腿部气动按摩仪的设计学士学位论文.docx

1、腿部气动按摩仪的设计学士学位论文本科生毕业设计（论文）设计(论文)题目：腿部气动按摩仪的设计姓 名： * 院 （系）： 公共卫生学院 专 业： 生物医学工程 年 级： 2008级 指导教师： * 2012 年 6 月 8 日诚信声明我声明，所呈交的毕业设计说明书或毕业论文是本人在指导教师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。据我查证，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，毕业设计说明书或毕业论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。我承诺，本人的毕业设计说明书或论文中的所有内容均真实、可信。作者签名：签名日期：腿部气动按摩仪的设计摘 要本

2、文设计一种以单片机STC89C52RD为核心器件组成的腿部气动按摩仪, 由硬件电路设计部分、软件程序设计部分和机械动作设计部分3个模块组成。利用单片机I/O口输出的高低电平对机械部分进行控制，气囊模拟小腿腓肠肌功能。使用时将气囊固定在腿部，系统供电后，气囊会定时充气、放气，使静脉瓣有节奏的开合，促进腿部血液循环，以达到缓解腿部疲劳的效果；同时对于有轻微静脉曲张迹象的患者来说，目前对于下肢静脉曲张的物理治疗，还仅限于传统的弹性袜治疗法和弹力绷带疗法，但治疗的效果也不十分理想。腿部气动按摩仪的研制填补了这项空白，使患者在不开刀的状态下，能更有效地进行缓解和预防。【关键词】：STC89C52RD 气

3、动式 按摩仪 静脉曲张The Design of Leg ministry Pneumatic Massage ApparatusAbstractThis paper designs a single-chip STC89C52RD as the core parts of leg ministry pneumatic massage device, by power supply circuit, drive circuit and single-chip microcomputer control the mechanical action 3 modules. Use single ch

4、ip computer I/O mouth the discretion of the output level to control the mechanical part. Balloons simulate Seated calf muscle function, when using, they will be fixed in the leg air. As well as power supplies, balloons will put the aeration and timing gas, making the vein disc rhythmic close, promot

5、ing the leg blood circulation, and relieving fatigue in order to achieve the effect of the legs; At the same time, for those who have a slight signs varicose veins. At present, varicose veins physical therapy is still confined to the traditional stretch socks therapy and elastic bandage therapy, but

6、 the effects of the treatment is not very ideal. Leg ministry pneumatic massage gauge developed to fill this gap, so that patients in the state of operation, can more effectively to ease and prevention.【Key Words】: STC89C52RD Pneumatic type Massage instrument Varicose vein1 绪论1.1 系统方案的设计1.1.1腿部气动按摩仪

7、的研究背景在我国乡村，有很多中年人长年累月的体力劳动；有些老年人整天坐在屋子里以打牌、打麻将为娱乐消遣；近年来随着城市化进程的加快、房地产行业的火热，农民弃农进城打工已经成为现在都市的一道风景；长途司机的长时间驾驶；教师讲课时的长时间站立；青少年人群中的宅男、宅女，以上这些长时间坐卧或者是长时间站立的人群，都有可能产生腿部疲劳，甚至程度不同的静脉曲张。下肢静脉曲张主要是指下肢浅静脉系统处于伸长、蜿蜒和曲张状态。长期站立工作、重体力劳动、妊娠、慢性咳嗽、习惯性便秘等因素，都可使瓣膜承受过度的应力，逐渐松弛，瓣膜正常关闭功能受到破坏，或者下肢作持久不规则即不是有节奏的运动，当循环血量经常超过回流的

8、负荷，亦可酿成压力升高、静脉扩张，以致瓣叶游离缘在关闭时不能合拢，从而形成相对性关闭不全，形成静脉曲张。单纯下肢静脉所引起的临床表现，一般并不严重，主要表现为下肢浅静脉蜿蜒扩张迂曲，如病程继续进展，到后期，尤其是当交通静脉瓣膜破坏后，可出现轻度肿胀和足靴区皮肤营养性变化，包括皮肤萎缩、脱屑、瘙痒、色素沉着、皮肤和下皮组织硬结、甚至湿疹和溃疡形成。1.1.2 腿部气动按摩仪的研究现状目前，医学上对下肢静脉曲张的治疗基本上还是手术治疗法，即通过作血管结扎手术，将某条曲张的血管封闭，使得流过该条血管的静脉回血改从其余的浅表静脉回流心脏，近期也出现了一些非手术疗法，即通过药物将该条曲张的血管硬化，达到

