团论文网
团论文网
-
摘要：为改进传统光照理疗仪的使用功能局限，治疗模式单一等不足，设计一种基于双单片机的多功能的高稳定性的创面光疗仪控制系统。整个系统以ARM Cortex-M4内核的微处理器进行主控制器设计，主要用作与人机交互模块通讯，而STC32G12K128单片机主要负责接收来自主控制器的命令进而驱动温控模块、照射模块、创面冲洗消毒模块。软件中的触控屏部分基于CodeBlocks开发环境编写程序，实现STM32与RGB电容触控屏通讯；由STC单片机控制的硬件模块程序基于Keil5开发平台采用C语言编写。经实验测试表明，该系统在光疗和创面冲洗消毒2种不同功能和3种理疗模式下都能够有效运行，控制精准，输出稳定，满足个性化治疗需求。
关键词：光疗仪；创面冲洗消毒；STC32G12K128单片机
0引言
光疗具有良好治疗效果，使用不同波长的光线照射后，生物体组织会产生不同的光效作用。光疗（Photo⁃therapy）可以利用可见光、紫外线（Ultraviolet，UV）、近红外光（Near-infrared，NIR）等实现抗菌治疗并促进创伤愈合[1]。光疗已经被证实可以在促进创面愈合、改善局部血流，减少局部疼痛等方面有着重要作用[2]。薄延桥[3]对126例小儿烧伤患者进行疗效观察证明在预防烧伤后疤痕形成中，光疗可以通过促进胶原重塑，减少红斑，降低增生组织厚度、增加组织柔韧性等。Mohajerani等[4]对术后患者开展两次光疗并展开治疗效果评估检查，结果发现光疗后患者主观疼痛症状明显减轻。乌云毕力格[5]和黄志兰[6]分别指出红外线光疗法对宫颈糜烂疗效确切，副作用少，治愈率高达90%。从近年来光疗临床研究中不难看出，光疗研究与应用呈现出良好的发展态势，越来越多的学者开始尝试利用这一技术在造福患者。以（光疗AND创面）为主题词在知网进行检索，共呈现31条结果，从可视化结果分析，关于光疗对创面修复的研究呈上升趋势，如图1所示。从主要主题分布上分析，截止至2024年1月，相关研究集中在治疗宫颈糜烂，如图2所示；从次要主题分布上分析得出，光疗在治疗糜烂面、溃疡创面、创面感染具有积极作用，如图3所示；从学科分布上看，妇产科学在光疗仪领域研究占比为23.08%，仪器仪表工业学科暂无相关研究，如图4所示。由此观之，光疗在妇科疾病领域、创面修复领域有良好的治疗效果，但当前对于创面修复的光疗仪的控制系统的设计极少。因此，本文针对当前创面光疗仪控制系统设计不足的研究现状，以STM32F429IGT6单片机为控制核心，设计一款多功能、可靠性强、稳定性高的创面光疗仪，使更多的患者能够得到科学高效的治疗，恢复健康。
1控制系统整体结构
本文设计开发了一款多功能创面光疗仪（以下简称“创面光疗仪”），它主要包括微处理器、电源模块、人机交互模块、光疗模块、创面冲洗消毒模块、数字电位器、温度传感器等。如图5所示，该仪器采用STM32F429IGT6作为主处理器，负责采集触控屏发送的治疗指令和数据并控制STC单片机工作；STC单片机采集并解析STM32数据进而控制光疗管、消毒清洁的通断，实现创面光疗仪的启停；RGB7.0寸组态屏作为人机交互界面，用于实时设置和显示创面光疗仪的功能、治疗时间、治疗功率等信息；温度传感器用于采集光疗探头温度数据，将输出的数字信号直接传给STC单片机用于控制光疗管工作状态；数字电位器由STC单片机控制实现治疗功率分挡调节，而改变数字电位器阻值的信号来源有两个：其一，当触控屏调节功率时，STC单片机接收STM32单片机信号并调节数字电位器阻值实现功率的控制；其二，当调节无极旋钮时，STC单片机检测变化的模拟量进行A/D转换，将转换的数字信号用于调节数字电位器阻值，实现功率的调节。
2系统硬件设计
2.1主控制器模块
主控制器模块是系统的核心部分，选择的合理性影响整个系统的稳定性和可靠性。因此，对该模块的设计本文结合了创面光疗仪实际使用情况进行选择，主要从以下方面考虑。
从系统结构图看，主处理器与STC单片机、触控屏通信，需要对STC单片机反馈的信号和触控屏的数据进行分析处理，系统的数据传输和处理量大，因此主处理器模块需要具较强大的位处理能力和存储空间。
