CN109793656A - 一种基于模糊控制算法的便携式超声理疗仪 - Google Patents

Abstract

本发明请求保护一种基于模糊控制算法的便携式超声理疗仪。主要采用模糊控制算法对理疗装置的功能模块进行控制，同时带有超声换能器的阻抗匹配设计，使声功率能够稳定的输出，实现反馈式治疗。主要包含驱动模块、***控制模块、电路保护模块、无线传输模块、超声换能器、振荡器以及频率跟踪电路。本发明目的在于能高效稳定的输出超声波，对人体病灶进行更有效的治疗，更利于超声效果的展现，同时获得换能器两端电压和电流的相位差信号，将其输入到模糊控制器，实时调节PWM波形频率，使超声换能器始终工作在谐振频率上，达到频率跟踪的目的。最后，装置通过无线传输模块将有关数据发送到手机终端，进行相应的控制。

Description

一种基于模糊控制算法的便携式超声理疗仪

技术领域

本发明属于一种对人体慢性疾病具有治疗和缓解作用的装置，尤其涉及到一种采用模糊控制算法和匹配阻抗设计对装置功能进行控制。

背景技术

慢性软组织损伤是指各种急性外伤或慢性劳损以及风寒湿邪侵袭等原因造成人体的皮肤、皮下浅深筋膜、肌肉、肌腱、腱鞘、韧带、椎间盘、周围神经血管等组织的长期存在或长时间的病理损害，称为慢性软组织损伤。临床表现为：疼痛，肿胀，畸形，功能障碍。慢性软组织损伤是人们经常遇到的一种常见病，随着社会分工的日益细化，由不正确姿势引起的慢性软组织损伤类疾病，对人类的影响也越来越明显，随着年龄的增长，其发病率呈上升趋势，尤其是70岁以上的老人，其发病率接近100％。因此，对慢性软组织损伤类疾病的研究，具有深远的影响和意义。

软组织损伤的治疗分可分为药物疗法和物理疗法。物理疗法对软组织损伤有较好的治疗作用，超声波物理疗法是已经被证明是缓解软组织损伤较为明显的一种方法。超声波机械效应能够加快组织细胞内的物质运动，对机体产生微细的按摩作用；热效应能够升高组织分界面温度，不仅可以增强血液循环，改善局部组织的营养，加强机体新陈代谢速率，又可以增强体内酶的活性，降低肌肉和***的张力，缓解肌肉痉挛，降低感觉神经的兴奋性从而减轻疼痛。超声波还能改变组织PH、降低感觉神经的兴奋性、提高痛阈，从而达到治疗效果。近些年，随着智能化产品的迅速发展，医疗领域也开始注重产品的智能化与便携化。目前市面上有一些超声治疗设备，对于一些便携式可自动控制的智能超声产品却很少，通过对目前出现的部分超声理疗仪给出分析，存在(1)超声输出并未加入任何算法控制，导致输出的声强并不稳定。(2)由于环境温度、负载等因素会使谐振频率发生漂移，不能工作在谐振频率上，导致效果不佳。(3)超声的档位调节单一，只能调节波形频率、占空比或者声强。(4)未对超声换能器进行匹配阻抗设计，没有消除换能器静态电容带来的影响，使电声转换效率不高。(5)携带不便，多数超声理疗产品体积大，达不到便携式的要求。(6)多数产品未加入电路保护电路，给用户带来安全隐患。

发明内容

本发明旨在解决以上现有技术的问题。提出了一种消除静态电容的影响，提高电声转换效率的基于模糊控制算法的便携式超声理疗仪。本发明的技术方案如下：

一种基于模糊控制算法的便携式超声理疗仪，其包括：电源模块、升压模块、驱动电路、频率跟踪电路、主控模块、保护模块、振荡器、无线传输模块及超声换能器，电源模块分别与升压模块、主控模块、无线传输模块相连接，所述主控模块还分别与频率跟踪电路、保护模块、驱动电路相连接，所述保护模块与驱动电路相连接，所述频率跟踪电路还与超声换能器相连接，所述超声换能器还与驱动电路相连接，所述驱动电路还与振荡器相连接，其中，电源模块，为整个***中不同的模块提供不同需求的电压；

升压模块，用于将电池电压经过Boost电路进行一级升压后，再利用振荡器控制Boost电路的MOS管进行二次升压；

驱动电路，用于超声换能器的驱动电源，采用两级Boost电路对电源进行升压，再通过超声换能器将电功率转化为机械功率传递出去；

主控模块主要用于接收频率跟踪电路反馈回来的数据，可得到换能器频率的改变量，再使用主控芯片调节PWM波的频率，使该频率和换能器的固有频率相同产生谐振。同时，主控芯片可控制调节PWM波的占空比，通过boost电路改变输出的激励电压，发出声功率不同的超声波。

