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1、自动温控热疗仪硬件电路设计毕业论文目 录前 言5第1章概述71.1 硬件电路原理71.2 系统涉及的重要电路及元件81.3 系统框图8第2章 稳压电源电路92.1 三端稳压集成电路780592.2 稳压电源电路9第3章 过零检测电路和温度控制回路113.1过零检测电路113.2 温度控制回路13第4章 人机界面164.1 显示屏LCD1602管脚定义和接线图164.2键盘17第5章 红外温度传感器MLX90614185.1 MLX90614简介185.2 MLX90614的结构19第6章 单片机的选择22第7章 红外灯237.1 红外线疗理简介237.2 红外线光源23第8章 电路板设计258
2、.1 电路板设计步骤概述258.2 电路板设计具体流程26第9章 电路调试289.1 调试的注意事项及原则289.2 具体调试过程28第10章 系统软件简介30第11章 系统机械设计简介31结 论34参考文献36致 谢38附录39附录一：主板原理图39附录二：电源和控制板原理图40附录三：主板制板图41前 言热疗仪是通过加热人体组织来实现临床疗效的仪器，主要有微波治疗仪、红外线治疗仪、短波治疗仪和 超短波治疗仪等常见设备。这些设备主要机理是利用能产生热效应的电磁波，使人体组织温度上升来扩血管，改善血液循环，促进炎症吸收和改善细胞的营养关系和新代谢。相比较而言，红外线的穿透力最弱，治疗时需要裸露
3、人体组织。短波、超短波的穿透力最强，但是脂肪对此类电磁波的吸能太强，功率过高容易导致脂肪液化。其中微波治疗仪的热效应最为显著，因此疗效也得到各医疗机构的公认。国外的热疗仪技术先进，主要特点包括：1.精确可靠的控温方案 ET-SPACE超高精度、高稳定性、回应快的测温传感器，其分辨力为0.01，精确度为0.03。监测体温度，并根据检测资料实时调节控温。2.先进高效的加热方式 采用波长为7001400纳米的A波段近红外线以弧形面状均匀加热，合理的风道调节机制使人体各部位温度均匀上升，没有明显的热聚集，从而避免了局部皮肤温度过高造成烫伤的危险。 系统选用世界上最先进的智能温控仪表，它的控温精度可达到
4、0.05，从而使系统对人体的绝对控温精度达到0.1。ET-SPACE 的控温性能达到了世界领先水平。3.全数字化智能控制系统 热疗过程中对测温、控温、记录、控制操作，实现全数字化管理，进一步提高了系统的准确性和可靠性。而国以往治疗仪的结构不合理，治疗效果不显著，不能得到广泛应用。这次设计的红外热疗仪在结构和功能上的改进包括：一组位于软件骨架上的定位指示灯，三灯光线交于一点，患者会对此更加敏感；合理的温度控制，通过温度传感器，实现温度控制精度在0.5。系统的设计主要包括三个方面，分别是：硬件电路的设计，系统软件的设计和机械结构的设计。而本论文则侧重介绍硬件电路的设计和调试。第1章 概述1.1 硬
5、件电路原理自动温控热疗仪总体上包括三个方面的组成：硬件电路，软件和机械结构。而本论文则侧重介绍硬件电路的设计和调试。在硬件电路设计方面，该系统以单片机为核心，选取90614红外温度传感器作为系统的输入，实现它与单片机的连接，通过特定的通信协议实现两者的通信。在输出端，单片机直接通过传感器的输入温度与设定温度的判断结果，通过发送控制信号实现对双向可控硅的控制，进而调节红外灯的通断时间，实现其功率的调节。例如，热疗仪的一般最佳疗效所对应的人体最佳体温是38，如果将系统的温度设置为38，而此时传感器检测到的体表温度只有36，那么系统就延长双向可控硅的导通时间，从而延长红外灯的导通时间，进而增大红外灯
