【正文】 的國家。此后歷代的醫(yī)藥典籍上都有這方面的豐富資料。到目前為止，在利用磁場治?。ù暖煟┖痛艌雎樽恚ù怕椋┓矫妫覈€是處于世界的領(lǐng)先地位。地球上的生物是在地球磁場 ( 很弱，約 )的作用下生存和發(fā)展的，且已適應(yīng)地磁并把它作為正常生活條件的一部份，如同地球上的溫度、氣壓等。 磁場的生物效應(yīng)是近二、三十年才逐漸受到人們的重視。長期以來，由于低頻率的電磁場 (50Hz～ 60Hz)對組織不產(chǎn)生熱效應(yīng)和可感知的物理或化學反應(yīng)，因此人們一直認為這種電磁場對生物體沒有任何生物學效應(yīng) [2]。這些效應(yīng)大多是暫時性功能性變化，但經(jīng)過 3年～ 5年也有產(chǎn)生不可逆的器質(zhì)變化。盡管這一重要的流行病學研究在當時被認為缺乏精確的電磁場強度和病例收集，但仍然引起了強烈反響。這些情況使有關(guān)學者開始關(guān)注磁場的生物效應(yīng)。 外加磁場對生物的影響，屬于磁場生物 效用，而生物自身的磁場屬于生物此現(xiàn)象，兩者雖都是生物磁學研究的內(nèi)容，但它們屬于兩個不同的領(lǐng)域。 西安工業(yè)大學畢業(yè)設(shè)計（論文） 2 課題研究意義 生物的磁效應(yīng)，已經(jīng)是不爭的事實。由于過去積累了不少資料，現(xiàn)代物理學、磁學和生物學的迅速發(fā)展，使生物磁學的研究范圍不斷擴大，加以當代工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、醫(yī)藥衛(wèi)生、環(huán)境保護、宇宙航行等的現(xiàn)實需求，要求研究和應(yīng)用磁場對生物和人體的影響，生物磁性與生物結(jié)構(gòu)和功能之間的關(guān)系。既有現(xiàn)實的需要，又有各方面的可能，以至推動了近幾十年來生物磁學這門邊緣學科不斷地又簡單到復雜，由現(xiàn)象到本質(zhì)，由宏觀到微觀的深入發(fā)展。對于這些生物磁場的研究，將有助于闡明生物活動中的一些生理和病理現(xiàn)象；生物的不同組織器官具有不同的磁性，這一方面與組織器官的組成和結(jié)構(gòu)有關(guān)，另一方面也與其生理和病理狀態(tài)有關(guān)。 磁在醫(yī)療上的應(yīng)用已經(jīng)有不少，在農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用也有所聞，一些成功單位事例，顯示出生物磁效應(yīng)的美好應(yīng)用前景，當然，旋轉(zhuǎn)磁場的生物效應(yīng)也包括在內(nèi)，并且也取得了一定的成就。 要研究旋轉(zhuǎn)磁場的生物效應(yīng)，就必須有能產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場的儀器，產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場的方法多種多樣。為了克服其轉(zhuǎn)速不穩(wěn)等，本課題利用步進電機轉(zhuǎn)速的高精確穩(wěn)定性和單片機的強大控制及邏輯運算能力，研制具有高精確穩(wěn)定性旋轉(zhuǎn)磁場。目前已有實驗研究了其對于血細胞 [5]和血液流變學、組織愈合、酶和自由基、血糖及組織細胞 [6]、膽汁、損傷康復、骨 [7]、桿菌生長 [8]等方面的影響。該結(jié)果表示 (7Hz)旋轉(zhuǎn)永磁場具有一定生理活性，有助于提高人體健康水平。 西安工業(yè)大學畢業(yè)設(shè)計（論文） 3 [12]：①對血細胞的影響：于玲娜等應(yīng)用磁感應(yīng)強度 ～ 的旋磁作用于試管內(nèi)的離體血液實驗中發(fā)現(xiàn)，白細胞在旋轉(zhuǎn)磁場作用下，產(chǎn)生應(yīng)激反應(yīng)，使細胞代謝加強，部分細胞發(fā)生超微結(jié)構(gòu)的改變，也可能是引起白細胞減少的原因之一。趙立等報告，應(yīng)用磁感應(yīng)強度為 、外關(guān)、少商、合谷、曲池、足三里等穴位，治療類風濕性關(guān)節(jié)炎 61例 [14]， 發(fā)現(xiàn)全血粘度、全血還原粘度、血細胞壓積等血液流變學指標均有下降。 ：經(jīng)梁應(yīng)權(quán) [15]、常漢英 [16]、續(xù)力民 [17]、王萬春 [18]等研究表明，磁場不僅對軟組織的損傷可以加快其愈合，而且對硬質(zhì)組織的骨折也可以促進其愈合。 [19]：①對酶的影響：夏緒剛等應(yīng)用旋轉(zhuǎn)時磁感應(yīng)強度為 20分鐘，觀察大鼠缺血再灌注大鼠磷脂酶 A2(PLA2)和內(nèi)皮素 ( ET)含量的影響，實驗結(jié)果表明，旋磁場有抑制磷脂酶 A2的活性與減低內(nèi)皮素含量的作用，對于腦缺血再灌注損傷有防治功效；②對自由基的影響 [20]：關(guān)于磁場對自由基的影響，國內(nèi)的研究結(jié)果表明，磁場具有清除自由基的作用 [11]。因而步進電機的轉(zhuǎn)數(shù)決定旋轉(zhuǎn)磁場的旋轉(zhuǎn)頻率，永久磁場的強弱決定旋轉(zhuǎn)磁場的強度 [21]。液晶顯示器可以實時監(jiān)控步進電機的狀態(tài)；并通過串口實現(xiàn)與計算機的實時通信。具體的設(shè)計內(nèi)容包括一下幾個方面： （ 1） 明確系統(tǒng)功能要求，完成系統(tǒng)功能模塊的劃分； （ 2） 在系統(tǒng)需求及設(shè)計指標的要求下，對整個系統(tǒng)功能的實現(xiàn)提出具體的設(shè)計 方案； （ 3） 完成系統(tǒng)的硬件原理設(shè)計、軟件設(shè)計及 PCB設(shè)計； 西安工業(yè)大學畢業(yè)設(shè)計（論文） 4 （ 4） 基于 PROTEUS及 KEILC51 軟件完成系統(tǒng)仿真。 本章小結(jié) 對本課題有了初步的了解，明白其要實現(xiàn)的功能。 2 系統(tǒng)控制及所用軟件概述 5 2 系統(tǒng)控制及所用軟件概述 步進電機概述 步進電機的定義 步進電機指的是以數(shù)字脈沖信號作為電機線或教位移的控制信號，并以數(shù)字脈沖頻率對電機的轉(zhuǎn)速進行控制的動力控制系統(tǒng)。電機的運行角度只和每次所給予的脈沖信號強度有關(guān)，而電機的運行速度也只和脈沖信號的頻率有直接關(guān)系。 步進電機運行原理概述 慢速同步電動機是感應(yīng)子式步進電機的別稱。打個比方：以相序四，節(jié)拍為八來運轉(zhuǎn)(AABBBCCCDDDAA)也能夠使用兩相八拍的運轉(zhuǎn)模式。一個二相電機的內(nèi)部繞組和四相的全部一樣，在實際使用中，相序 為二相的基本為功率較小的電機，而功率大一點的電機，為了充分應(yīng)用其靈活的動態(tài)特性，通常用八根接線對其進行連接通電，這樣應(yīng)用的好處是：電機不但能以四相應(yīng)用，也能二相應(yīng)用，大大提高了其利用率。因此在理論上我們可以制造出任何相序的步進電動機，但是由于制造工藝、制造價格等多方面因素限制，市場上一般售賣的步進電動機相序以二至五相的居多。按照機座號可 分為：42BYG、 57BYG、 86BYG、 110BYG (國際標準 )。 步進電機驅(qū)動的常用方式 使用變頻器對步進電機進行驅(qū)動控制時，可以很好的解決步進電機在啟動和停止時容易失步的問題，提高了系統(tǒng)的控制精度。 西安工業(yè)大學畢業(yè)設(shè)計（論文） 6 使用 ABB、西門子、歐姆龍等國際知名 PLC生產(chǎn)制造商研發(fā)的系列 PLC產(chǎn)品可以實現(xiàn)對步進電機的理想化控制，但是基于 PLC核心的步進電機控制系統(tǒng) 成本高昂，且難以實現(xiàn)精確控制，在本系統(tǒng)中不太適合。這些優(yōu)勢使得單片機在各行各業(yè)的應(yīng)用都達到了一個新的高度。 PROTEUS軟件簡介 英國 Lab center electronics 公司研發(fā)的 Proteus ISIS[24]軟件一款用于電子分析和系統(tǒng)仿真的軟件。它是目前最好的仿真單片機及外圍器件的工具。它可以對數(shù)字、模擬電路和嵌入式開發(fā)系統(tǒng)進行硬件和軟件仿真且基于 Windows平臺，其特性包括以下幾方面 [25]： 。 。 PCB繪制功能于一身，對電路系統(tǒng)完成原理圖設(shè)計后可直接進行印刷 電路板的繪制。支持編譯和調(diào)試環(huán)境軟件 KEILC51與其的完美結(jié)合。 