本文關(guān)鍵詞：基于STM32F4的交變磁場治療系統(tǒng)研究

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【摘要】：相關(guān)研究表明交變磁場對于人體微循環(huán)、骨質(zhì)疏松癥和人體經(jīng)絡(luò)具有很大影響。由于市場上沒有寬范圍無級調(diào)頻調(diào)磁感應(yīng)強度的交變磁場治療儀,我們受某醫(yī)療公司委托設(shè)計研發(fā)出符合要求的交變磁場治療儀的控制系統(tǒng)。本控制系統(tǒng)在參考國內(nèi)外相關(guān)磁療儀產(chǎn)品的基礎(chǔ)上,結(jié)合系統(tǒng)應(yīng)用需求和相關(guān)技術(shù),最終確定了基于STM32F407的交變磁場治療儀系統(tǒng)的設(shè)計方案。本控制系統(tǒng)從交變磁療儀設(shè)計需求開始進行分解,每個細(xì)分的設(shè)計需求均提出多種技術(shù)解決方案,最后從中選擇至少一種方案。本控制系統(tǒng)中做了以下工作：使用了嵌入式實時操作系統(tǒng)μC/OS-Ⅱ設(shè)計并調(diào)試了串口屏驅(qū)動電路及程序、SPWM逆變算法程序、AD7606的FSMC電路及程序、MOSFET驅(qū)動電路、DS18820串口驅(qū)動電路、對射式超聲波電路、繼電器觸點多種保護電路等。為了實現(xiàn)系統(tǒng)功能運用了一些基本理論,采用了SPWM理論進行逆變輸出波形的調(diào)制；運用亥姆霍茲線圈產(chǎn)生所需磁場空間；運用串聯(lián)諧振理論來給感性負(fù)載串聯(lián)電容以減小高頻輸出時感性負(fù)載回路中的阻抗；運用PID算法理論提高線圈中磁感應(yīng)強度的控制精度。為了提高控制系統(tǒng)系能做了一些改進,提出了雙極性SPWM死區(qū)算法、基于STM32F4實現(xiàn)了高品質(zhì)變壓變頻的逆變輸出、設(shè)計實現(xiàn)了簡單有效的H橋驅(qū)動信號互鎖電路、利用對射式超聲波模塊解決了狹小空間內(nèi)對磁療環(huán)非接觸式測距的問題。目前交變磁場治療儀的主要功能已經(jīng)實現(xiàn)并處于調(diào)試的最后階段,測試得出磁感應(yīng)強度的理論計算仿真和實測結(jié)果一致、逆變輸出電壓THD小于2%,說明SPWM算法準(zhǔn)確、電路設(shè)計無誤、解決問題的措施可行、總體設(shè)計方案合理。
【關(guān)鍵詞】：交變磁場 SPWM 變頻變壓 磁療儀 亥姆霍茲線圈
【學(xué)位授予單位】：大連理工大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號】：TH789
【目錄】：

