基于嵌入式器件AT89C51SND1C的電子治療儀設計方案

一、引言

目前，市場上采用的電子治療儀通常通過兩個電極片對稱覆蓋治療人體部位，利用電極片上的脈動電壓與治療部位電阻產生作用，在治療部位產生人體能夠感知的脈動電流，刺激神經肌肉，使其收縮和舒張，產生運動效應，從而達到治療目的。然而，這類治療儀的脈動電壓種類有限，脈動電流頻率周期固定，如果某治療部位長期接受其脈動，就會產生抗療作用，引起自發(fā)性緊張，從而降低治療效果。

為了解決這一問題，本文將介紹一種基于嵌入式器件AT89C51SND1C的電子治療儀設計方案。該方案將MP3發(fā)出的隨機音樂信號引入治療儀，使音頻信號與2.4 kHz的中頻治療頻率進行調制，產生多種脈動電壓和頻率周期不斷變換的脈動電流，隨音樂信號起伏變化而發(fā)生作用，從而提高治療效果。

二、主控芯片型號及其在設計中的作用

2.1 主控芯片型號

本設計方案選用ATMEL公司的AT89C51SND1C芯片作為主控芯片。AT89C51SND1C是一款基于8位C51 MCU內核的MP3解碼器芯片，它內置MP3硬件解碼器和USB控制器，支持多種采樣頻率（48、44.1、32、24、22.05及16KHZ），具有重低音、中音、高音均衡控制和重低音環(huán)繞聲效果。此外，它還內置2304B RAM和64KB Flash程序空間，方便用戶增加復雜的功能，并提供MP3音頻時鐘及USB時鐘。

2.2 主控芯片在設計中的作用

1. MP3解碼與播放：AT89C51SND1C具有內置的MP3解碼器，可以直接解碼MP3音頻文件，并通過D/A轉換器輸出模擬音頻信號，供耳機或喇叭播放。這使得治療儀在進行治療的同時，可以播放音樂，分散患者的注意力，緩解緊張情緒。

2. USB控制器：AT89C51SND1C還內置USB控制器，支持U盤功能。當治療儀的USB端口插入電腦的USB接口時，可以執(zhí)行U盤程序，將選好的MP3歌曲復制到治療儀的存儲器中。這使得治療儀具有更大的靈活性，用戶可以根據需要隨時更換治療音樂。

3. 中頻信號產生與控制：AT89C51SND1C可以產生2.4 kHz的中頻信號，并與音頻信號進行調制，產生脈動電流。通過調整中頻信號和音頻信號的頻率和相位，可以產生多種脈動電壓和頻率周期不斷變換的脈動電流，從而提高治療效果。

4. 系統(tǒng)控制與管理：AT89C51SND1C作為系統(tǒng)的核心控制器，負責整個治療儀的系統(tǒng)控制與管理。它可以接收來自鍵盤的輸入信號，根據用戶的設置，控制治療時間、音量大小等參數，并通過顯示模塊顯示當前的工作狀態(tài)。

三、系統(tǒng)硬件設計

3.1 系統(tǒng)硬件結構

基于嵌入式器件AT89C51SND1C的電子治療儀系統(tǒng)硬件結構分為信號產生與控制模塊、調頻輸出模塊、電源模塊三部分。

1. 信號產生與控制模塊：由AT89C51SND1C單片機、海量存儲器、鍵盤、USB端口、液晶顯示、D/A轉換器、音頻放大等部分組成。該模塊負責產生音頻信號和中頻信號，并進行調頻控制。同時，它還負責接收用戶的輸入信號，顯示當前的工作狀態(tài)，并將MP3歌曲解碼為音頻數字信號。

2. 調頻輸出模塊：由調頻、放大、輸出劑量調整、輸出變壓器、電極片等部分組成。該模塊負責對音頻信號和中頻信號進行調頻，并將調頻后的信號放大，通過輸出變壓器隔離輸出脈動治療電壓。同時，它還可以根據用戶的設置，調整輸出劑量，以滿足不同治療部位和皮膚干濕度的需求。

3. 電源模塊：提供15V、5V、3.3V系統(tǒng)工作電壓。其中，15V電壓用于輸出劑量調節(jié)電路，5V電壓用于調頻、放大電路，3.3V電壓用于嵌入式器件AT89C51SND1C。電源模塊通過變壓、整流、穩(wěn)壓、濾波等步驟，將220V的交流電源轉換為系統(tǒng)所需的工作電壓。