由于创面光疗仪需要设计预留与各种硬件配合和布线的位置，因此，主控制器本身体积尽可能小。STM32F429IGT6是一款基于ARM Cortex-M4内核STM32系列的32位的微控制器，CPU主频达180 MHz，运算速度快，并拥有大容量内存和丰富的外设接口，如定时器、ADC、DAC、SDIO、IIC、SPI、IIS和USART等，共有112个通用I/O口，非常适合应用于需要高速的数据处理能力和快速中断响应的地方。综上所述，STM32F429IGT 6符合上述要求，可作为系统主处理器，读取RGB触控屏输出的治疗指令和数据并控制STC单片机工作。
2.2 STC32G12K128单片机
STCSTC32G12K128单片机通过UART通信协议和RX、TX两个UART接口与STM32F429IGT6主控制器通信，接收并解析主控制器的数据包进而控制驱动电路、温度采集和控制算法的处理。该单片机在相同的工作频率下，比传统的8051约快70倍，采用超大规模集成电路技术，提供了丰富的数字外设，包括4路串口、5个定时器、支持DMA（SPI/I2C/ADC/UART/LCM）等，板载了常用传感器的接口，扩展性强，可接入众多常用传感器，满足本文设计需求。
STM32主控制器与STC单片机采用异步串口通信，具体的通信协议如图6所示。其中每帧数据由开始位、功能位或开始位、功能位组成，其中当开始位（帧头）为0，表示该组数据有效，后面7位数据表示的是功能数据，用于识别数据类别，例如，00000001，帧头为0，数据有效，后7位0000001，含义为光疗时间；开始位（帧头）为1表示该组数据有效，后面7位数据表示的是参数数据，例如10000110，帧头为1，后7位从左往右一共6位表示有效参数高位的值；最后一位0，为有效参数低位值。本设计系统中，由于微量调节的步距为5，所以参数数据的个位只有0、5两种。用0表示数值0，1表示数值5。而具体的参数值通过与或非逻辑运算、移位运算提取出来，进而将数据转为控制信号，驱动各执行机构。例如，在10000110数据组中，除帧头1，000011经过逻辑运算转为3；末尾位为0，因此有效参数低位值为0，故10000110含义为光疗具体时间为30 min。
2.3光疗灯模块
多个学者根据临床研究表明，利用红外照射物理治疗法对创面治疗具有复发率低、治愈率高、无痛无刺激的疗效[7-8]。红外线波长范围宽，分近红外和远红外，近红外的波段在0.75~1.4μm，远红外波段在1.4~3μm，由于近红外穿透人体组织能力相对较强，最大深度达8 cm。因此，目前在光疗仪设计和临床应用上普遍为近红外[9-10]。基于上述分析，本文选用具有常规医疗作用的近红外灯管作为测试工具。该灯由STM32单片机和STC单片机联合控制，通过接收STC单片机高低电平信号控制启停、调节日常模式、保健模式、修复模式3个工作挡位或者根据病症程度自定义微调挡位以及工作时间，达到治疗效果，其电路设计如图7所示。
2.4创面冲洗消毒模块
考虑到本文设计的光疗仪使用情况的特殊性，清洁模块选用较为轻柔的喷射泵。其额定电压为24 V、功率6 W、驱动方式为电动驱动，STM32单片机向STC单片机发送控制命令，STC单片机接收并解析，根据接收到的功率数据信息启停水泵，并调节水泵的出水量，其电路设计如图8所示。
2.5温度采集模块
光疗辐射的热效应能加速血液循环，促进伤口愈合，但温度过高伤害正常组织，参考柳先锋[11]和邓娜[12]等人的研究结果，将最佳治疗温度控制在41~43℃。本文采用性价比高的DS18B20数字化温度传感器，精度高，抗干扰能力强，其体积较小，适用电压宽，与微处理器接口简单，与STC单片机微处理器连接时仅需要一条口线便能实现双向通信[13]。
该模块与STC单片机采用串行数据传送，输出端DQ连接STC的P3^4端，实时采集光疗探头温度，以确保治疗的效果和安全性。该温度传感模块测量范围在-55～+125℃内，适用于体表温度测量[14]。将温度采集模块安置在光疗发射探头附近，当温度传感器输出的数字信号高于设置的阈值43℃,则STC单片机立即控制光疗照射模块停止工作。
2.6触控屏人机交互模块设计
