CN113134155A - 透皮弥散术皮肤治疗仪 - Google Patents
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Abstract
本发明提出了一种透皮弥散术皮肤治疗仪，包括控制器、信号发生器、驱动器、功率放大器、阻抗匹配器、换能器、电流采样电路、电压采样电路、电流过零比较电路、电压过零比较电路、D触发器及与门。本发明将对换能器输入信号的采样电压、采样电流信号整定成为方波信号，送到D触发器和与门，得到反映电压电流超前或滞后关系的信号以及体现相位差的脉宽信号，根据脉宽信号的占空比大小和电压电流超前或滞后关系，通过模糊运算产生信号发生器频率增量，实现高精度的频率跟踪控制，减小了计算量，有利于减小控制周期，提高频率跟踪精度。
Description
技术领域
本发明涉及皮肤治疗仪技术领域，尤其涉及一种透皮弥散术皮肤治疗仪。
背景技术
透皮弥散术皮肤治疗仪采用离子雾化技术，利用超声共振改变分子结构，释放大量离子为敏感肌肤提高表皮活细胞的含氧量，促进表皮层的再生，同时离子与雾化结合后能更好的将谁和其它营养介质结合，快速缓解皮肤的过敏现象，深层补水补脂，修复皮肤的屏障功能。其中，治疗仪需要通过超声波发生器提供与换能器固有频率一致的交变电能，激发换能器产生共振并向外辐射超声波。在透皮弥散术皮肤治疗仪使用过程中，为了使换能器高效率的工作，不但要求发生器提供的电能有足够的功率，而且要求其频率与换能器的谐振频率一致，但换能器的谐振频率会由于发热、负载变化、老化等原因发生改变，如不及时调整发生器的振荡频率，换能器的状态就会改变，轻则效率下降，重则停止振动，因此发生器应该具有自动调节频率的性能，即自动频率跟踪。
传统透皮弥散术皮肤治疗仪中，通过检测换能器输入电流和电压的相位差实现自动频率跟踪，但仅能检测到电流和电压的超前或滞后关系，无法准确得到频率增量，仅能通过多次频率调节使发生器的频率尽量靠近换能器的谐振频率，频率跟踪的精度低。
发明内容
有鉴于此，本发明提出了一种透皮弥散术皮肤治疗仪，以解决传统透皮弥散术皮肤治疗仪仅能检测换能器输入电流电压的超前或滞后关系而导致频率跟踪精度低的问题。
本发明的技术方案是这样实现的：一种透皮弥散术皮肤治疗仪，包括控制器、信号发生器、驱动器、功率放大器、阻抗匹配器、换能器、电流采样电路、电压采样电路、电流过零比较电路、电压过零比较电路、D触发器及与门；
控制器连接信号发生器的输入端，用于控制信号发生器产生正弦信号并将正弦信号转化为方波信号，信号发生器的输出端依次经驱动器、功率放大器、阻抗匹配器连接换能器；
功率放大器的输出端依次经电流采样电路、电流过零比较电路分别连接D触发器及与门的输入，电流过零比较电路用于对电流采样电路的输出进行过零检测并转化为方波信号；
功率放大器的输出端还依次经电压采样电路、电压过零比较电路分别连接D触发器及与门的另一输入，电压过零比较电路用于对电压采样电路的输出进行过零检测并转化为方波信号；
D触发器及与门的输出端分别连接控制器，控制器还用于根据D触发器及与门的输出进行模糊运算得到信号发生器的频率增量，根据频率增量调整信号发生器的输出频率。
可选的，电流过零比较电路包括第一过零比较器及非门U2A，电压过零比较电路包括第二过零比较器及非门U2B，D触发器包括CD4013芯片；
电流采样电路的输出端连接第一过零比较器的同相端，第一过零比较器的反相端接地，第一过零比较器的输出端经非门U2A分别连接CD4013芯片的D引脚和与门的输入；电压采样电路的输出端连接第二过零比较器的同相端，第二过零比较器的反相端接地，第二过零比较器的输出端经非门U2B分别连接CD4013芯片的CLK引脚和与门的另一输入；CD4013芯片的Q引脚连接控制器。
可选的，阻抗匹配器包括电感L2，功率放大器的输出端一极经串联的电感L2连接换能器输入端的一极，功率放大器的输出端另一极连接换能器输入端的另一极。
可选的，阻抗匹配器还包括电容C2，电容C2串联在电感L2与换能器输入端之间。
可选的，阻抗匹配器还包括变容二极管C3、电阻R2～R4、热敏电阻Rt1～Rt2；
变容二极管C3串联在电容C2与换能器输入端之间且变容二极管C3的正极连接电容C2，外部电压源依次经串联的电阻R2、电阻R3、热敏电阻Rt2、电阻R4连接电阻R的正极，电阻R3、热敏电阻Rt2的公共端连接变容二极管C3的负极，热敏电阻Rt1与电阻R3并联。