9、治疗静脉曲张的目的。这些方法对于患静脉曲张很严重的病人可能比较有效，但对于有轻微静脉曲张迹象的患者来说，手术和药物治疗法并不是首选。手术治疗必定会有伤疤，这对于一些爱美的年轻患者来讲，就是致命的一个因素，不到万不得已他们是不会选择接受手术治疗的。但目前对于下肢静脉曲张的物理治疗，还仅限于传统的弹性袜治疗法和弹力绷带疗法，但治疗的效果也不十分理想。因此患者迫切需要一种更好的预防和治疗下肢静脉曲张的仪器，在不开刀、无痛无疤的状态下，能更有效地进行预防和治疗。1.1.3 腿部气动按摩仪的设计依据根据血流动力学理论，下肢静脉血液能对抗重力而向心回流，受到多种因素影响，首先是小腿肌泵功能，小腿腓肠肌内含

10、有大量静脉窦，内容血量可达140ml，且肌泵受筋膜所包裹，一次肌泵收缩可排出6090ml血液，是静脉回流的主要动力，所以又被称为“第二心脏”。其次是胸腔吸气期和心脏舒张期产生的负压作用，使周围静脉与心脏之间形成压力梯度，血液向心回流。还有就是静脉瓣膜的单向关闭功能，能对抗近侧血柱的重力作用，阻止血液向远侧倒流。综合这三种因素才使得下肢静脉血液能够对抗重力向心回流，其中任何一个因素出问题，都有可能形成静脉曲张。小腿腓肠肌的收缩功能是促使静脉回血的主要动力，一旦静止不动，小腿肌泵功能消失，则踝部静脉承受的压力最高，淤血程度也最严重。下肢静脉长时间承受很高的压力，久而久之，静脉瓣膜会松弛，失去单向关

11、闭功能，便会形成静脉曲张。1.1.4 腿部气动按摩仪的设计思路若要修复失去支撑能力的瓣膜，需要很复杂的手术而且收效甚微，此方法并不可取。设想，如果能够在人长时间站立不动时，外加一个类似小腿肌泵功能的装置，来代替小腿腓肠肌的收缩机制，能有节律地辅助静脉血回流心脏，这样就不会使静脉瓣膜承受过重的压力而变性导致静脉曲张的形成了。初步设想一种充气式按摩腿套能固定于患者下肢病患处，它由多条可封闭气囊组成。各个气囊的充气均可由外电路控制，首先将其中两个相间隔的气囊迅速地充满空气，此时腿套逐渐挤压小腿，在一定程度上起着促进静脉血液流动的作用，阻止了静脉回血倒流后瘀滞在腿部。当气囊内的空气达到一定的压力后，使

12、其中另外两个相间隔的气囊开始充气，同时将先前已经充气到一定压力的气囊放气，当气囊内的气体压力在人体腿部感受不到后（此时便认为气体已经放光），再次对刚刚放气完毕的气囊快速充气，同时使已经充气到一定压力的气囊开始放气。重复上一过程。利用各气囊充、放气之间产生的负压来促使腿部静脉血流动，同时加速了血液循环，实现了静脉血在人静止不动时仍然可以对抗自身的重力作用而向心回流心脏的可能，此功能既缓解了腿部疲劳，也避免了因长久站立不动而导致的静脉曲张。1.1.5 腿部气动按摩仪的设计方案腿部气动按摩仪便是在上述依据的基础上研制的，它是由控制盒和充气腿套这两个主要部分构成的，其结构如图1-1所示。图1-1 腿部

13、气动按摩仪的外观结构充气腿套是由4条密闭气囊组成的，被固定在患者下肢。控制盒内则包含所有用来控制充气腿套的控制电路，由使用者随身携带。治疗时，打开控制盒上的开关，控制盒内的自动充气泵向充气腿套中的气囊迅速充气。并按照先1、3后2、4的次序进行充气、放气，循环往复，达到对下肢按摩并促使静脉瘀滞血液回流心脏的目的，其中充气腿套上各个气囊的充放气顺序和作用时间均是由控制盒中的电路来控制实现的。充气腿套主要是由4条带有电磁阀控制的气囊构成，它的制作要求比较高，要符合密封、轻便、舒适、美观这四项要求。气囊的密封性要好，否则会影响充放气速度，治疗的效果会大打折扣。充气腿套应该可以由使用者按照个人的小腿粗细