• 摘要4-5
• Abstract5-10
• 1 緒論10-18
• 1.1 本文研究意義10-12
• 1.2 磁場治療儀發(fā)展12-15
• 1.2.1 磁場治療儀分類12
• 1.2.2 磁場治療儀現(xiàn)狀12-15
• 1.3 本文目標(biāo)及主要工作15-18
• 1.3.1 本文目標(biāo)15-16
• 1.3.2 本文主要工作16-18
• 2 磁場治療儀需求分析及總體結(jié)構(gòu)18-23
• 2.1 磁場治療儀需求分析18-19
• 2.1.1 磁感應(yīng)強度需求18-19
• 2.1.2 變頻需求19
• 2.2 磁場治療儀總體結(jié)構(gòu)19-23
• 2.2.1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)19-20
• 2.2.2 硬件總體結(jié)構(gòu)20-22
• 2.2.3 軟件總體結(jié)構(gòu)22-23
• 3 磁場治療儀相關(guān)理論分析23-47
• 3.1 負(fù)載電路分析23-27
• 3.1.1 串聯(lián)諧振電路23-25
• 3.1.2 并聯(lián)諧振電路25-27
• 3.2 亥姆霍茲線圈磁場分析27-33
• 3.2.1 亥姆霍茲線圈磁場數(shù)學(xué)模型27-29
• 3.2.2 MAGNET亥姆霍茲線圈磁場仿真29-33
• 3.3 SPWM逆變技術(shù)33-42
• 3.3.1 SPWM調(diào)制方式33-36
• 3.3.2 SPWM采樣方法36-42
• 3.4 PID算法42-47
• 3.4.1 PID控制原理43-44
• 3.4.2 數(shù)字PID算法44-45
• 3.4.3 PID積分改進算法45-47
• 4 磁療儀系統(tǒng)電子電路設(shè)計47-66
• 4.1 MCU選型設(shè)計47-49
• 4.1.1 MCU芯片選型47-48
• 4.1.2 STM32F407最小系統(tǒng)設(shè)計48-49
• 4.2 人機交互方案選型及電路設(shè)計49-52
• 4.2.1 人機交互方案選型49-51
• 4.2.2 串口屏電路設(shè)計51-52
• 4.3 ADC選型及模擬電路設(shè)計52-56
• 4.3.1 模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器(ADC)及采樣電路的選型52-53
• 4.3.2 模擬電路的設(shè)計53-56
• 4.4 溫度測試方案選型及電路設(shè)計56-59
• 4.4.1 溫度測試方案選型56-57
• 4.4.2 DS18B20電路設(shè)計57-59
• 4.5 測距方案選型及電路設(shè)計59-61
• 4.5.1 測距方案選型59
• 4.5.2 對射式超聲波電路設(shè)計59-61
• 4.6 其他電路設(shè)計61-66
• 4.6.1 隔離電源電路設(shè)計61-63
• 4.6.2 隔離芯片選型及電路設(shè)計63
• 4.6.3 存儲電路設(shè)計63-64
• 4.6.4 繼電器驅(qū)動電路設(shè)計64-66
• 5 磁療儀系統(tǒng)電力電路設(shè)計66-75
• 5.1 功率開關(guān)管驅(qū)動電路設(shè)計66-70
• 5.1.1 開關(guān)管與驅(qū)動電路的選擇66
• 5.1.2 MOSFET驅(qū)動電路設(shè)計66-70
• 5.2 逆變輸出濾波器參數(shù)設(shè)計70-72
• 5.2.1 LC二階低通濾波器參數(shù)的確定70
• 5.2.2 濾波電容對感性負(fù)載中通過電流的影響70-72
• 5.3 緩沖電路(Snuber)設(shè)計72-73
• 5.3.1 緩沖電路選型72-73
• 5.3.2 緩沖電路參數(shù)確定73
• 5.4 繼電器觸點滅弧73-75
• 6 磁療儀系統(tǒng)軟件設(shè)計75-85
• 6.1 實時操作系統(tǒng)μC/OS-Ⅱ75
• 6.2 系統(tǒng)任務(wù)分解75-79
• 6.2.1 系統(tǒng)核心參數(shù)詳解75-77
• 6.2.2 系統(tǒng)任務(wù)劃分77-79
• 6.3 治療相關(guān)任務(wù)設(shè)計79-81
• 6.3.1 LCD示任務(wù)設(shè)計79-80
• 6.3.2 磁療環(huán)定位任務(wù)設(shè)計80-81
• 6.4 SPWM任務(wù)設(shè)計81-85
• 7 磁療儀系統(tǒng)調(diào)試85-96
• 7.1 驅(qū)動波形調(diào)試86-88
• 7.1.1 調(diào)試中出現(xiàn)的問題及解決86-87
• 7.1.2 驅(qū)動波形調(diào)試87-88
• 7.2 輸出電壓電流波形調(diào)試88-94
• 7.2.1 輸出電壓波形及THD測試88-93
• 7.2.2 輸出電流波形測試93-94
• 7.3 磁感應(yīng)強度調(diào)試94-96
• 結(jié)論96-98
• 參考文獻98-103
• 附錄A 交變磁場治療儀照片103-104
• 附錄B 交變磁場治療儀主控電路板實物104-105
• 附錄C 交變磁場治療逆變電路板實物105-106
• 附錄D 交變磁場治療MCU最小系統(tǒng)電路原理圖106-107
• 附錄E 交變磁場治療儀隔離電源原理圖107-108
• 附錄F 交變磁場治療儀逆變橋原理圖108-109
• 致謝109-110

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