触控屏是人机交互的媒介，用于用户与STM32主控芯片进行交互。本设计系统采用800×480分辨率的7 in RGB LCD屏作为系统的人机交互部分，该模块通过40 P的FPC排座与STM32主控板的RGBLCD接口连接，实现光疗参数设定、修改、模式选择、显示、实时监控光疗仪的运行状态功能，使模式切换、功率调节操作简单、便捷。该模块采用了电容式触摸屏，控制IC为FT5426，该驱动IC通过模块的CS、PEN、MO、CLK 4根线与外部连接，MO、CLK引脚是FT5426的IIC通信引脚，通过这两个引脚，STM32主控制器通过IIC与FT5426进行通信。创面光疗仪主控制器接收来自RGB触控屏的指令和数据，并将数据按照自定的数据格式与STC单片机通信，进而控制光疗灯、清洁消毒模块执行相应动作或对输出I/O口作出相应控制，触控屏画面如图9~10所示。
2.7数字电位器
数字电位器用于调节光疗灯、创面冲洗消毒两个功能功率。根据各功能硬件的驱动参数，设计选用X9C102和X9C103两个数字电位器。X9C102数字电位器用于控制照射功率和冲洗功率，其最大电阻R0=1 kΩ,RW滑动端位置每次移动增加或减少10Ω,X9C103数字电位器用于调节光照射工作功率，其最大电阻为R0=10 kΩ,RW滑动端位置每次移动增加或减少100Ω。两种数字电位器的阻值变化为阶梯式，从0~99共100个台阶，其滑动端RW位置由CS、U/D、INC数字电位器3个可控端调节，STC单片机与3个可控端接入并利用脉冲信号来改变电阻值的大小，进而调节创面光疗仪器的工作功率[15-16]，其电路设计如图11所示。
3系统软件设计
根据创面光疗仪的功能需求和主处理器的外设资源，采用模块化设计思路，将系统的软件部分划分为人机交互模块和运行控制模块，两个功能模块根据包含的具体功能进一步划分子功能模块，如图12所示。
人机交互模块主要包括触控屏和无极旋钮。触控屏显示单元包含功能选择、模式选择、照射功率和时间参数的设定、锁定和显示程序。无极旋钮单元包括旋钮的输入检测以及转换处理。
人机交互模块程序流程如图13所示，其中系统初始化包括系统时钟初始化、触控屏通信串口初始化、红外照射模块与冲水清洁模块串口初始化、DMA初始化、GPIO初始化、外部中断初始化、定时器初始化。
运行控制模块主要包括光疗照射控制、冲洗消毒控制、安全防护检测。光疗灯照射控制单元包括光功率调节、照射模式的切换控制和红外光预热处理；冲洗消毒控制单元包括创面冲洗消毒功率调节、创面冲洗消毒模式切换控制；安全防护检测单元包括采集创面光疗仪内部温度，若温度超过安全范围，对人体产生灼烧的危害，则向主控制器反馈并停止红外辐射工作。运行控制模块流程如图14所示。部分程序如图15~16所示。
4系统测试结果
4.1输出功率的测量及时效性检测
利用串口助手模拟收发数据和万用表测量不同功率参数时数字定位器的阻值来验证创面冲洗消毒模块和光疗照射模块的输出功率，测量结果如图17所示，图17（a）中，03 86 04 87一组数据中03和04分别表示控制目标为创面冲洗消毒时间和创面冲洗消毒功率，86为时间参数的十六进制，其二进制为10000110，如上文所述，1为有效参数开始位，000011为有效参数高位，0为有效参数低位，通过与非运算和移位得出，86的数据实际为30 min。同上，87为功率35 W。图17（b）为通过旋钮改变数字电位器阻值，改变治疗输出功率。其中19为旋钮改变的电压值通过将A/D转换得到的功率微调数据，将其换成十进制并按照程序设置的关系运算得出，当接收的微调数据为19时，微调实际值为减少5，即当前功率为30 W。0140为当前改变阻值320Ω,12为X9C102数字电位器移动从设置的初始值500Ω向下移动18次。通过万用表测量验证，其中各功能模块的输出功率存在一定误差但基本符合目标值。
此外，治疗时间影响治疗效果。因此，本文对不同模式下的时间参数进行时间定时测试，验证定时功能的可行性。经验证，当定时结束，相应功能模块停止工作，本文设计的定时系统具备准确性和实时性。
4.2温度反馈测量
治疗温度过高则治疗效果适得其反，存在烧伤的情况，因此，本设计中采用DS18B20温度传感器进行温度检测，检测结果作为一个输出用来控制红外辐射功能模块工作，构成一个闭环系统。本设计通过P00引脚驱动红外照射模块工作，经过验证，当温度传感器采集的输出值高于上限（43℃)警告，P00引脚置低，红外照射灯停止工作，以防烫伤人体和损坏仪器，如图18所示。
5结束语