6、的输出功率，实现体表温度的进一步升高，达到预期的38，实现热疗仪的最佳疗效。具体如何实现双向可控硅的通断时间的控制呢？首先，必须得找到一段周期，在这段周期中，再控制双向可控硅导通的时间和关断的时间。本设计采用的是50Hz市电 直接接一个电桥，那么从电桥出来后，就是100Hz的周期信号，其周期为10ms，这个周期也就是控制双向可控硅的周期。其次，还需要找到这个周期的起始位置，也就是说，得确定下来这个周期。本设计在这里采用了过零检测电路，也就是检测出一个周期的开始和结束零点。这样，在这两个检测点之间就是一个周期了。当然，零点检测还有一个重要作用，就是给单片机输入中断信号。最后，单片机如何判断这个周
7、期的起始位置，也就是说，单片机执行双向可控硅通断时间控制的基准在哪里。本设计的过零检测电路出来的是一个下降沿脉冲，把它直接接到单片机的外部中断就行了。例如，单片机在接收到外部中断后，在接下来的10ms这个周期中，如果单片机立即发出双向可控硅的导通脉冲，那么红外灯就一直亮，此时的功率就达到100%，而如果单片机在接到中断后，延迟5ms后，再发送双向可控硅的导通脉冲，那么这个周期中，红外灯只导通半个周期，也就是，其功率只有50%。这就实现了红外灯的功率调节，进而实现了温度的控制。1.2 系统涉及的重要电路及元件设计中涉及到的重要电路主要包括：单片机及其基本电路，如复位和晶振电路；5V稳压电源电路；
8、过零检测电路；双向可控硅的控制电路；人机界面，主要是键盘和显示器；传感器接入电路等。所要用到的主要电子组件包括电桥，5V稳压器，光耦，双向可控硅，显示器等。1.3 系统框图自动温控烤电治疗仪硬件电路设计总体设计方框图如下图所示。控制器采用单片机AT89C51，温度测量部分采用非接触式温度传感器MLX90614，用荧光显示器完成显示功能。 单 片 机 主 控 制 器测温模块显示模块键盘模块控制模块功率调节图1.1 热疗仪硬件框图第2章 稳压电源电路2.1 三端稳压集成电路7805电子产品中，常见的三端稳压集成电路有正电压输出的78 系列和负电压输出的79系列。顾名思义，三端IC是指这种稳压用的集
9、成电路，只有三条引脚输出，分别是输入端、接地端和输出端。它的样子像是普通的三极管，TO- 220 的标准封装，也有9013样子的TO-92封装。如下图所示为其TO-220封装形式。图2.1 三端稳压集成电路TO-220封装 用78/79系列三端稳压IC来组成稳压电源所需的外围组件极少，电路部还有过流、过热及调整管的保护电路，使用起来可靠、方便，而且价格便宜。该系列集成稳压IC型号中的78或79后面的数字代表该三端集成稳压电路的输出电压，如7806表示输出电压为正6V，7909表示输出电压为负9V。因为三端固定集成稳压电路的使用方便，电子制作中经常采用。 2.2 稳压电源电路 设计中采用了780
10、5典型应用电路图。如下所示： 图2.2 7805典型应用电路这是一个输出正5V直流电压的稳压电源电路。市电220V接到9V的变压器（实际调试过程中，由于9V变压器输出功率达不到后续电路的要求，故改为15V）上，经四个二极管组成的电桥（电桥还有集成芯片式，但这里不推荐），经输入端滤波电容滤波后，输入稳压集成器7805，这样，再由输出滤波电容滤波，一般能得到稳定的+5V恒压源。在这个电路中，由于5V恒压源为整个系统的电源之一，并且是最重要的电源，所以在设计时，要尤其注意保持其稳定性，同时要确保其输出功率达到要求。另外，尽管本设计中，输出的电流不是很大，但考虑到该系统一般要长时间处于工作状态，还是应