14、自行绑定，所以要选择一些质地轻柔且较耐磨的材料制作，而且腿套的外形设计应符合人体解剖学，使患者穿着舒适、美观，满足使用者即使是在工作时也可以使用的要求。控制盒主要用来控制充气腿套内各气囊的充、放气顺序，还可以通过盒内部的单片机来控制该气动式按摩仪的工作时间。其内部主要设计大致如下：电源电路；单片机最小系统；气泵驱动电路；电磁阀驱动电路；快速自动充气泵；电磁阀；气路连接部分。电源电路：为整个系统提供工作电压及工作电流，因此在制作之前需先确定整个系统所需要的工作电压和电流。单片机最小系统：是整个系统的核心组成部分，包括复位电路和时钟电路，单片机用来控制各个气囊的充、放气时间和充、放气顺序，是整个系

15、统的控制核心。本系统选用的是STC89C52RD单片机，工作电压为直流电5V。气泵驱动电路：是由单片机输出控制信号来控制继电器开合的电路，继电器类型的选择很重要，本系统选择常开五个引脚的继电器，当继电器闭合时，气泵开始工作，在电磁阀的控制下为预定的气囊开始充气。本系统中驱动电路工作电压设定为直流电12V。电磁阀驱动电路：本质上与气泵控制电路原理相同，单片机控制电磁阀的开合，使其在气泵工作状态下，控制气囊的充、放气顺序。本系统中驱动电路工作电压设定为直流电12V。快速充气泵：气泵的选择很重要，需要考虑到工作电压、工作电流、噪音的大小、耐压情况和气孔孔径尺寸等，其中尤其需注意气孔孔径尺寸的选择，因

16、为这一因素同时也是气路连接设计中的一项重要因素,利用快速自动充气泵对充气腿套内的气囊进行快速充气，由于速度比较快，可减少静脉受到较长时间的挤压可能出现的淤血现象，充气泵是该装置最主要的动力系统，直接影响到治疗的效果，因此选择时应较慎重。本系统的气泵选择为直流12V工作电压，250mA工作电流。电磁阀：在选择时，首先是在气路连接部分设计好之后根据所需气囊的控制顺序以及充、放气方式来选择所需要的电磁阀的规格以及类型, 这也是该装置一个比较有创意并且符合生命特征的一个设想。本系统选择的电磁阀为二位三通电磁阀，工作电压为直流12V，工作电流为270mA。气路连接部分：是整个系统的第二大核心组成部分，其

17、中气路的密闭性，气路的孔径尺寸，气路设计的连接以及气流流向的控制等都在很大程度上影响了整个系统的工作效率。1.2 系统设计的功能简介1、智能控制：由单片机发出指令对整个系统中各相关器件进行控制。2、循环按摩：通电后，气泵自动向两相隔气囊内进行充气，定时时间到之后，气泵自动向另外两相隔气囊进行充气，同时已充气气袋自动放气，促进腿部静脉瓣开合，进而加速腿部血液循环。3、方便实惠：携带方便，实现了医疗仪器的便携式使用方式，适用于广大普通人群。 4、适应性强：因其便携性，结构简单，适用于不同行业，比如教师、司机；适用于不同人群，男女老少皆宜；适用于不同工薪阶层，从白领到蓝领皆宜。5、适用范围：旅游、医

18、疗、服务等行业。1.3 系统的设计系统设计的总框图如图1-2所示:图1-2 腿部气动按摩仪的设计总框图电源电路将12V直流电降到直流5V为单片机供电，系统供电后，单片机输出高电平或低电平控制继电器动作，继电器的闭合或断开可以控制气泵和电磁阀的工作与否，气泵和电磁阀1工作时，气囊1、3充气，达到设定充气时间后，气泵和电磁阀2工作，气囊2、4充气，同时气囊1、3放气，达到设定充气时间后，气泵和电磁阀1工作，系统按照这个顺序重复使气囊充气和放气。2 腿部气动按摩仪的硬件设计2.1 硬件设计概述系统组件原理图如图2-1所示：图2-1 系统组件原理图为使硬件电路搭建与调试方便，本系统使用了单片机最小系统