可选的，信号发生器包括AD9833芯片、低通滤波器及放大比较器；
控制器的3个IO口分别连接AD9833芯片的SCLK、SDATA、FSYNC引脚，AD9833芯片的的VOUT引脚依次经低通滤波器、放大比较器连接驱动器的输入端。
可选的，低通滤波器由4个π型LC低通滤波器级联构成。
可选的，LC低通滤波器中的电容电感参数由1.15fc计算得到，fc为低通滤波器的设计截止频率。
本发明的相对于现有技术具有以下有益效果：
(1)将对换能器输入信号的采样电压、采样电流信号整定成为方波信号，送到D触发器和与门，得到反映电压电流超前或滞后关系的信号以及体现相位差的脉宽信号，根据脉宽信号的占空比大小和电压电流超前或滞后关系，通过模糊运算产生信号发生器频率增量，实现高精度的频率跟踪控制，减小了计算量，有利于减小控制周期，提高频率跟踪精度；
(2)通过修正后的截止频率选择LC低通滤波器中的电容电感参数，修正后的截止频率大于设计截止频率，便可使低通滤波器的实际截止频率保持在所需要的设计截止频率；
(3)阻抗匹配器中，当换能器温度变化时，其电参数改变，引起的匹配电路感性改变，同时热敏电阻阻值也随之改变，并控制变容二极管的反向偏压，改变其电容量，补偿匹配电路的感性改变，则匹配电路总电抗改变为0，达到稳定匹配的目的。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明的透皮弥散术皮肤治疗仪的结构框图；
图2为本发明的驱动器及功率放大器的电路图；
图3为本发明的信号发生器的电路图；
图4为本发明的电流过零比较电路、电压过零比较电路、D触发器及与门的电路图；
图5为本发明的阻抗匹配器的电路图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施方式，对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式仅仅是本发明一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。
如图1所示，本实施例的透皮弥散术皮肤治疗仪包括控制器、信号发生器、驱动器、功率放大器、阻抗匹配器、换能器、电流采样电路、电压采样电路、电流过零比较电路、电压过零比较电路、D触发器及与门。控制器连接信号发生器的输入端，用于控制信号发生器产生正弦信号并将正弦信号转化为方波信号，信号发生器的输出端依次经驱动器、功率放大器、阻抗匹配器连接换能器。功率放大器的输出端依次经电流采样电路、电流过零比较电路分别连接D触发器及与门的输入，电流过零比较电路用于对电流采样电路的输出进行过零检测并转化为方波信号。功率放大器的输出端还依次经电压采样电路、电压过零比较电路分别连接D触发器及与门的另一输入，电压过零比较电路用于对电压采样电路的输出进行过零检测并转化为方波信号。D触发器及与门的输出端分别连接控制器，控制器还用于根据D触发器及与门的输出进行模糊运算得到信号发生器的频率增量，根据频率增量调整信号发生器的输出频率。
本实施例的控制器优选为89C52单片机。驱动器及功率放大器的具体电路如图2所示，图中的激励为信号发生器输出的方波信号，驱动器及功率放大器的具体电路原理较为常见，在此不再赘述。
如图3所示，本实施例的信号发生器包括AD9833芯片、低通滤波器及放大比较器。89C52单片机的3个IO口P3.4、P3.5、P3.6分别连接AD9833芯片的SCLK、SDATA、FSYNC引脚，AD9833芯片的VOUT引脚依次经低通滤波器、放大比较器连接驱动器的输入端。其中，低通滤波器用来滤除高于截止频率的信号谐波成分和干扰信号，低通滤波器由4个π型LC低通滤波器级联构成。本实施例由于采用了4个π型LC低通滤波器级联，随着滤波器节数的增加，实际的截止频率会下降，则选择LC低通滤波器中的电容电感参数由1.15fc计算得到，fc为低通滤波器的设计截止频率。1.15为修正系数，修正后的截止频率大于设计截止频率，通过修正后的截止频率计算LC低通滤波器中的电容电感参数，便可使低通滤波器的实际截止频率保持在所需要的设计截止频率。AD9833芯片输出的正弦波信号经测量其峰值很小，经滤波后更小，为了得到TTL电平，必须经过放大比较器。放大比较器包括放大器及比较器，放大器采用运放LM318构成的同相放大器，放大倍数可调；比较器由LM311及多个电阻构成。
