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【摘 要】介绍一款复健辅助关节检测仪.该仪器通过测量和显示肩关节转过角度的变化,较为精确地反映人体肩关节受伤康复情况.为使其结构小巧,易于固定,仪器内部采用集成贴片式芯片且PCB板双面焊接.通过传感器采集,AD芯片的模数转换和单片机的计算得到最终角度的变化.
【关 键 词】复健检测角度数据采集模数转化
目前在医学领域中,复健医学的发展随着科技的进步,残障照顾的重视等,逐渐受到重视与推展,在复健医疗需求的逐渐增加之下,目前在全世界大多数的先进国家都设有复健医疗机构.复健医学已逐渐成为另一种医疗的模式.国内外已有很多帮助患者康复的医学仪器,但用于检测患者康复情况的仪器却并没有广泛应用.本项目复健辅助关节检测仪是一款用于测量患者关节运动所改变的角度的测量仪器.
此系统主要由以下四部分构成：（1）信号采集部分（由双轴倾角传感器采集关节运动信号,输出模拟电压信号）；（2）信号转换部分,模数转换芯片PCF8591T将传感器采集到的模拟电压信号转变为数字信号,送入单片机STC90C516RD,通过对单片机编程进行信号处理；（3）数据显示部分,由所选显示屏LCD1602显示变化度数.（4）仪器成型装壳,将所设计的最终电路装壳制成仪器.
1系统总体设计
1.1总体设计思路
总体设计图如图1所示.
将双轴倾角传感器固定于上臂,当肩关节抬起并转动一定角度后,传感器将采集到的信号转换为模拟电信号输出,经调理电路和滤波器处理后,进入模数转换芯片进行模数转换,输出的数字信号传入单片机,下载好所编程序的单片机将数字电压信号转换为所对应的角度,并由LCD显示屏显示.
1.2信号采集部分
信号采集部分主要由双轴倾角传感器构成.本传感器采用的是SCA60C倾斜检测模块.此传感器主要芯片是LM393和倾斜感应探头,工作在DC为5V的电压下,倾角信号模拟电压输出0-180°对应0.5-4.5V；输出有效信号低电平指示灯亮；左/上倾斜时输出左倾报警信号绿灯亮,右/下倾斜时输出右倾斜报警信号黄灯亮；左右-上下倾斜角度报警范围分别为0-90°和90-180°,且全范围可调,调整精度为±1°；电路板倾斜信号为TTL高低电平,可直接接单片机IO口；带安装孔,方便固定安装.
1.3信号转换部分
信号转换部分主要由单片机和模数转换芯片组成.本检测仪所用的PCF8591T模数转换芯片的引脚图见图2.
PCF8591是一个单片集成、单独供电、低功耗、8-bitCMOS数据获取器件.PCF8591具有4个模拟输入、1个模拟输出和1个串行I2C总线接口.在PCF8591器件上输入输出的地址、控制和数据信号都是通过双线双向I2C总线以串行的方式进行传输.PCF8591的功能包括多路模拟输入、内置跟踪保持、8-bit模数转换和8-bit数模转换.这里我们使用其8-bit模数转换功能.PCF8591的操作电压范围是2.5V-6V,与所选传感器相匹配.我们选择其两路模拟信号输入端AIN1和AIN3.将I2C总线的数据线、时钟线SDA、SCL分别接入单片机P2.0、P2.1口,所选单片机型号为STC90C516RD,是一款强抗干扰/高速/低功耗单片机,指令代码完全兼容传统8051单片机,12时钟/机器周期和6时钟/机器周期可任意选择,内部集成MAX810专用复位电路,时钟频率在12MHz以下时,复位脚可直接接地.
1.4数据显示部分
LCD1602可以显示两行,每行16个字符液晶模块（显示字符和数字）.两行分别显示肩关节于两方向的角度变化数据.将显示屏引脚DB0-DB7与单片机P0.0-P0.7相连、综上整个系统完成后接通电源,转动传感器便可显示相应角度度数.
2测量角度与误差分析
2.1测角度原理
所选双轴倾角传感器SCA60C引脚图见图3.
其中Vcc接+5V（±0.5V）的工作电压；Gnd接地；Vo1为x方向模拟输出0.5V-4.5V；Vo2为y方向模拟输出0.5V-4.5V；Do1输出高低电平,若输出高电平则表示Right方向倾斜；Do2输出高低电平,若输出高电平则表示Left方向倾斜；Do3输出高低电平,若输出高电平则表示Down方向倾斜；Do4输出高低电平,若输出高电平则表示Up方向倾斜.
假设关节活动的角度为α,则α可由传感器输出的模拟电压信号Vo1和Vo2表达：
αx等于（Vo1-0.5）*45①
αy等于（Vo2-0.5）*45②
式中αx,αy表示肩关节在xoz平面,yoz平面两方向活动角度；Vo1,Vo2为对应两方向输出电压值.
通过①②两式把模拟电压值转换成为关节角度变化值,即可实现模数转换.
2.2角度测量程序设计
单片机的主程序首先对系统环境初始化,设置显示器并给显示端口清零.然后调用写控制命令子程序发送倾角传感器电压转换命令,发送显示坐标,之后调用功能为读取转换值的子程序读取电位器转换结果.按式①②计算即可测得传感器所转过的角度值,测出角度后结果将送到LED,然后再转动双轴倾角传感器重复上述测量过程.主程序框图如图4所示.
2.3系统误差分析
（1）失调误差的影响；双轴解决方案不会具有完美的灵敏度,在X轴上存在失调.故由X轴读数,Y轴读数计算得出的角度会造成一定的误差.失调引起的误差可能不仅大于系统所需的精度,而且还会发生变化,使简单地通过校准消除误差角变得困难.当多个轴上都存在失调时,这将会变得更为复杂.（2）灵敏度失配误差的影响；在双轴倾斜检测应用中,主要误差成分是目标轴之间的灵敏度差异.由于使用的是X和Y轴的比值,因此如果两者灵敏度相同,则可以消除大多数误差.但双轴解决方案不具有完美的失调调整功能,X轴Y轴分别具有的一定数值灵敏度.故存在误差.与失调误差类似,灵敏度失配引起的误差会在整个旋转范围内不断变化,使在计算出倾斜角后进行误差补偿变得困难.（3）PCB布局影响；在任何注重精度的电路中,必须仔细考虑电路板上的电源和接地回路布局.PCB应尽可能隔离数字部分和模拟部分.电源走线应尽可能宽,以提供低阻抗路径,并减小电源线路上的毛刺效应.
3结语
本项目是一款复健辅助关节检测仪.意在让肩关节受伤的患者进行长期跟踪康复情况,为患者及治疗师提供动力,为医学复健治疗带来了极大的方便.结构较为简单,过程不很复杂,但是测量精度会受到一定限度,以后应着力提高该实验的精度.需要说明的是,此仪器为创新型项目,有许多不足之处,目前关节活动的测量工具主要是量角器,需要专业人士在旁辅助才能测量.而本项目则可实现对患处关节运动的自动检测,为初步实现电子检测,后续还要更加完善.