STM32开发的微波理疗仪

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本课题所设计的微波理疗设备包括:微波源控制系统和微波理疗头，微波理
疗头通过柔性微波电缆连接到微波源控制系统。微波源控制系统又主要由微波源
(磁控管)和嵌入式控制电路组成。微波理疗设备的总体结构框图如图2-5所示，
根据图2-5可知微波理疗设备的工作流程。市电220V交流电为电源系统供电，电
源系统产生2KV直流高压和3.8V交流电压，分别作为微波源(磁控管)的阳极电
压和灯丝电压，微波源控制系统可以产生2.45GHz, 0^}60W功率可调的微波，然
后通过微波电缆输出到微波理疗头。

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磁控管将直流电能转化成微波电磁能，从而产生电磁能量。磁控管的基本结
构[24]如图2-6所示，由(1)阳极，(2)阴极，(3)能量输出器，C4)谐振腔
孔，CS)谐振腔槽，C6)灯丝引线组成。磁控管阴阳极间加直流高压，阴极端
的电子在高压的作用下打向阳极，直流磁场加在管子的轴线方向，电子流同时受
到电场和磁场的作用，阴阳极间电压在某一范围时，有利电子与高频场相互作用，
电子的动能转化为高频场能量，能量从能量输出器输出。

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微波源控制系统主要由低压直流电源、灯丝电源、阳极高压电源、磁控管、
STM32微控制器、TF T-LCD显示屏和风扇等组成。其系统组成框图如图2-10所
不。

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微波源控制系统是微波理疗设备的核心，2450MHz频率的医疗专用磁控管为
系统提供微波源。灯丝电源产生3.8V AC，作为磁控管的灯丝电压。双向可控硅控
制高压变压器初级端的通断来控制磁控管的阳极电压的通断，再通过对阳极高压
采样的反馈，形成闭环控制，使磁控管的功率稳定输出。SOS2同轴电缆连接磁控
管和微波理疗头，将磁控管的微波能量传输到微波理疗头上。低压电源部分给散
热风扇、TFT-LCD显示屏、STM32微控制器等供电。散热风扇给磁控管散热。
TFT-LCD显示屏完成人机交互的工作。
微控制器的主要控制功能包括:理疗功率、时间的设定;磁控管、负载超温
自动报警并开启过温保护;负载匹配状态监测;控制磁控管的通断及微波输出功
率;微波理疗设备工作时工作状态显示、故障报警等。微波理疗设备的控制系统
是由S TM32F 103ZET6为核心及外围驱动电路和为其服务的软件程序构成。

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微波理疗设备由两部分组成:微波源控制系统和微波理疗头。本章将探讨微
波源控制系统硬件电路的设计。下面，将首先给出硬件设计的整体框图，然后按
照整体框图具体设计各模块的硬件电路，包括:磁控管驱动模块、嵌入式控制模
块、微波功率控制模块和负载检测模块等;最后，给出Album Designer2013软件
下的系统硬件电路PCB板设计图。
本课题所使用的微波源控制系统硬件电路设计整体框图如图3-1所示，主要包
括磁控管驱动电路、以S TM32F 103 ZET6微控制器为核心嵌入式控制电路、微波
功率控制电路及负载检测电路。

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2450MHz是微波理疗应用中常用的频率，本课题选用2450MHz医疗用微波磁
控管。它的输出功率能满足理疗要求、成本低、应用方便。该磁控管实物图如图
3-2所示，典型应用参数如表3-1所示。

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嵌入式控制系统电路主要包括以S TM32F 103ZET6为核心的外围驱动电路、
低压直流电源电路、人机交互模块电路、过压欠压保护电路和温度监测电路。下
面将对各电路的具体设计进行一一阐述。
目前，市场上现有的微波理疗设备大都是以8位单片机为控制核心，8位单片
机与32位的ARM微控制器相比，在处理速度、硬件资源、集成度方面是远不及
后者，所以基于8位单片机控制的微波理疗系统在可靠性、智能化程度上不太理
想，使用操作也不人性化。根据系统的功能和需求，对比了现有市场上的多种微
处理器，本课题最终选择了意法半导体公司的32位ARM微控制器
—STM32F 103ZET6。
STM32F 103ZET6微控制器采用Cortex-M3 RISC内核，LQPF 144封装，工作
频率为72MHz，该芯片集成定时器、闪存、ADC, DAC, I2C, USB、看门狗等多
种外设。具体功能和配置如下表3-2所示。

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(1> ADC:负责监测磁控管的阳极反馈电压信号和负载检测信号;
(2>定时器:负责工作时间定时和产生定时中断信号;
C3) USART:负责下载程序至微处理器进行调试和串口打印;
C4) FSMC:负责连接TF T-LCD显示屏。

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如图3-5所示，市电经过变压器降压为12V/SOHz交流电，从PS接线端接入
该电路，D 17^}D20全波整流桥将正弦波电压转换为单一方向的脉动电压，然后分
为两路。一路经电解电容C28和独石电容C30滤波成平滑的++17V直流电，满足
LM7812三端稳压芯片14.5^}27V的输入电压范围，LM7812输出端经滤波电容C29,
C31后得到稳定的12V直流电，作为SV, 3.3V电源的输入电压;同时，另一路输
出12V直流电为继电器和散热风扇供电。图3-5中F3, F4为25V, 1A自恢复保
险丝，起到保护LM7812三端稳压芯片的作用，使其工作在正常范围内。