STM32开发的微波理疗仪

1万 · 2019-7-5 12:40

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。

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由上图3-6所示，12V直流转SV直流电路选用的降压芯片为MP2359 o MP2359
是基于CMO S工艺开关内置DC/DC转换器，与线性电源相比，发热量低、效率高。
为避免电源反接烧坏芯片，使用D11反接二极管。F2为SOOmA自恢复保险丝，
用于保护电源。MP2359的输入电压为12V，能够满足MP2359芯片数据手册要求

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一键下载电路的功能是将控制程序下载至微控制器进行调试，以及将采集的
数据通过串口打印便于分析。本系统的一键下载电路如图3-8所示，该电路由Mini
USB, CH340G芯片、三极管Q1, Q2、电阻和二极管组成。一键下载电路选用南
京沁恒公司的CH340G USB转串口芯片。图3-8中RESET是STM32系统板的复
位信号，BOOTO是启动模式的BO信号，D+和D一为USB的数据信号引脚，RXD,
TXD与STM32F 103ZET6芯片的PA9, PA10连接，时钟源为12MHz外部晶振。
STM32F 103ZET6微控制器有三种启动模式，如表3-4所示。BOOTO等于0
为正常启动模式，从flash加载代码[2'}oBOOTO等于1和BOOT1等于。组合是ISP
模式，用于串口下载更新代码，从系统存储器加载代码。

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在图3-8中，串口的DTR引脚控制RESET, RTS引脚控制BOOTO，利用上
位机软件(F1yMcu)配置:DTR低电平复位，RTS高电平进BootLoader，从而自
动控制RESET和BOOTO。其工作原理是:当利用F1yMcu一键下载时，DTR#输
出高电平，此时三极管Q1导通，RESET被拉低，复位;RTS#输出低电平，三极
管Q2也导通，BOOTO引脚电压为R2端电压，为高电平。延时100ms, F1yMcu
再配置DTR#输出低电平，Q1不导通，RESET为高电平，结束复位;RTS#仍输出
低电平，Q2导通，BOOTO依然为高电平，STM32被设置成ISP模式，将程序下
载至STM32微控制器。
STM32微控制器是低电平复位，所以本系统的复位电路也设计成低电平复位，
如图3-9所示，与按键并联的电容C36和电阻R42构成了复位电路。
上电复位过程为:当系统上电时，3.3V电源给C36充电，由于电容的充放电
特性，在上电瞬间，RESET为低电平，复位;C36被充到3.3V时，RESET为高
电平，结束复位。
按键复位过程为:当不按下按键时，C36被充满电，两端电压为3.3 V } RESET
为高电平;当按下按键时，电容C36被短路，瞬间放电，此时RESET为低电平，
进行复位。
TFT-LCD屏的复位引脚也连接在RESET上，按下S6键时，这样可以达到同
时复位STM32微控制器和TFT-LCD屏的目的。

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散热风扇驱动电路图如图3-10所示，本系统选用的散热风扇是12V/0.2A型号
的无刷直流电机风扇，给磁控管和高压变压器散热。该电路由继电器K2、三极管
QS、二极管D13和电阻组成。K2是松乐公司的SRD-12VDC-SL-C型号继电器，
P4接线端与散热风扇连接，FAN CON为风扇的控制信号。通过控制继电器的通
断来控制风扇的通断，当FAN_ CON为高电平时，QS导通，继电器线圈产生电流，
吸合开关，风扇工作;当FAN_ CON为低电平时，QS不导通，继电器不闭合，风
扇不工作。

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蜂鸣器驱动电路如图3-13所示，该电路由三极管Q6、电阻、有源蜂鸣器组成。
SV直流电为蜂鸣器提供电源，BEEP连接至STM32芯片的PB8，作为蜂鸣器的控
制信号，当BEEP为高电平时，Q6导通，蜂鸣器响;当BEEP为低电平时，Q6
不导通，蜂鸣器不响。由于STM32微控制器的I/O口驱动电流比较小，难以直接
驱动蜂鸣器，三极管Q6起到扩流的作用，提高其驱动能力。

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