11、给7805配上散热板。第3章 过零检测电路和温度控制回路3.1过零检测电路过零检测电路在整个系统中的作用主要包括两个方面，一是确定双向可控硅导通角的基准，也即是双向可控硅何时导通的参照点。由于双向可控硅的控制只需要单片机给其控制极发射一个导通信号就行了，那么这个导通信号何时发送就成了问题的关键。而通过过零检测电路，就不仅可以确定下来单片机可以发射信号的周期，而且可以判断出每个周期的起始位置，如此，单片机就可以按照需要，通过一定的延时，在这个周期中给出预期的控制信号，以达到控制的目的。单片机是如何识别周期的起始位置呢？这就是过零检测的第二个作用了。在设计过程中，很直接得就会考虑到单稳态触发电路，
12、通过一个下降沿来给单片机输入外部中断。但由于单稳态触发电路相对复杂，如下电路相对简单，只需要用一个光耦和一个三级管，且也可以完成相同的功能，所以就选择它。图3.1 过零检测电路其工作原理是：市电220V直接接一个电桥（电桥可以是四个二极管连接而成，也可以是桥路芯片，但这里推荐使用桥路芯片）后，其频率就变成原来的两倍，也就是100Hz，并且其幅值都在零点以上。这样，当其后接一个光耦时，只要幅值大于发光二级管的导通电压，光耦就会工作，右侧就会导通，这样，Q3基极就为低电平，从而不导通，这样ZD0就处于高电平状态。而一旦光耦输入信号的幅值小于发光二极管的导通电压，光耦就不工作，这样Q3的基极就处于高
13、电平，从而导通，这样ZD0就为低电平。而在整个周期中，光耦的导通时间大于其断开时间，如下图所示。这样，每相邻两个下降沿之间就是一个周期，在这里边的任何时间点，单片机都可以根据需要，应用一定的延时程序，实现控制双向可控硅控制信号的输出，进而调整红外灯的相对输出功率。同时，利用每一个周期中唯一的下降沿，可以给出单片机的中断信号。这样就解决了单片机发送双向可控硅控制信号的周期和具体时间问题。图3.2 过零检测电路输出结果效果图3.2 温度控制回路3.2.1 三端双向可控硅（TRIAC）简介 双向可控硅是在普通可控硅的基础上发展而成的，它不仅能代替两只反极性并联的可控硅，而且仅需一个触发电路，是目前比
14、较理想的交流开关器件。其英文名称TRIAC即三端双向交流开关之意。普通可控硅(VS)实质上属于直流控制器件。要控制交流负载，必须将两只可控硅反极性并联，让每只SCR控制一个半波，为此需两套独立的触发电路，使用不够方便。双向可控硅属于NPNPN五层器件，三个电极分别是T1、T2、G。因该器件可以双向导通，故除门极G以外的两个电极统称为主端子，用T1、T2表示，不再划分成阳极或阴极。其特点是，当G极和T2极相对于T1的电压均为正时，T2是阳极，T1是阴极。反之，当G极和T2 极相对于T1的电压均为负时，T1变成阳极，T2为阴极。由于正、反向特性曲线具有对称性，所以它可在任何一个方向导通。对标准的双
15、向可控硅，电流能沿任一方向在主端子T1 和T2 间流动，用T1 和栅极G端子间的微小信号电流触发。其结构和符号如下图所示：图3.3 双向可控硅结构和符号图尽管从形式上可将双向可控硅看成两只普通可控硅的组合，但实际上它是由7只晶体管和多只电阻构成的功率集成器件。小功率双向可控硅一般采用塑料封装，有的还带散热板。典型产品有BCMlAM(1A600V)、 BCM3AM(3A600V)、2N6075(4A600V)，MAC218-10(8A800V)等。大功率双向可控硅大多采用RD91型封装。3.2.2 双向可控硅典型驱动电路双向可控硅（3个极）第一阳极（T1）与第二阳极（T2）无论加正向电压还是反向电压,只要控制极（G）与第一阳极有正负极性不同的触发电流,就可以触发
