【正文】 rds： Semiconductor laser therapeutic apparatus Laser driver circuit DC power supply circuit MCU control III 目 錄 摘要 .......................................................... I Abstract ..................................................... II 第 1 章 緒論 ................................................... 1 課題背景 ............................................... 1 半導(dǎo)體激光治療儀的原理 ................................. 2 研究半導(dǎo)體激光治療儀的意義 ............................. 2 半導(dǎo)體激光治療儀的發(fā)展狀況 ............................ 4 第 2 章 半導(dǎo)體激光治療儀的設(shè)計要求 ............................. 5 半導(dǎo)體激光器的工作性質(zhì) ................................. 5 半導(dǎo)體激光器的結(jié)構(gòu)選擇 ................................. 5 半導(dǎo)體激光器的封裝 ................................. 6 半導(dǎo)體激光器的各項參數(shù) ............................. 6 硬件電路的設(shè)計要求 ..................................... 7 半導(dǎo)體激光器的驅(qū)動方式 ................................. 8 本章小結(jié) ............................................... 8 第 3 章 系統(tǒng)硬件電路的設(shè)計 ..................................... 9 總體方案的設(shè)計 ......................................... 9 智能控制系統(tǒng)的設(shè)計 ..................................... 9 電源管理系統(tǒng)的設(shè)計 .................................... 10 LTC4054 電池管理芯片的引腳介紹 ..................... 11 電源電池管理芯片的工作原理 ........................ 12 功率控制電路 .......................................... 13 穩(wěn)壓電路設(shè)計 .......................................... 14 驅(qū)動電路的設(shè)計 ....................................... 15 驅(qū)動電路的結(jié)構(gòu) .................................... 15 軟啟動電路的設(shè)計 .................................. 16 激光器驅(qū)動電路的設(shè)計 ............................. 17 操作系統(tǒng)的設(shè)計 ........................................ 18 按鍵電路設(shè)計 ...................................... 18 顯示屏和蜂鳴器的驅(qū)動電路設(shè)計 ..................... 19 復(fù)位電路的設(shè)計 ........................................ 20 本章小結(jié) .............................................. 21 第 4 章 系統(tǒng)的軟件設(shè)計 ........................................ 22 系統(tǒng)軟件開發(fā)工具 ...................................... 22 系統(tǒng)主程序的設(shè)計過程 .................................. 23 系 統(tǒng)的初始化程序 .................................. 