3.2 信號產生與控制模塊

信號產生與控制模塊的核心是AT89C51SND1C單片機。為了實現MP3及U盤功能，AT89C51SND1C單片機需要外接一個NAND-Flash海量存儲器。本設計中選用16MB的K9F2808U0C作為海量存儲器，其數據線I/O0～I/O7接P0端口，控制線接P5端口。

MP3音頻解碼輸出信號通過AT89C51SND1C單片機的DOUT、DLCK、DSEL、SCLK引腳接D/A轉換器CS4330，經過放大后，輸出到耳機或喇叭。液晶屏接單片機的P2端口，與鍵盤相配合以顯示當前治療儀的工作狀態(tài)。

鍵盤上有4個按鍵，“音量/歌曲/定時”功能鍵接P1.0引腳，分別與P1.1引腳所接的“next”鍵和P1.2引腳所接的“previ-OHS”鍵相配合，實現音量調節(jié)、歌曲選定、治療定時等功能設定；而“啟動/停止”鍵接P1.3引腳。

AT89C51SND1C單片機的P3.3引腳用于檢測當前使用的是U盤還是MP3播放器。如將治療儀的USB引線接到電腦的USB端口，P3.3引腳則檢測到高電平，執(zhí)行U盤程序；否則，P3.3引腳檢測到低電平，則執(zhí)行MP3程序。

中頻信號F中頻和音頻信號F音頻分別接AT89C51SND1C單片機的P4.4、P4.5和DOUT引腳。

3.3 調頻輸出模塊

調頻輸出模塊由調頻、放大、輸出劑量調整、輸出變壓器、電極片等部分組成。音頻信號F音頻分別與中頻信號F中頻和中頻相調制，產生兩個相位相反的調制波形，再經9013、8050、D880Y放大后送至變壓器的兩個輸入端。

變壓器中間抽頭電壓可通過毫安表所接的劑量調節(jié)電路進行調整。47kΩ電位器即劑量調節(jié)電位器，向下調則毫安表指示的電流變小，反之變大。變壓器隔離輸出電壓變化與輸入電壓同步變化，輸出電壓經電極片與人體接觸，在人體內產生感知電流。

根據理療部位的不同以及皮膚的干濕程度不同，人體的感知電流也不一樣。理療時需要調整電位器，使理療者感覺舒適即可。

3.4 電源模塊

電源模塊提供15V、5V、3.3V系統(tǒng)工作電壓。其中，15V電壓用于輸出劑量調節(jié)電路，5V電壓用于調頻、放大電路，3.3V電壓用于嵌入式器件AT89C51SND1C。

電源模塊通過變壓、整流、穩(wěn)壓、濾波等步驟，將220V的交流電源轉換為系統(tǒng)所需的工作電壓。5V穩(wěn)壓采用78L05，3.3V穩(wěn)壓采用LDll17S33。當使用U盤功能時，治療儀的USB端口插入電腦的USB接口，不接220V的交流電源，單片機工作電壓則由USB接口提供。

四、系統(tǒng)軟件設計

系統(tǒng)軟件設計包括鍵盤中斷服務程序、MP3音頻解碼系統(tǒng)實現過程、MP3播放過程流程圖等部分。

1. 鍵盤中斷服務程序：用于接收用戶的輸入信號，并根據用戶的設置，控制治療時間、音量大小等參數。

2. MP3音頻解碼系統(tǒng)實現過程：利用Flash存儲器技術、MP3音頻解碼技術，讀取MP3音頻文件，并將其解碼為音頻數字信號。

3. MP3播放過程流程圖：實現音頻數字信號的D/A轉換、放大、輸出等功能，同時實現人機交互接口和U盤的讀寫功能。

系統(tǒng)軟件設計需要與硬件電路功能配合，確保整個系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。

五、結論

本文介紹了一種基于嵌入式器件AT89C51SND1C的電子治療儀設計方案。該方案利用AT89C51SND1C的MP3解碼器和USB控制器功能，將音樂信號引入治療儀，使音頻信號與中頻治療頻率進行調制，產生多種脈動電壓和頻率周期不斷變換的脈動電流。通過調整輸出劑量和電位器，可以滿足不同治療部位和皮膚干濕度的需求。

該設計方案不僅提高了治療效果，還增加了治療的趣味性和舒適性。同時，AT89C51SND1C的強大功能也為系統(tǒng)的擴展和升級提供了更多的可能性。未來，可以進一步探索將更多先進的嵌入式技術和算法應用于電子治療儀中，以提高其治療效果和用戶體驗。