基于嵌入式器件AT89C51SND1C的电子治疗仪设计方案

一、引言

目前，市场上采用的电子治疗仪通常通过两个电极片对称覆盖治疗人体部位，利用电极片上的脉动电压与治疗部位电阻产生作用，在治疗部位产生人体能够感知的脉动电流，刺激神经肌肉，使其收缩和舒张，产生运动效应，从而达到治疗目的。然而，这类治疗仪的脉动电压种类有限，脉动电流频率周期固定，如果某治疗部位长期接受其脉动，就会产生抗疗作用，引起自发性紧张，从而降低治疗效果。

为了解决这一问题，本文将介绍一种基于嵌入式器件AT89C51SND1C的电子治疗仪设计方案。该方案将MP3发出的随机音乐信号引入治疗仪，使音频信号与2.4 kHz的中频治疗频率进行调制，产生多种脉动电压和频率周期不断变换的脉动电流，随音乐信号起伏变化而发生作用，从而提高治疗效果。

二、主控芯片型号及其在设计中的作用

2.1 主控芯片型号

本设计方案选用ATMEL公司的AT89C51SND1C芯片作为主控芯片。AT89C51SND1C是一款基于8位C51 MCU内核的MP3解码器芯片，它内置MP3硬件解码器和USB控制器，支持多种采样频率（48、44.1、32、24、22.05及16KHZ），具有重低音、中音、高音均衡控制和重低音环绕声效果。此外，它还内置2304B RAM和64KB Flash程序空间，方便用户增加复杂的功能，并提供MP3音频时钟及USB时钟。

2.2 主控芯片在设计中的作用

1. MP3解码与播放：AT89C51SND1C具有内置的MP3解码器，可以直接解码MP3音频文件，并通过D/A转换器输出模拟音频信号，供耳机或喇叭播放。这使得治疗仪在进行治疗的同时，可以播放音乐，分散患者的注意力，缓解紧张情绪。

2. USB控制器：AT89C51SND1C还内置USB控制器，支持U盘功能。当治疗仪的USB端口插入电脑的USB接口时，可以执行U盘程序，将选好的MP3歌曲复制到治疗仪的存储器中。这使得治疗仪具有更大的灵活性，用户可以根据需要随时更换治疗音乐。

3. 中频信号产生与控制：AT89C51SND1C可以产生2.4 kHz的中频信号，并与音频信号进行调制，产生脉动电流。通过调整中频信号和音频信号的频率和相位，可以产生多种脉动电压和频率周期不断变换的脉动电流，从而提高治疗效果。

4. 系统控制与管理：AT89C51SND1C作为系统的核心控制器，负责整个治疗仪的系统控制与管理。它可以接收来自键盘的输入信号，根据用户的设置，控制治疗时间、音量大小等参数，并通过显示模块显示当前的工作状态。

三、系统硬件设计

3.1 系统硬件结构

基于嵌入式器件AT89C51SND1C的电子治疗仪系统硬件结构分为信号产生与控制模块、调频输出模块、电源模块三部分。

1. 信号产生与控制模块：由AT89C51SND1C单片机、海量存储器、键盘、USB端口、液晶显示、D/A转换器、音频放大等部分组成。该模块负责产生音频信号和中频信号，并进行调频控制。同时，它还负责接收用户的输入信号，显示当前的工作状态，并将MP3歌曲解码为音频数字信号。

2. 调频输出模块：由调频、放大、输出剂量调整、输出变压器、电极片等部分组成。该模块负责对音频信号和中频信号进行调频，并将调频后的信号放大，通过输出变压器隔离输出脉动治疗电压。同时，它还可以根据用户的设置，调整输出剂量，以满足不同治疗部位和皮肤干湿度的需求。

3. 电源模块：提供15V、5V、3.3V系统工作电压。其中，15V电压用于输出剂量调节电路，5V电压用于调频、放大电路，3.3V电压用于嵌入式器件AT89C51SND1C。电源模块通过变压、整流、稳压、滤波等步骤，将220V的交流电源转换为系统所需的工作电压。