KEILC51軟件簡介 KEILC51 是 美國 KEIL Software公司出品的 51 系列兼容 單片機 C語言軟件開發(fā)系統(tǒng)，與匯編相比， C 語言在功能上、結(jié)構(gòu)性、可讀性、可維護性上有明顯的優(yōu)勢，因而易學易用。且使用 KEILC51進行軟件開發(fā)時，生成語句快，代碼緊湊，簡單易懂。 西安工業(yè)大學畢業(yè)設(shè)計（論文） 7 KEILC51 提供了包括 C 編譯器 、宏匯編、連接器、庫管理和一個功能強大的仿真調(diào)試器等在內(nèi)的完整開發(fā)方案，通過一個 集成開發(fā)環(huán)境 將這些部分組合在一起。 本章小結(jié) 通過查閱步進電機相關(guān)資料，了解了步進電機的運行原理及控制方式，并確定了本課題的控制方式。并查閱軟件資料，學習了相關(guān)軟件，為后續(xù)設(shè)計的開展打下了基礎(chǔ)。 硬件設(shè)計上釆用 AT89C51單片機為控制核心，結(jié)合外圍電路的擴展和通訊實現(xiàn)電路結(jié)構(gòu)的搭建，在軟件設(shè)計上采用 C語言進行程序模塊的編制 [24]，根據(jù)系統(tǒng)需實現(xiàn)的功能按照模塊程序流程的編制思想，對系 統(tǒng)進行軟件編程，整個系統(tǒng)以軟件結(jié)合硬件的設(shè)計思路組建，通過電路原理圖的繪制、 PCB 電路板的搭建和系統(tǒng)仿真等一系列步驟，完成對系統(tǒng)的研究和應(yīng)用設(shè)計，該系統(tǒng)的硬件和軟件仿真可在 WINDOWS環(huán)境下進行，在實際調(diào)試的過程中，可以根據(jù)程序模塊的實際需求進行擴展和修改，并實現(xiàn)即時的更新功能。考慮到本系統(tǒng)的設(shè)計是基于畢業(yè)設(shè)計的，因此在設(shè)計中以畢業(yè)設(shè)計任務(wù)書要求為準。 。具體來說，應(yīng)該盡量采用典型的電路模塊，以適應(yīng)大規(guī)模生產(chǎn)研發(fā)的要求，同時，本系統(tǒng)需要在 PROTEUS仿真平臺下進行預測試，因此，在電路設(shè)計時要考慮到仿真元件的可移植性，以便于進行系統(tǒng)硬件仿真。軟件程序的編制要根據(jù)硬件電路的功能來進行，盡量采用模塊化程序編制的方式進行，層次結(jié)構(gòu)需要清晰可調(diào)，同時需要具備與上位機的通訊功能，程序也要具備良好的可移植性，保持嚴謹?shù)能浖_發(fā)框架?？紤]到系統(tǒng)在設(shè)計完成之后需要出實物，因此需要完成對系統(tǒng) PCB 電路板的繪制。在系統(tǒng)設(shè)計完成之后，需要對其進行仿真，以驗證系統(tǒng)的可行性和穩(wěn)定性。 系統(tǒng)功能概述 本系統(tǒng)基于畢業(yè)設(shè)計任務(wù)書要求，需要產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場，將磁場強度不同的永久磁條，通過固定架固定在步進電機的轉(zhuǎn)軸上，當步進電機轉(zhuǎn)動時，其永久磁鐵產(chǎn)生的磁場也跟著旋轉(zhuǎn)，從而產(chǎn)生旋 轉(zhuǎn)的磁場。具體一點說就是，本系統(tǒng)利用 AT89S51單片機強大的控制功能，產(chǎn)生一定頻率的脈沖序列精確控制功率 ULN2020A驅(qū)動芯片，從而控制步進電機的轉(zhuǎn)速，以控制旋轉(zhuǎn)磁場的頻率；鍵盤可控制步進電機的停止、正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、加速和減速。在綜合考慮系統(tǒng)設(shè)計等各方面因素后明確系統(tǒng)應(yīng)具備如下功能： 硬件部分： (1)單片機和步進電機運行所需的平穩(wěn)電壓； (2)液晶顯示模塊； (3)控制步進電機運行狀態(tài)的鍵盤； (4)時鐘電路與復位電路； (5)步進電機運行的驅(qū)動和功率放大電路設(shè)計； （ 6） 串口通訊模塊； （ 7） 外擴程序存儲模塊； （ 8） 用 PROTEUS對整個系統(tǒng)進行硬件設(shè)計、仿真和對系統(tǒng)輸出進行測試。 