综上所述，本文主要研究了光疗理论在目前的健康领域带来的新机遇并根据现有的光疗理论及技术，以STM32F429IGT6单片机为控制核心，STC32G12K128单片机为辅，设计一种基于双单片机的带有7 in触控屏控制系统，具有光疗、创面冲洗消毒、温控保护功能的高稳定性的创面光疗仪控制系统，旨在能够改进当前创面光疗设备不足。就目前设计实现的系统还存在一些不足，需要更深入的研究，如在功耗以及其他方面上还有待提高。其次，受限于实验室研究环境以及自身关于生物学领域知识的局限性，目前只能实现工程领域的研究设计。后续在可满足相关政策法规的条件下，还应对该光疗仪进行生物学领域类里的生物皮肤组织的照射等实验，对设计的仪器功能进行验证，根据使用数据作进一步的优化改进，使该光疗仪的功能更加满足行业需求，更好地服务于患者。
参考文献：
[1]潘彦宏,李丹,吴忠好,等.光疗、冲击波及超声治疗烧伤的研究进展[J].中外医学研究,2022,20(30):177-181.
[2]王晟宇,屈晓雯,朱崇涛.LED照射在治疗临床疾病中的应用研究进展[J].云南医药,2023,44(1):89-92.
[3]薄延桥.湿润烧伤膏联合光疗治疗小儿烧伤疗效观察[J].中国烧伤创疡杂志,2020,32(2):102-104.
[4]Mohajerani H,Tabeie F,Alirezaei A,et al.Does Combined Low-Level Laser and Light-Emitting Diode Light Irradiation Reduce Pain,Swelling,and Trismus After Surgical Extraction of Mandibu⁃lar Third Molars?ARandomized Double-Blinded Crossover Study[J].Journal of oral and maxillofacial surgery:official journal of the American Association of Oral and Maxillofacial Surgeons,2021,79(8):1621-1628.
[5]乌云毕力格.运用消糜栓联合红外凝结器治疗创面感染的临床探讨[J].实用妇科内分泌电子杂志,2015,2(8):109-111.
[6]黄志兰.多功能红外治疗仪治疗宫颈糜烂105例疗效观察[J].吉林医学,2013,34(11):2109-2110.
[7]费勇勇.多功能红外治疗仪治疗宫颈糜烂1268例疗效观察[J].中国计划生育学杂志,2002,10(10):625.
[8]王润青.红外光疗仪治疗198例宫颈糜烂疗效分析[J].吉林医学,2011,32(28):5977.
[9]张蓉,周春利,王琼,等.ATP-红外生物效应治疗仪治疗复发性真菌性阴道炎[J].检验医学与临床,2016,13(7):949-951.
[10]王海军.亿尔诺红外生物效应治疗仪[Z].哈尔滨亿尔诺医学科技有限公司,2014.
[11]柳先锋,余学飞,卢广文,等.基于PWM的热疗温度控制系统设计[J].医疗卫生装备,2008(7):13-15.
[12]邓娜.多功能慢性盆腔炎治疗仪的研制[D].天津:天津大学,2005.
[13]林宁.一种起重机控制柜温度监控系统设计[J].机电工程技术,2021,50(10):183-186.
[14]张海龙.基于DS18B20的单片机测温系统[J].电子制作,2016(21):25-27.
[15]邵珏熹.浅谈数字电位器的应用[J].科技风,2016(23):114.
[16]纪宗南.高精度的数字电位器X9C103[J].集成电路应用,1999(4):6-9.后台-系统设置-扩展变量-手机广告位-内容正文底部 -
本文标签：
基于STM32的多功能创面光疗仪控制系统设计论文
人参与 2025-02-06 11:46:38 分类 : 理学 点这评论 作者：团论文网 来源：https://www.tuanlunwen.com/
-
站内搜索
-
随机文章
-
标签列表
-
-
最近发表
-
-
热门文章 | 最新文章 | 随机文章
-
-
最新留言
-
首页 论文知识 教育论文 毕业论文 教学论文 经济学 管理学 职称论文 法学 理学 医学 社会学 物理学 文献 工程论文 学位论文 研究论文
Powered 团论文网 版权所有 备案号：鄂ICP备2022005557号统计代码
全站搜索