如图4所示，本实施例的电流过零比较电路包括第一过零比较器及非门U2A，电压过零比较电路包括第二过零比较器及非门U2B，D触发器包括CD4013芯片。电流采样电路的输出端连接第一过零比较器的同相端，第一过零比较器的反相端接地，第一过零比较器的输出端经非门U2A分别连接CD4013芯片的D引脚和与门的输入；电压采样电路的输出端连接第二过零比较器的同相端，第二过零比较器的反相端接地，第二过零比较器的输出端经非门U2B分别连接CD4013芯片的CLK引脚和与门的另一输入；CD4013芯片的Q引脚连接控制器。本实施例的功率放大器采用变压器隔离输出，则电流采样电路可为电流传感器，电流传感器的原边接入变压器副边通路中，电流传感器的副边接采样电阻将电流信号转化为电压信号。同理，电压采样电路可直接采用电压互感器，进一步可通过电阻分压降压。本实施例中，当换能器谐振频率与信号发生器相匹配时，其输出特性相当于一个纯阻，此时的电压电流是同相位，一旦换能器频率变化，则电压与电流就会有一个相位差。第一过零比较器及第二过零比较器均由运放LM311及多个电阻构成，两个运放LM311组成两个过零比较器，将输入的同频率的采样电压、采样电流信号整定成为方波信号，这两个方波信号，送到D触发器，输出电平为C。若电压超前电流，则C为逻辑0；若电流超前电压，则C为逻辑“1”。电平C送至单片机89C52，作为控制时增加或减小频率的依据。两个方波信号同时也输入到与门，得到体现相位差的脉宽信号，若电压和电流同相，则该脉宽信号的占空比为50％；如果存在相位差，则该脉宽信号的占空比必然小于为50％。而这个占空比即成为单片机控制输出频率增加或减小频率量的依据。这样，控制器通过不断扫描信号C和D，根据D信号的占空比大小和电流的超前或滞后关系(由电平C来判断)，通过模糊运算产生信号发生器频率增量，最后通过SPI接口将数字频率信号写入AD9833的频率寄存器，实现高精度的频率跟踪控制。具体过程如下：将表示相位差大小的信号D同时连接到89C52的外部中断引脚INT0和INT1引脚，在D信号的上升沿引发一外部中断，将定时器TMR1清0并开始计数，同时INT1捕捉D信号下降沿并通过中断读取此时TMR1内容，便可得到D的脉冲宽度。由于信号周期是是已知的，因此很容易求得D信号占空比，此时，根据D信号的占空比大小和电压电流超前或滞后关系(由信号C来判断)决定以多大步长来增加或减小频率。以D信号的占空比为输入量，频率增量为输出量，并参考电平C的状态，构造一单输入单输出的模糊控制器，用模糊推理方法离线运算得到控制表，存放于89C52的片内EPROM中，运行时直接读取表中的频率增量，和原有频率数据相加后，通过SPI接口写入到AD9834的频率寄存器中，减小了计算量，有利于减小控制周期，提高频率跟踪精度。
综上，本实施例中单片机通过对AD9833的三总线串行数据接口SCLK、SDATA、FSYNC进行操作，使AD9833首先输出频谱纯净的正弦信号，然后输出经外部低通滤波、放大、比较后，得到稳定性很好的方波信号，此信号被送入功率放大器的驱动电路，通过功放及阻抗匹配器控制换能器工作。另外在皮肤治疗仪整个工作过程中，为了适时检测换能器频率的变换，需要同时采集加在匹配电路上的电压、电流信号，这两个信号经过相位检测将检测结果送入单片机，单片机通过模糊运算产生发生器频率增量，最后通过SPI接口将数字频率信号写入DDS芯片的频率寄存器，实现高精度的频率跟踪控制。
如图5所示，本实施例的阻抗匹配器包括电感L2，功率放大器的输出端一极经串联的电感L2连接换能器输入端的一极，功率放大器的输出端另一极连接换能器输入端的另一极。若仅通过电感L2进行阻抗匹配，设该匹配电路的总阻抗为：Ze＝Re+jXe。理想匹配条件为
式中
为换能器的串联角频率，L为电感L2的电感值，C0为静态电容，L1、C1和R1分别为换能器的动态电感、电容和电阻，在其共振频率附近，串联分支中仅剩下电阻分量。因此调整L的值可以实现理想的静态匹配。
容易想到，仅通过电感L2进行阻抗匹配，当换能器的频率发生漂移时，只有同时改变信号发生器输出的电信号频率和匹配电感L2的电感值，才能使换能器的串联支路和匹配回路都重新谐振于新的串联谐振频率上。而通常的频率跟踪，无论是手动还是自动，都只能调节激励信号的频率，并不改变匹配电感。这样，整个系统虽然恢复谐振，但是串联支路却并不谐振，不支持频率跟踪。因此，本实施例进一步优选阻抗匹配器还包括电容C2，电容C2串联在电感L2与换能器输入端之间。此时该匹配电路的的总阻抗为：
电路的理想匹配条件为：