24 IV 單片機系統(tǒng)的復(fù)位 ...................................24 中斷電路服務(wù) .......................................25 激光功率控制程序 ...................................25 系統(tǒng)測試 ..............................................26 本章小結(jié) ...............................................27 結(jié)論 ..........................................................28 參考文獻 ......................................................29 致謝 ..........................................................30 第 1 章 緒論 1 第 1章 緒論 課題背景 激光作為 20 世紀偉大的發(fā)明，已經(jīng)和半導(dǎo)體、原子能、計算機成為最重要的技術(shù)。畢業(yè)設(shè)計的任務(wù)就是設(shè)計一個基于 808nm和 980nm波長的半導(dǎo)體激光治療儀。該儀器可由直流適配器和鋰離子充電電池供電。之后。第一類激光生物效應(yīng)是激光診斷的依據(jù)，第二類激光生物效應(yīng)則是激光治療疾病的基礎(chǔ)。 雙波長的治療儀相比較傳統(tǒng)激光器和單波長激光器在治愈傷口上更快、更牢固、 更平整，是一種未來可觀治愈傷口的方法 [4]。當(dāng)高強度的激光作用于機體時，瞬時的高強度能量對病變組織起到治療作用 例如激光手術(shù)。 激光技術(shù)未普及之前，常用到的激光照射治療儀是 HeNe 激光治療儀。隨著現(xiàn)代半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展，激光的聚集方向統(tǒng)一、單色性高且相干性較高，光束質(zhì)量大大的提高 [8]。通過不斷地學(xué)習(xí)，參考其他激光儀器的性能和設(shè)計 ，完善本次治療儀的功能設(shè)計，使在解決相應(yīng)問題的基礎(chǔ)之上，讓半導(dǎo)體激光治療儀更加智能化。半導(dǎo)體激光器和其他激光器也有不同之處，半導(dǎo)體激光器產(chǎn)生激光的電子存在同一能量狀態(tài)下的不同能帶之間的，而普通激光器的電子分布在不同能級的有源介質(zhì)上 的，粒子反轉(zhuǎn)時，方式也不相同 （半導(dǎo)體激光器的激勵方式如表 21所示） 。不同結(jié)構(gòu)的 半導(dǎo)體激光器 控制方式 如表 22所示 。輸出光束圓形對稱，可以與光纖耦合，制成激光數(shù)組，可以考慮傳 輸巨大的信息。溫度升高，閾值電流增大，對輸出功率的影響較大，再設(shè)計過程中，對溫度的控制尤為重 要。致使半導(dǎo)體激光器 PN結(jié)的閾值電流增大，對輸出功率有影響，反 過來對半導(dǎo)體激光器有損壞。用 PD光電二極管監(jiān)視驅(qū)動電流，來使輸出功率穩(wěn)定。半導(dǎo)體激光治療儀因其便攜，安全，機型小，操作簡單，壽命長而被廣大市場接受。所以本次設(shè)計中的需要有個上述量 的轉(zhuǎn)化器?？梢圆捎眯吞枮?的鋰電池，電壓充電限制在 。所以設(shè)計電路時，要考慮采用穩(wěn)定的恒流源來供電。 (4) BAT:供給鋰電池電流。當(dāng) BAT 引腳電壓達到最終浮充電壓 ()時， LTC4054 進入恒定電壓模式，且充電電流開始減小。在這種狀態(tài)下，電池管 理芯片 通過觀察 BAT 的引腳電壓，來決定是否開始下一次的充電。當(dāng)充電停止時，CHRG 引腳為弱下拉狀態(tài)， P45 口將由 R11 拉至高電平，而 P46 將由 R12 拉至低電平。 I2C總線是由數(shù)據(jù)線 SDA 和時鐘 SCL 構(gòu)成的串行總線，可發(fā)送和接收數(shù)據(jù)。 IC 總線發(fā)出的數(shù)據(jù)，由時鐘來識別，同時也要讓它來控制完成各項功能，包括處理器中的檢測和調(diào)整。 CPU 通過發(fā)出信號來控制電路，也要選擇每個電路上的地址， 這取決于控制信號的地址碼和控制量。 該芯片由安森美半導(dǎo)體公司提供 ,當(dāng)電路中的電壓在 到 ，該芯片可以供給非常精確、穩(wěn)定、沒有干擾的電壓。 Q 1 2P N PR 1 4 1 5 0 K2 0D 1 0i nG N DE n a b l eo u t3 . 7 VC 1 10 . 1 u FR 1 3 1 5 0 K5 V 圖 37穩(wěn)壓電路原理圖 該電路的工作原理：本次設(shè)計的產(chǎn)品，提供的電源一方面來源于直流適配器，另一個來源為鋰電池。如果電路中有調(diào)頻控制器，則可以證明激光器是工作在脈沖輸出狀態(tài)中。 NCP551 的功能便在此。 