频率跟踪电路获得超声换能器两端电压和电流的相位差信号，将其输入到模糊控制器，实时调节PWM波形频率，使其工作在谐振频率上。

振荡器用于产生频率为1MHz、占空比为50％的方波信号，该方波信号控制二级boost电路开关管的导通与截止，开关管导通时，电感储能，开关管截止时，电感释放能量，电感的能量和电源电压的叠加，使其输出电压升高，达到升压的目的。

超声换能器，用于匹配阻抗的设计，使超声换能器处于谐振状态，消除换能器静态电容的影响，利用电压检测和电流检测电路可获取换能器两端的电压和电流信号，经滤波整形后，利用鉴相器得到电压电流的相位差，之后输入模糊控制器，实时调节PWM波的频率，使超声换能器始终工作在谐振点上。

保护模块为报警电路和声功率监控电路，当超声强度超过安全值时，整个电路将停止运行，并发出报警；

无线传输模块，用于实现智能终端设备与超声理疗装置之间的通信，通过手机终端控制超声理疗仪，超声理疗仪的各项参数能够在智能终端设备显示，实现人机交互。

进一步的，所述升压模块将电池电压进行一级升压是指：将5V电压经一级Boost电路使得电压快速的上升。

进一步的，所述无线传输模块采用的是无线蓝牙技术，将处理好的信号通过蓝牙发送到超声理疗仪，超声理疗仪接收信号之后，超声理疗仪的各项参数在智能终端设备显示，实现人机交互。

进一步的，电压经两级boost电路升压之后，输出正弦波信号激励超声换能器，超声发生声强控制在100mW/cm²-200mW/cm²。

进一步的，所述通过获取换能器两端的电压和电流信号，输入模糊控制器，实时调节PWM波的频率，使换能器频率和超声驱动电路输出频率保持一致，具体包括：S1:将超声换能器两端的电流和电压的相位差作为反馈信号，反馈信号与参考信号的差值和相对频率的变化率作为模糊控制器的输入量，进行模糊化；

S2:根据相位差的变化确定偏差的物理论域，模糊化后得到偏差的模糊论域，模糊控制器的输出量经模糊化后可得模糊集；

S3:建立模糊规则，以阶跃响应为基础，经过测试***的输入输出数据可得到人工的控制经验；

S4:清晰化，根据模糊控制的规则，得到输出模糊子集，根据输出量的模糊子集和隶属函数，通过最大隶属函数方法得到频率改变值，从而实时调整PWM波，使超声换能器始终工作在谐振频率上，达到频率自动跟踪。

进一步的，所述超声换能器匹配阻抗的设计具体包括：

(1)计算超声换能器串联支路的总阻抗，计算公式如下：

其中Z为超声换能器串联支路总阻抗，w表示角频率，R、L、C分别为动态电阻、动态电感、动态电容；

(2)计算换能器的固有频率，计算公式如下：

其中f_s为换能器固有频率；

(3)计算***阻抗值，计算公式如下；

其中，Z为***阻抗，C0为静态电容；w_s表示谐振点的角频率。

(4)计算串联匹配电感值，计算公式如下：

本发明的优点及有益效果如下：

本发明提供一种基于模糊控制算法的便携式超声理疗仪，频率跟踪电路获取超声换能器两端的电流和电压的相位差，将其输入模糊控制器，实时调节PWM波的频率，拉回漂移量，将驱动频率调节至谐振频率上。同时对超声换能器进行阻抗匹配设计，当换能器驱动电源输出频率与换能器谐振频率相同时，消除静态电容的影响，提高电声转换效率。最后利用无线传输模块结合智能终端，对超声理疗仪进行智能控制。

1、本发明主要解决超声换能器谐振频率漂移问题，提出模糊控制算法，以模糊控制器为核心，通过频率跟踪电路获取换能器两端的电流和电压的相位差，以此来调整PWM波的输出频率，使超声换能器始终工作在谐振频率上，达到频率自动跟踪的目的，从而提高电声转换效率。

2、换能器阻抗匹配设计，使超声换能器工作在谐振状态，在换能器一端串联匹配一个电感，消除换能器中静态电容的影响以及滤除电压的谐波成分，整个***呈纯阻性。使输出频率和换能器固有频率尽可能一致，提高转换效率。