19、进行控制，硬件电路主要包括电源电路和工作电路，其中工作电路包括：单片机最小系统，气泵驱动电路，电磁阀驱动电路。整个系统由12V的开关电源供电，电源电路是利用LM7805将12V电压降为直流5V电压为单片机供电，系统上电开始工作后，单片机自动复位，采用内部时钟电路产生时钟，单片机的P2.0引脚输出高电平使三极管Q1导通，继电器闭合，P2接口通电，驱动气泵开始充气，与此同时，单片机的P2.1引脚也输出高电平使三极管Q2导通，继电器闭合，P3接口通电，驱动电磁阀1开始工作，为第1、3气囊充气。充气定时时间到以后，P2.1引脚输出低电平，Q2截止，继电器断开，电磁阀1停止工作，第1、3气囊通过电磁阀1

20、的排气口自动放气；此时P2.2引脚输出高电平，Q3导通，P4接口通电，驱动电磁阀2开始工作，为第2、4气囊充气，充气定时时间到以后，P2.2引脚输出低电平，Q3截止，继电器断开，电磁阀2停止工作，第2、4气囊通过电磁阀2的排气口自动放气；同时，电磁阀1又开始工作。电磁阀1和电磁阀2依次循环工作，当到达已设定的按摩循环次数后，P2.0引脚输出低电平，Q1截止，继电器断开，气泵停止工作。2.2 电源电路电源电路设计时主要考虑因素有系统工作所需电压、系统工作所需电流，本系统使用的是12V直流电源供电，系统总电流为2A。电源电路的电路图如图2-2：图2-2 腿部气动按摩仪的电源电路系统直接采用DC12

21、V2A的开关电源为系统供电，经7805降压为直流5V为STC89C52RD单片机供电。2.3 STC89C52RD单片机介绍2.3.1 STC89C52RD简介STC89C52RD是一种低功耗、高性能CMOS 8位微控制器，具有 8K 可编程Flash 存储器。在单芯片上，拥有灵巧的8 位CPU 和可编程Flash，使得STC89C52RD为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案。 具有以下标准功能： 8K字节Flash，512字节RAM， 32 位I/O 口线，看门狗定时器，内置4KB EEPROM，MAX810复位电路，三个16 位 定时器/计数器，一个6向量2级中断结构，全双

22、工串行口。另外 STC89C52RD 可降至0Hz 静态逻辑操作，支持2种软件可选择节电模式。空闲模式下，CPU 停止工作，允许RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工作。掉电保护方式下，RAM内容被保存，振荡器被冻结，单片机一切工作停止，直到下一个中断或硬件复位为止。最高运作频率35MHz，6T/12T可选。2.3.2 STC89C52RD 主要功能STC89C52RD 主要功能如表2-1：表2-1 STC89C52RD主要功能主要功能特性兼容MCS51指令系统8K可反复擦写Flash ROM32个双向I/O口256X8bit内部RAM3个16位可编程定时/计数器中断时钟频率0-24MHz2

23、个串行中断可编程UART串行通道2个外部中断源共6个中断源2个读写中断口线3级加密位低功耗空闲和掉电模式软件设置睡眠和唤醒功能2.3.3 STC89C52RD 引脚介绍 主电源引脚（2根）VCC(Pin40)：电源输入，接5V电源GND(Pin20)：接地线外接晶振引脚（2根）XTAL1(Pin19)：片内振荡电路的输入端XTAL2(Pin20)：片内振荡电路的输出端控制引脚（4根）RST/VPP(Pin9)：复位引脚，引脚上出现2个机器周期的高电平将使单片机复位。ALE/PROG(Pin30)：地址锁存允许信号PSEN(Pin29)：外部存储器读选通信号EA/VPP(Pin31)：程序存储器

24、的内外部选通，接低电平从外部程序存储器读指令，如果接高电平则从内部程序存储器读指令。可编程输入/输出引脚（32根）STC89C52单片机有4组8位的可编程I/O口，分别位P0、P1、P2、P3口，每个口有8位（8根引脚），共32根。PO口（Pin39Pin32）：8位双向I/O口线，名称为P0.0P0.7P1口（Pin1Pin8）：8位准双向I/O口线，名称为P1.0P1.7 P2口（Pin21Pin28）：8位准双向I/O口线，名称为P2.0P2.7 P3口（Pin10Pin17）：8位准双向I/O口线，名称为P3.0P3.72.4 STC89C52RD单片机最小系统单片机最小系统是整个电路