軟啟動電路的設(shè)計 有前面分析可知，半導(dǎo)體激光治療儀對電路的穩(wěn)定性有很高的要求，其激光器的 PN結(jié)很脆弱，稍強的電壓電流或者反向電壓電流，都可能使其損壞，減少其使用 壽命。 根據(jù) 該公式，可以選擇合適的電阻值和電容，計算合適的軟啟動時間 。改器件造型獨特，運行方式是四運放的，有十四個引腳。 操作系統(tǒng)的設(shè)計 按鍵 電路設(shè)計 本次畢業(yè)設(shè)計的外觀較簡單，只需要 4 個按鍵，就能完成治療儀的全部功能 ,這四個按鍵 分別是：開鍵和關(guān)鍵以及功率鍵還有治療鍵。單片機的按鍵數(shù)目可多 也 可少， 鍵數(shù)的不同，單片機的結(jié)構(gòu)也不盡相同，單片機的按鍵功能依據(jù)研究有兩種結(jié)構(gòu)，它們是矩陣式結(jié)構(gòu)和獨立式結(jié)構(gòu)。單片機輸入端輸入有效的脈沖信號，當(dāng)單片機遇到該信號的下降 沿時，即按鍵功能開始實現(xiàn)。蜂鳴器在治療儀多種狀態(tài)，即實現(xiàn)多種功能時，都可以發(fā)出鳴聲，以提示當(dāng)前治療儀所處的狀態(tài)。若 VCC 給出低電平，二極管導(dǎo)通，并且開 始發(fā)光。其中 中心元器件 — 單片機，因為體積小，消耗能量少，常常用在方便攜帶的物品和鋰電池提供電能的場合中。對于復(fù)雜的程序，它有一個屏幕編輯器，結(jié)合仿真工具 SM+，可以很順利 快速 的 仿真。去尋找相應(yīng)的含有程序的文件，開始對其編輯，譯碼，仿真。假如，系統(tǒng)進入預(yù)關(guān)閉狀態(tài)，也就意味著系統(tǒng)治療時間結(jié)束，蜂鳴器開始發(fā)出聲響，也就是告訴用戶半導(dǎo)體激光治療儀將要關(guān)機。給系統(tǒng)初始化的程序詳細見附錄。AN11 在 AD 輸入模式下，可以采集電池的電壓。 其中看門狗計數(shù)器模式寄存器的代碼為 WDTM，看門狗定時器使能寄存器的代碼為 WDTE,看門狗計數(shù)器也就包含上述兩種配置。在此種模式中，占空比和周期脈沖隨意輸出，輸出 TOH1 的周期和占空比分別由 CMP01 和 CMP11 來控制，兩者均為比較寄存器。若在測試中出現(xiàn)問題，則可以通過測量電壓或者測量信號的方法。 980nm 的激光輸出功率誤差小于 毫瓦， 808nm 的激光輸出功。 利用北京 光電技術(shù)研究所研制的 147 型激光功率計對系統(tǒng)輸出功率進行功率穩(wěn)定性測試。若比較寄存器 01 的數(shù)值是 N，假設(shè)寄存器 11 的數(shù)值是 M，計數(shù)器的時鐘為 F，則定時器 H1 在 PWM 輸出模式下的周期和占空比為： PWM 脈沖輸出周期 =(N+1)/f 占空比 =有效寬度： PWM 的總寬度 =(M+1):(N+1) 在本論文中，假設(shè)比較寄存器 CMP01 為二百五十六，其中時鐘 的頻率為 8 兆赫茲。本次設(shè)計因為功能較簡單，只用到了其中的兩個，即 INTP1 中斷和中斷 INTT80。 單片機系統(tǒng)的復(fù)位 單片機系統(tǒng)的復(fù)位包括包括包括內(nèi)部復(fù)位和外部復(fù)位，且當(dāng)系統(tǒng)開始復(fù)位時，所有的第 4 章 系統(tǒng)的 軟件 設(shè)計 25 程序都要從頭開始運行。本次設(shè)計中的單片機比較獨特，有的軟件可以幫助硬件系統(tǒng)完成部分的工作，這就給系統(tǒng)內(nèi)騰出更多的空間，減少了不必要的器件。 如果用戶開啟了某項功能即按下了某一個鍵或者中止半導(dǎo)體激光治療儀的某項功能 時，系統(tǒng)會自動識別當(dāng)前的狀態(tài)來決定下一步可以怎么走。 第 4 章 系統(tǒng)的 軟件 設(shè)計 23 圖 42 APPLILET2芯片開發(fā)的界面 本次設(shè)計是先按著模塊來完成各個部分， 各個模塊分別包括單片機內(nèi)軟件與硬件資源的初始化、電池管理程序、按鍵掃描、 LED 和蜂鳴器驅(qū)動程序以及功率控制程序等部分。本次設(shè)計中用到了 單片機 UPD78F9234。開發(fā)該型號單片機的工具 有兩種，分別為 APPLILET2 以及 PM+。 可以看出 VCC 的變化決定二極管的是否導(dǎo)通。在原理圖中， Q20 表示的三極管起重要作用，給予 23 處的位置一個高電平電壓，此時，該三極管處于飽和， Q20 已導(dǎo)通，蜂鳴器發(fā)出聲音。因此，該設(shè)計的 電路不用添加額外的上拉電阻，將其直接與單片機的數(shù)據(jù)輸入輸出端相連。這樣可以減少 單片機的 資源，節(jié)省輸入輸出端口。關(guān)鍵在治療儀打開狀態(tài)時，實現(xiàn)關(guān)閉治療儀的作用，治療儀在關(guān)閉狀態(tài)，此鍵無效。 因為該系統(tǒng)可以通過控制電流來達到控制激光器輸出功率的目的，該驅(qū)動可以采用VAR30，該器件為精密電位器，為內(nèi)部重要器件，可以調(diào)整輸出電流，實現(xiàn)相應(yīng)的功能