基于STM32F4的交变磁场治疗系统研究

发布时间：2017-08-19 16:02

  本文关键词：基于STM32F4的交变磁场治疗系统研究

  更多相关文章： 交变磁场 SPWM 变频变压 磁疗仪 亥姆霍兹线圈

【摘要】：相关研究表明交变磁场对于人体微循环、骨质疏松症和人体经络具有很大影响。由于市场上没有宽范围无级调频调磁感应强度的交变磁场治疗仪,我们受某医疗公司委托设计研发出符合要求的交变磁场治疗仪的控制系统。本控制系统在参考国内外相关磁疗仪产品的基础上,结合系统应用需求和相关技术,最终确定了基于STM32F407的交变磁场治疗仪系统的设计方案。本控制系统从交变磁疗仪设计需求开始进行分解,每个细分的设计需求均提出多种技术解决方案,最后从中选择至少一种方案。本控制系统中做了以下工作：使用了嵌入式实时操作系统μC/OS-Ⅱ设计并调试了串口屏驱动电路及程序、SPWM逆变算法程序、AD7606的FSMC电路及程序、MOSFET驱动电路、DS18820串口驱动电路、对射式超声波电路、继电器触点多种保护电路等。为了实现系统功能运用了一些基本理论,采用了SPWM理论进行逆变输出波形的调制；运用亥姆霍兹线圈产生所需磁场空间；运用串联谐振理论来给感性负载串联电容以减小高频输出时感性负载回路中的阻抗；运用PID算法理论提高线圈中磁感应强度的控制精度。为了提高控制系统系能做了一些改进,提出了双极性SPWM死区算法、基于STM32F4实现了高品质变压变频的逆变输出、设计实现了简单有效的H桥驱动信号互锁电路、利用对射式超声波模块解决了狭小空间内对磁疗环非接触式测距的问题。目前交变磁场治疗仪的主要功能已经实现并处于调试的最后阶段,测试得出磁感应强度的理论计算仿真和实测结果一致、逆变输出电压THD小于2%,说明SPWM算法准确、电路设计无误、解决问题的措施可行、总体设计方案合理。
【关键词】：交变磁场 SPWM 变频变压 磁疗仪 亥姆霍兹线圈
【学位授予单位】：大连理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TH789
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-10
• 1 绪论10-18
• 1.1 本文研究意义10-12
• 1.2 磁场治疗仪发展12-15
• 1.2.1 磁场治疗仪分类12
• 1.2.2 磁场治疗仪现状12-15
• 1.3 本文目标及主要工作15-18
• 1.3.1 本文目标15-16
• 1.3.2 本文主要工作16-18
• 2 磁场治疗仪需求分析及总体结构18-23
• 2.1 磁场治疗仪需求分析18-19
• 2.1.1 磁感应强度需求18-19
• 2.1.2 变频需求19
• 2.2 磁场治疗仪总体结构19-23
• 2.2.1 系统总体结构19-20
• 2.2.2 硬件总体结构20-22
• 2.2.3 软件总体结构22-23
• 3 磁场治疗仪相关理论分析23-47
• 3.1 负载电路分析23-27
• 3.1.1 串联谐振电路23-25
• 3.1.2 并联谐振电路25-27
• 3.2 亥姆霍兹线圈磁场分析27-33
• 3.2.1 亥姆霍兹线圈磁场数学模型27-29
• 3.2.2 MAGNET亥姆霍兹线圈磁场仿真29-33
• 3.3 SPWM逆变技术33-42
• 3.3.1 SPWM调制方式33-36
• 3.3.2 SPWM采样方法36-42
• 3.4 PID算法42-47
• 3.4.1 PID控制原理43-44
• 3.4.2 数字PID算法44-45
• 3.4.3 PID积分改进算法45-47
• 4 磁疗仪系统电子电路设计47-66
• 4.1 MCU选型设计47-49
• 4.1.1 MCU芯片选型47-48
• 4.1.2 STM32F407最小系统设计48-49
• 4.2 人机交互方案选型及电路设计49-52
• 4.2.1 人机交互方案选型49-51
• 4.2.2 串口屏电路设计51-52
• 4.3 ADC选型及模拟电路设计52-56
• 4.3.1 模拟数字转换器(ADC)及采样电路的选型52-53
• 4.3.2 模拟电路的设计53-56
• 4.4 温度测试方案选型及电路设计56-59
• 4.4.1 温度测试方案选型56-57
• 4.4.2 DS18B20电路设计57-59
• 4.5 测距方案选型及电路设计59-61
• 4.5.1 测距方案选型59
• 4.5.2 对射式超声波电路设计59-61
• 4.6 其他电路设计61-66
• 4.6.1 隔离电源电路设计61-63
• 4.6.2 隔离芯片选型及电路设计63
• 4.6.3 存储电路设计63-64
• 4.6.4 继电器驱动电路设计64-66
• 5 磁疗仪系统电力电路设计66-75
• 5.1 功率开关管驱动电路设计66-70
• 5.1.1 开关管与驱动电路的选择66
• 5.1.2 MOSFET驱动电路设计66-70
• 5.2 逆变输出滤波器参数设计70-72
• 5.2.1 LC二阶低通滤波器参数的确定70
• 5.2.2 滤波电容对感性负载中通过电流的影响70-72
• 5.3 缓冲电路(Snuber)设计72-73
• 5.3.1 缓冲电路选型72-73
• 5.3.2 缓冲电路参数确定73
• 5.4 继电器触点灭弧73-75
• 6 磁疗仪系统软件设计75-85
• 6.1 实时操作系统μC/OS-Ⅱ75
• 6.2 系统任务分解75-79
• 6.2.1 系统核心参数详解75-77
• 6.2.2 系统任务划分77-79
• 6.3 治疗相关任务设计79-81
• 6.3.1 LCD示任务设计79-80
• 6.3.2 磁疗环定位任务设计80-81
• 6.4 SPWM任务设计81-85
• 7 磁疗仪系统调试85-96
• 7.1 驱动波形调试86-88
• 7.1.1 调试中出现的问题及解决86-87
• 7.1.2 驱动波形调试87-88
• 7.2 输出电压电流波形调试88-94
• 7.2.1 输出电压波形及THD测试88-93
• 7.2.2 输出电流波形测试93-94
• 7.3 磁感应强度调试94-96
• 结论96-98
• 参考文献98-103
• 附录A 交变磁场治疗仪照片103-104
• 附录B 交变磁场治疗仪主控电路板实物104-105
• 附录C 交变磁场治疗逆变电路板实物105-106
• 附录D 交变磁场治疗MCU最小系统电路原理图106-107
• 附录E 交变磁场治疗仪隔离电源原理图107-108
• 附录F 交变磁场治疗仪逆变桥原理图108-109
• 致谢109-110

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本文编号：701613