3、能够与智能终端通信，通过智能终端即可方便快速的操纵此设备，使得设备更加简单易控，解决了设备便携式问题。

附图说明

图1是本发明提供优选实施例超声理疗仪的***框架图；

图2是本发明模糊控制器原理关系图；

图3是本发明模糊控制自动跟踪原理图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、详细地描述。所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例。

本发明解决上述技术问题的技术方案是：

如图1所示，一种基于模糊控制算法的便携式超声理疗仪，主要包括主控模块1，电源模块2，无线传输模块3，电路保护模块4，升压模块5，振荡器模块6，驱动电路模块7，超声换能器8以及频率跟踪电路9。

各个模块功能如下：

主控模块1，接收频率跟踪模块反馈回来的数据，调节PWM波的频率以及控制和协调整个***的运行。

电源模块2，为整个***中不同的模块提供不同需求的电压。

无线传输模块3，无线传输模块采用的是无线蓝牙技术，将处理好的信号通过蓝牙发送到超声理疗仪，超声理疗仪接收信号之后，发射相匹配的超声波进入人体病灶。

电路保护模块4，电路保护模块主要包括报警电路和声功率监控电路，当电超声换能器发射出的超声波功率大于设定的临界值时，整个设备会停止运行，并发出报警。

升压模块5，超声模块利用主控芯片产生的PWM波控制Boost电路的一级升压，再利用振荡器产生的方波控制Boost电路的二级升压。

驱动电路模块7，用于超声换能器的驱动电源，采用两级Boost电路对电源进行升压，再通过换能器将电功率转化为机械功率传递出去。

超声换能器8，设计匹配阻抗设计，使超声换能器工作在谐振状态，在换能器一端串联匹配一个电感，消除换能器中静态电容的影响，使整个***呈纯阻性。具体实现过程如下：

(1)计算超声换能器串联支路的总阻抗，计算公式如下：

其中Z为超声换能器串联支路总阻抗，R、L、C分别为动态电阻、动态电感、动态电容。

(2)计算换能器的固有频率，计算公式如下：

其中f_s为换能器固有频率。

(3)计算***阻抗值，计算公式如下；

其中，Z为***阻抗，C0为静态电容；

(4)计算串联匹配电感值，计算公式如下：

进一步的，所述的升压模块采用两级Boost升压电路，在输出端需接30uh匹配电感。

频率跟踪电路9，获得换能器两端电压和电流的相位差信号，将其输入到模糊控制器，实时调节PWM波形频率，使其工作在谐振频率上。

图2为模糊控制原理关系图，本发明还提供了一种基于模糊控制的便携式理疗检测仪的实现方法。具体包括以下步骤：

S1:将超声换能器两端的电流和电压的相位差作为反馈信号，反馈信号与参考信号的差值和相对频率的变化率作为模糊控制器的输入量，进行模糊化。

S2:根据相位差的变化确定偏差的物理论域，模糊化后得到偏差的模糊论域，模糊控制器的输出量经模糊化后可得模糊集。

S3:建立模糊规则，以阶跃响应为基础，经过测试***的输入输出数据可得到人工的控制经验。

S4:清晰化，根据模糊控制的规则，得到输出模糊子集，根据输出量的模糊子集和隶属函数，通过最大隶属函数方法得到频率改变值，从而实时调整PWM波，使超声换能器始终工作在谐振频率上，达到频率自动跟踪的目的，从而提高电声转换效率。

图3是自动跟踪原理图，超声理疗仪在工作过程中，利用电压电流检测电路获得超声换能器两端电压电流信号，经滤波整形后，再利用鉴相器得到电压电流的相位差，之后输入模糊控制器，实时调节PWM波的频率，使超声换能器始终工作在谐振点上。

以上这些实施例应理解为仅用于说明本发明而不用于限制本发明的保护范围。在阅读了本发明的记载的内容之后，技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等效变化和修饰同样落入本发明权利要求所限定的范围。

Claims (6)

1.一种基于模糊控制算法的便携式超声理疗仪，其特征在于，包括：电源模块、升压模块、驱动电路、频率跟踪电路、主控模块、保护模块、振荡器、无线传输模块及超声换能器，电源模块分别与升压模块、主控模块、无线传输模块相连接，所述主控模块还分别与频率跟踪电路、保护模块、驱动电路相连接，所述保护模块与驱动电路相连接，所述频率跟踪电路还与超声换能器相连接，所述超声换能器还与驱动电路相连接，所述驱动电路还与振荡器相连接，其中，电源模块，为整个***中不同的模块提供不同需求的电压；