若C2远小于C0，则
当L1和C1不变，R1或C0变化时，只要合理选择C2和L的值，Xe几乎不随C0或R1变化。将
代入，得到
当C1或L1增大时上式小于0，Xe呈容性改变，但其值还要乘上一个系数
因而容性变化幅度要小一些。当C1或L1减小时上式大于0，Xe呈感性改变，但其值还要乘上一个随之增大的系数
因而感性变化幅度要大一些。
本实施例中，影响电匹配的主要因素是C1和L1，并且引起的感性改变要远大于容性变化。从而本实施例优选阻抗匹配器还包括变容二极管C3、电阻R2～R4、热敏电阻Rt1～Rt2。变容二极管C3串联在电容C2与换能器输入端之间且变容二极管C3的正极连接电容C2，外部电压源依次经串联的电阻R2、电阻R3、热敏电阻Rt2、电阻R4连接电阻R的正极，电阻R3、热敏电阻Rt2的公共端连接变容二极管C3的负极，热敏电阻Rt1与电阻R3并联。当换能器温度变化时，其电参数改变，引起的匹配电路感性改变，同时热敏电阻阻值也随之改变，并控制变容二极管的反向偏压，改变其电容量，补偿匹配电路的感性改变，则匹配电路总电抗改变为0，达到稳定匹配的目的。
以上所述仅为本发明的较佳实施方式而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种透皮弥散术皮肤治疗仪，其特征在于，包括控制器、信号发生器、驱动器、功率放大器、阻抗匹配器、换能器、电流采样电路、电压采样电路、电流过零比较电路、电压过零比较电路、D触发器及与门；
控制器连接信号发生器的输入端，用于控制信号发生器产生正弦信号并将正弦信号转化为方波信号，信号发生器的输出端依次经驱动器、功率放大器、阻抗匹配器连接换能器；
功率放大器的输出端依次经电流采样电路、电流过零比较电路分别连接D触发器及与门的输入，电流过零比较电路用于对电流采样电路的输出进行过零检测并转化为方波信号；
功率放大器的输出端还依次经电压采样电路、电压过零比较电路分别连接D触发器及与门的另一输入，电压过零比较电路用于对电压采样电路的输出进行过零检测并转化为方波信号；
D触发器及与门的输出端分别连接控制器，控制器还用于根据D触发器及与门的输出进行模糊运算得到信号发生器的频率增量，根据频率增量调整信号发生器的输出频率。
2.如权利要求1所述的透皮弥散术皮肤治疗仪，其特征在于，电流过零比较电路包括第一过零比较器及非门U2A，电压过零比较电路包括第二过零比较器及非门U2B，D触发器包括CD4013芯片；
电流采样电路的输出端连接第一过零比较器的同相端，第一过零比较器的反相端接地，第一过零比较器的输出端经非门U2A分别连接CD4013芯片的D引脚和与门的输入；电压采样电路的输出端连接第二过零比较器的同相端，第二过零比较器的反相端接地，第二过零比较器的输出端经非门U2B分别连接CD4013芯片的CLK引脚和与门的另一输入；CD4013芯片的Q引脚连接控制器。
3.如权利要求1所述的透皮弥散术皮肤治疗仪，其特征在于，阻抗匹配器包括电感L2，功率放大器的输出端一极经串联的电感L2连接换能器输入端的一极，功率放大器的输出端另一极连接换能器输入端的另一极。
4.如权利要求3所述的透皮弥散术皮肤治疗仪，其特征在于，阻抗匹配器还包括电容C2，电容C2串联在电感L2与换能器输入端之间。
5.如权利要求4所述的透皮弥散术皮肤治疗仪，其特征在于，阻抗匹配器还包括变容二极管C3、电阻R2～R4、热敏电阻Rt1～Rt2；
变容二极管C3串联在电容C2与换能器输入端之间且变容二极管C3的正极连接电容C2，外部电压源依次经串联的电阻R2、电阻R3、热敏电阻Rt2、电阻R4连接电阻R的正极，电阻R3、热敏电阻Rt2的公共端连接变容二极管C3的负极，热敏电阻Rt1与电阻R3并联。
6.如权利要求1所述的透皮弥散术皮肤治疗仪，其特征在于，信号发生器包括AD9833芯片、低通滤波器及放大比较器；
控制器的3个IO口分别连接AD9833芯片的SCLK、SDATA、FSYNC引脚，AD9833芯片的的VOUT引脚依次经低通滤波器、放大比较器连接驱动器的输入端。
7.如权利要求6所述的透皮弥散术皮肤治疗仪，其特征在于，低通滤波器由4个π型LC低通滤波器级联构成。
8.如权利要求7所述的透皮弥散术皮肤治疗仪，其特征在于，LC低通滤波器中的电容电感参数由1.15fc计算得到，fc为低通滤波器的设计截止频率。
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