3.2 信号产生与控制模块

信号产生与控制模块的核心是AT89C51SND1C单片机。为了实现MP3及U盘功能，AT89C51SND1C单片机需要外接一个NAND-Flash海量存储器。本设计中选用16MB的K9F2808U0C作为海量存储器，其数据线I/O0～I/O7接P0端口，控制线接P5端口。

MP3音频解码输出信号通过AT89C51SND1C单片机的DOUT、DLCK、DSEL、SCLK引脚接D/A转换器CS4330，经过放大后，输出到耳机或喇叭。液晶屏接单片机的P2端口，与键盘相配合以显示当前治疗仪的工作状态。

键盘上有4个按键，“音量/歌曲/定时”功能键接P1.0引脚，分别与P1.1引脚所接的“next”键和P1.2引脚所接的“previ-OHS”键相配合，实现音量调节、歌曲选定、治疗定时等功能设定；而“启动/停止”键接P1.3引脚。

AT89C51SND1C单片机的P3.3引脚用于检测当前使用的是U盘还是MP3播放器。如将治疗仪的USB引线接到电脑的USB端口，P3.3引脚则检测到高电平，执行U盘程序；否则，P3.3引脚检测到低电平，则执行MP3程序。

中频信号F中频和音频信号F音频分别接AT89C51SND1C单片机的P4.4、P4.5和DOUT引脚。

3.3 调频输出模块

调频输出模块由调频、放大、输出剂量调整、输出变压器、电极片等部分组成。音频信号F音频分别与中频信号F中频和中频相调制，产生两个相位相反的调制波形，再经9013、8050、D880Y放大后送至变压器的两个输入端。

变压器中间抽头电压可通过毫安表所接的剂量调节电路进行调整。47kΩ电位器即剂量调节电位器，向下调则毫安表指示的电流变小，反之变大。变压器隔离输出电压变化与输入电压同步变化，输出电压经电极片与人体接触，在人体内产生感知电流。

根据理疗部位的不同以及皮肤的干湿程度不同，人体的感知电流也不一样。理疗时需要调整电位器，使理疗者感觉舒适即可。

3.4 电源模块

电源模块提供15V、5V、3.3V系统工作电压。其中，15V电压用于输出剂量调节电路，5V电压用于调频、放大电路，3.3V电压用于嵌入式器件AT89C51SND1C。

电源模块通过变压、整流、稳压、滤波等步骤，将220V的交流电源转换为系统所需的工作电压。5V稳压采用78L05，3.3V稳压采用LDll17S33。当使用U盘功能时，治疗仪的USB端口插入电脑的USB接口，不接220V的交流电源，单片机工作电压则由USB接口提供。

四、系统软件设计

系统软件设计包括键盘中断服务程序、MP3音频解码系统实现过程、MP3播放过程流程图等部分。

1. 键盘中断服务程序：用于接收用户的输入信号，并根据用户的设置，控制治疗时间、音量大小等参数。

2. MP3音频解码系统实现过程：利用Flash存储器技术、MP3音频解码技术，读取MP3音频文件，并将其解码为音频数字信号。

3. MP3播放过程流程图：实现音频数字信号的D/A转换、放大、输出等功能，同时实现人机交互接口和U盘的读写功能。

系统软件设计需要与硬件电路功能配合，确保整个系统的稳定运行。

五、结论

本文介绍了一种基于嵌入式器件AT89C51SND1C的电子治疗仪设计方案。该方案利用AT89C51SND1C的MP3解码器和USB控制器功能，将音乐信号引入治疗仪，使音频信号与中频治疗频率进行调制，产生多种脉动电压和频率周期不断变换的脉动电流。通过调整输出剂量和电位器，可以满足不同治疗部位和皮肤干湿度的需求。

该设计方案不仅提高了治疗效果，还增加了治疗的趣味性和舒适性。同时，AT89C51SND1C的强大功能也为系统的扩展和升级提供了更多的可能性。未来，可以进一步探索将更多先进的嵌入式技术和算法应用于电子治疗仪中，以提高其治疗效果和用户体验。