口的管脚被外部拉低，将输出电流。这是由于内部上拉的缘故。P2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时，P2口输出地址的高八位。在给出地址“1”时，它利用内部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时，P2口输出其特殊功能寄存器的内容。P2口在FLASH编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。P3口：P3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O口，可接收输出4个TTL门电流。当P3口写入“1”后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。作为输入，由于外部下拉为低电平，P3口将输出电流（ILL）这是由于上拉的缘故。P3口也可作为AT89C51的一些特殊功能口，如下表所示：口管脚备选功能P3.0RXD（串行输入口）P3.1TXD（串行输出口）P3.2/INT0（外部中断0）P3.3/INT1（外部中断1）P3.4T0（记时器0外部输入）P3.5T1（记时器1外部输入）P3.6/WR（外部数据存储器写选通）P3.7/RD（外部数据存储器读选通）P3口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。RST：复位输入。当振荡器复位器件时，要保持RST脚两个机器周期的高电平时间。ALE/PROG：当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的地位字节。在FLASH编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。在平时，ALE端以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的1/