25、的控制中心，它包括复位电路和时钟电路。单片机最小系统的电路图如图2-3：图2-3 单片机最小系统电路图其中P2.0、P2.1、P2.2输出的高低电平用来控制驱动电路中继电器的开合，进而控制气泵和电磁阀的工作状态。2.4.1 最小系统中的复位电路复位操作有上电自动复位和按键手动复位两种方式。上电自动复位是通过外部复位电路的电容充电来实现的，其电路如图2-4（a）所示。这佯，只要电源VCC的上升时间不超过1ms，就可以实现自动上电复位，即接通电源就成了系统的复位初始化。按键手动复位有电平方式和脉冲方式两种。其中，按键电平复位是通过使复位端经电阻与VCC电源接通而实现的，其电路如图2-4（b）所示；

26、而按键脉冲复位则是利用RC微分电路产生的正脉冲来实现的，其电路如图2-4（c）所示：图2-4 复位电路上述电路图中的电阻、电容参数适用于6MHz晶振，能保证复位信号高电平持续时间大于2个机器周期。本系统使用的是12MHz的晶振，复位电路采用图2-4（a）所示的上电复位方式。2.4.2 最小系统中的时钟电路STC89C52RD内部有一个用于构成振荡器的高增益反相放大器，引脚RXD和TXD分别是此放大器的输入端和输出端。时钟可以由内部方式产生或外部方式产生。内部方式的时钟电路如图2-5（a） 所示，在RXD和TXD引脚上外接定时元件，内部振荡器就产生自激振荡。定时元件通常采用石英晶体和电容组成的并

27、联谐振回路。晶体振荡频率可以在1.212MHz之间选择，电容值在530pF之间选择，电容值的大小可对频率起微调的作用。外部方式的时钟电路如图2-5（b）所示，RXD接地，TXD接外部振荡器。对外部振荡信号无特殊要求，只要求保证脉冲宽度，一般采用频率低于12MHz的方波信号。片内时钟发生器把振荡频率两分频，产生一个两相时钟P1和P2，供单片机使用。图2-5 时钟电路2.5 气泵驱动电路、电磁阀驱动电路气泵驱动电路、电磁阀驱动电路如图2-6：图2-6 气泵驱动电路、电磁阀驱动电路电路图电路原理分析：当单片机输出高电平时，三极管导通，此时电路导通，继电器吸合，气泵或电磁阀开始工作，即所选通气囊开始充

28、气；当单片机输出低电平时，三极管截止，此时电路也处于截止状态，继电器不能吸合，因此气泵或电磁阀也不能够工作，也即此时气囊不充气。2.6 系统结构图PCB结构图如图2-7：图2-7 PCB结构图3 腿部气动按摩仪的软件设计3.1软件设计概述STC89C52RD单片机上程序的烧写方法是将单片机插到单片机开发板上，开发板上有集成USB转串口芯片，所以在设计系统电路时省去了设计往单片机里下载程序的部分。因此只需将已经下载好程序的单片机插到已经设计好的电路中即可运行、调试。程序的编写主要是对充气时间的控制，对气囊充气和放气顺序的控制以及充气和放气循环次数的控制。因为模型计算出充气时间为11.8s，忽略实

29、际测量误差，设定充气时间为10s。3.2 系统程序流程图主程序流程图如图3-1：图3-1 主程序流程图延时程序流程图如图3-2：图3-2 延时程序流程图3.3 系统程序设计系统的程序为：/*- 名称：IO口高低电平控制 内容：利用P1口控制气泵和电磁阀工作 -*/#include /包含头文件，一般情况不需要改动，头文件包含特殊功能寄存器的定义sbit PUMP=P20;/ 用sbit 关键字 定义 PUMP到P1.0端口sbit VALVE1=P21;/ 用sbit 关键字 定义 VALVE1到P1.1端口sbit VALVE2=P22;/ 用sbit 关键字 定义 VALVE2到P1.2端

30、口/*- 主函数-*/void main (void) void Delay1();/函数声明void Delay2(unsigned int d);unsigned char i;/定义一个无符号字符型局部变量 i 取值范围 0255while (1) /主循环 for(i=0;i10;i+) /加入 for循环，表明for循环大括号中 /的程序循环执行10次 PUMP=1; /将P1.0口赋值 0，对外输出低电平 VALVE1=1; VALVE2=0; Delay1(); /调用延时程序；更改延时数字可以更改延时长度； /用于改变闪烁频率 PUMP=1; /将P1.0口赋值 1，对外输出高电平 VALVE1=0; VALVE2=1; Delay1(); /主循环中添加其他需要一直工作的程序 /*- 延时函数，延时10s。-*/void Delay1() int times1,times2; for(times2=1;times2=10;times2+) for(times1=1;times1=20;times1+) Delay2(50000);