系統(tǒng)原 理概述 本系統(tǒng)以 AT89C51單片機作為核心，通過外部擴展其他硬件完成對步進電機運行狀態(tài)的顯示。 ， ， ， 四個引腳分別和與非門芯片 7404 的輸入端相連用于擴展步進電機運行的驅(qū)動控制芯片 ULN2020A。 P2 口連接 AMPIRE128*64液晶顯示模塊的 DB0DB7，用于單片機和液晶顯示模塊的數(shù)據(jù)傳輸， ， ， 分別與 AMPIRE128*64 液晶顯示模塊的 RS， R/W， E相連完成數(shù)據(jù)的顯示，具體來說： R/W為讀寫信號線， RS 為數(shù)據(jù)指令選擇端， E端為使能端子。 ， 分別與液晶顯示模塊的 CS1 (左半屏片選端 )和 CS2 (右半屏片選端 )相連用于對液品模塊的顯示 進行編程設(shè)置。 COM端連接 +12V電源用于對其工作進行供電。 系統(tǒng)總體硬件框圖 本設(shè)計以 AT89C51單片機芯片作為核心，利用 AT89S51單片機強大的控制功能，產(chǎn)生一定頻率的脈沖序列精確控制功率 ULN2020A驅(qū)動芯片，從而控制步進電機的轉(zhuǎn)速，以控制旋轉(zhuǎn)磁場的頻率；鍵盤可控制步進電機的停止、正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、加速 和減速。因此可總結(jié)系統(tǒng)框圖如下所示： 西安工業(yè)大學畢業(yè)設(shè)計（論文） 10 圖 系統(tǒng)總體硬件框圖 本章小結(jié) 根據(jù)任務(wù)書要求，通過了解確定該課題所要研究的內(nèi)容、系統(tǒng)所要實現(xiàn)的功能，以及明白本系統(tǒng)的原理。 A T89S51 單片機 鍵盤模塊 液 晶顯示模塊 晶振模塊 外擴存儲模塊 驅(qū)動模塊 串口模塊 PC 步進電機 4 系統(tǒng)硬件部分設(shè)計 11 4 系統(tǒng)硬件部分設(shè)計 系統(tǒng)硬件設(shè)計說明 首先，在系統(tǒng)核心控制芯片的選擇上，我們釆用 AT89C51 單片機。內(nèi)部包含 256字節(jié) RAM， 4個 8位并行 I/O口，多個中斷源， 2個中斷優(yōu)先級， 2個定時計數(shù)器，因此， 89C51單片機是一種功能強大，速度快速，靈活性高而且價格便宜的控制芯片 [27]。根據(jù)上文所述的硬件典型電路模塊的設(shè)計方案，我們在本系統(tǒng)的設(shè)計中采用集成達林頓管 ICULN2020A作為系統(tǒng)的功率驅(qū)動芯片，該芯片是目前步進電機控制系統(tǒng)中驅(qū)動電機運行最常見的芯片，符合我們典型電路模塊設(shè)計的要求。在設(shè)計中采用 5個獨立按鍵完成對系統(tǒng)步進電機運行的控制。在實際編程時，我們采用 按鍵掃描的方式進行按鍵程序的編寫。系統(tǒng)設(shè)計需要解決實時監(jiān)控的問題，同時需要建立可操作的人機通訊液晶顯示界面，本系統(tǒng)的液晶顯示模塊采用了能夠顯示中文字庫的液晶顯示器件 AMPIRE128*64。其內(nèi)部含有容量為 4K的 PEROM和存儲空間為 128比特的 RAM，并且還有通用的 8位中央處理器 (CPU)以及 Flash存 儲單元。由此可見， AT89C51 單片機的功能比其他同類別的單片機強，可應(yīng)用場合多，性價比高，可靈活應(yīng)用于生活生產(chǎn)等各種控制領(lǐng)域 [28]。 的控制功能主要有 [29]： 4k 大小的 Flash 高速存儲器， 128 字節(jié)內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲器， 32 個 I/O數(shù)據(jù)口， 2個 16 位定時 /計數(shù)器，一個中斷構(gòu)造，一個全雙工串行通信口，內(nèi)部集成振蕩器和時鐘電路。在停止 CPU工作的狀態(tài)下可選擇空閑模式，然而 RAM，定時 /計數(shù)器，串行通信口和中斷系統(tǒng)的工作不受空閑模式的影響、 RAM 中的數(shù)據(jù)不會 因掉電方式而丟失，直到下一個硬件復位時振蕩器才繼續(xù)開始工作。當 P0口的管腳第一次寫 1時，被定義為 高阻 輸入。在 FIASH