升压模块，用于将电池电压经过Boost电路进行一级升压后，再利用振荡器控制Boost电路的MOS管进行二次升压；

驱动电路，用于超声换能器的驱动电源，采用两级Boost电路对电源进行升压，再通过超声换能器将电功率转化为机械功率传递出去；

主控模块主要用于接收频率跟踪电路反馈回来的数据，得到换能器频率的改变量，再使用主控芯片调节PWM波的频率，使该频率和换能器的固有频率相同产生谐振；同时，主控芯片控制调节PWM波的占空比，通过boost电路改变输出的激励电压，发出声功率不同的超声波；

频率跟踪电路获得超声换能器两端电压和电流的相位差信号，将其输入到模糊控制器，实时调节PWM波形频率，使其工作在谐振频率上；

振荡器用于产生频率为1MHz、占空比为50％的方波信号，该方波信号控制二级boost电路开关管的导通与截止，开关管导通时，电感储能，开关管截止时，电感释放能量，电感的能量和电源电压的叠加，使其输出电压升高，达到升压的目的；

利用电压电流检测电路获得超声换能器两端电压电流信号，经滤波整形后，再利用鉴相器得到电压电流的相位差，之后输入模糊控制器，实时调节PWM波的频率，使超声换能器始终工作在谐振点上；

超声换能器，用于匹配阻抗的设计，使超声换能器处于谐振状态，消除换能器静态电容的影响，利用电压检测和电流检测电路可获取换能器两端的电压和电流信号，经滤波整形后，利用鉴相器得到电压电流的相位差，之后输入模糊控制器，实时调节PWM波的频率，使超声换能器始终工作在谐振点上；

保护模块为报警电路和声功率监控电路，当超声强度超过安全值时，整个电路将停止运行，并发出报警；

无线传输模块，用于实现智能终端设备与超声理疗装置之间的通信，通过手机终端控制超声理疗仪，超声理疗仪的各项参数能够在智能终端设备显示，实现人机交互。

2.根据权利要求1所述的一种基于模糊控制算法的便携式超声理疗仪，其特征在于，所述升压模块将电池电压进行一级升压是指：将5V电压经一级Boost电路使得电压快速的上升。

3.根据权利要求1所述的一种基于模糊控制算法的便携式超声理疗仪，其特征在于，所述无线传输模块采用的是无线蓝牙技术，将处理好的信号通过蓝牙发送到超声理疗仪，超声理疗仪接收信号之后，超声理疗仪的各项参数在智能终端设备显示，实现人机交互。

4.根据权利要求1所述的一种基于模糊控制算法的便携式超声理疗仪，其特征在于，电压经两级boost电路升压之后，输出正弦波信号激励超声换能器，超声发生声强控制在100mW/cm²-200mW/cm²。

5.根据权利要求1-4之一所述的一种基于模糊控制算法的便携式超声理疗仪，其特征在于，所述通过获取换能器两端的电压和电流信号，输入模糊控制器，实时调节PWM波的频率，使换能器频率和超声驱动电路输出频率保持一致，具体包括：S1:将超声换能器两端的电流和电压的相位差作为反馈信号，反馈信号与参考信号的差值和相对频率的变化率作为模糊控制器的输入量，进行模糊化；

S2:根据相位差的变化确定偏差的物理论域，模糊化后得到偏差的模糊论域，模糊控制器的输出量经模糊化后可得模糊集；

S3:建立模糊规则，以阶跃响应为基础，经过测试***的输入输出数据可得到人工的控制经验；

S4:清晰化，根据模糊控制的规则，得到输出模糊子集，根据输出量的模糊子集和隶属函数，通过最大隶属函数方法得到频率改变值，从而实时调整PWM波，使超声换能器始终工作在谐振频率上，达到频率自动跟踪。

6.根据权利要求1-4之一所述的一种基于模糊控制算法的便携式超声理疗仪，其特征在于，所述超声换能器匹配阻抗的设计具体包括：

(1)计算超声换能器串联支路的总阻抗，计算公式如下：

其中Z为超声换能器串联支路总阻抗，w为角频率，R、L、C分别为动态电阻、动态电感、动态电容；

(2)计算换能器的固有频率，计算公式如下：

其中f_s为换能器固有频率；

(3)计算***阻抗值，计算公式如下；

其中，Z为***阻抗，C0为静态电容；w_s表示谐振点的角频率。

(4)计算串联匹配电感值，计算公式如下：