一種低頻旋轉(zhuǎn)磁場儀的設(shè)計

任郁苗，陸文總，孟祥艷，潘海仙

一種低頻旋轉(zhuǎn)磁場儀的設(shè)計

任郁苗，陸文總，孟祥艷，潘海仙

目的：為了更方便、可靠地研究旋轉(zhuǎn)磁場的生物效應(yīng)，設(shè)計一種低頻旋轉(zhuǎn)磁場儀。方法：利用單片機控制步進電動機，帶動永磁鐵產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場，實現(xiàn)步進電動機驅(qū)動模塊、鍵盤控制模塊、顯示模塊和串口通信模塊以及測速模塊等的軟硬件設(shè)計。結(jié)果：該低頻旋轉(zhuǎn)磁場儀達到了轉(zhuǎn)速頻率范圍為1～10 Hz、轉(zhuǎn)速精度為±5%的設(shè)計要求，可精確定位刺激部位，用于小面積照射。結(jié)論：該低頻旋轉(zhuǎn)磁場儀工作穩(wěn)定可靠、頻率精度高、操作簡便，可廣泛用于低頻旋轉(zhuǎn)磁場生物效應(yīng)的研究和實驗。

低頻旋轉(zhuǎn)磁場；磁場生物效應(yīng)；單片機；步進電動機

0 引言

生物的磁效應(yīng)已經(jīng)是不爭的事實。電磁場的生物效應(yīng)研究雖然歷史悠久，但是科學(xué)、系統(tǒng)的研究始于19世紀(jì)末期，至今仍然是生物醫(yī)學(xué)的一個研究熱點。目前國內(nèi)外對于旋轉(zhuǎn)磁場的生物效應(yīng)的研究已取得了不少的成果。已有實驗研究低頻旋轉(zhuǎn)磁場對于腫瘤細(xì)胞、微循環(huán)系統(tǒng)、心血管系統(tǒng)、神經(jīng)系統(tǒng)、組織和損傷恢復(fù)、骨骼生長等方面的影響[1-6]，這些低頻旋轉(zhuǎn)磁場生物效應(yīng)的研究為臨床磁場療法提供了可靠的實驗依據(jù)及理論基礎(chǔ)。

要研究旋轉(zhuǎn)磁場的生物效應(yīng)，就要有能夠產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場的儀器。根據(jù)實驗要求，需要產(chǎn)生頻率為1～10 Hz、轉(zhuǎn)速精度為±5%的低頻旋轉(zhuǎn)磁場。產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場的方法多種多樣，總的來說分為兩大類：一類采用交變電流流過線圈合成旋轉(zhuǎn)磁場[7-11]，采用這種方法產(chǎn)生3 000 G（1 G=10-4T）左右的磁場需要的線圈的體積很龐大，難以精確定位刺激部位，無法用于小面積照射的磁刺激實驗；另一類旋轉(zhuǎn)磁場采用永磁體旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生，通常利用直流伺服電動機帶動永久磁鐵旋轉(zhuǎn)來產(chǎn)生[12-13]，但是直流電動機的轉(zhuǎn)速易受外界控制電壓、阻力等因素的影響，使其產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場的頻率精度不夠。而步進電動機具有轉(zhuǎn)速穩(wěn)定、易于控制等特點，本文利用單片機來控制步進電動機，研制帶有測速功能的高精度的低頻旋轉(zhuǎn)磁場儀。

1 旋轉(zhuǎn)磁場的設(shè)計方法與工作原理

該系統(tǒng)主要以單片機為核心控制步進電動機，實現(xiàn)高精確且具有良好穩(wěn)定性的旋轉(zhuǎn)磁場。該儀器的整體設(shè)計方法就是把強度不同的磁鐵，通過固定裝置固定在步進電動機的轉(zhuǎn)軸上，當(dāng)電動機轉(zhuǎn)動時，就會帶動磁鐵旋轉(zhuǎn)，從而產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場。因而旋轉(zhuǎn)磁場產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)頻率由步進電動機的轉(zhuǎn)速決定，旋轉(zhuǎn)磁場的磁場強度由永久磁鐵產(chǎn)生的磁場強弱決定。

1.1 永磁鐵磁場強度的計算方法

由安培分子環(huán)流假設(shè)可知，永磁體經(jīng)過均勻磁化以后，其內(nèi)部的分子電流效應(yīng)相互抵消，磁體整體呈現(xiàn)出只存在表面電流，而磁體內(nèi)部電流不存在的現(xiàn)象。根據(jù)比奧-薩戈爾定理，表面電流產(chǎn)生的空間磁感應(yīng)強度為[14]式中：μ是磁體在真空中的磁導(dǎo)率；k（z′）為表面電流的密度向量；z為磁場空間點的坐標(biāo)；z′是原點的空間坐標(biāo)；ez為單位矢量；s為電流的表面分布區(qū)域。根據(jù)上式就可以計算出單個永磁體在空間任意點的磁感應(yīng)強度。

1.2 步進電動機細(xì)分驅(qū)動控制

步進電動機由于自身的設(shè)計缺陷，存在低頻時產(chǎn)生振蕩、高頻時又容易失步的問題，導(dǎo)致采用步進電動機設(shè)計的旋轉(zhuǎn)磁場不穩(wěn)定，系統(tǒng)噪音較大，因此在采用步進電動機帶動永磁鐵產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場時，選擇什么樣的驅(qū)動方法來解決上述問題，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和運行性能，是必不可少的一環(huán)。根據(jù)前人的經(jīng)驗和研究結(jié)果，本系統(tǒng)采用細(xì)分驅(qū)動方法，經(jīng)過實踐，發(fā)現(xiàn)控制驅(qū)動的細(xì)分量可以使步進電動機低頻振蕩的問題得到有效的解決，大大降低儀器運行時的噪音。

整步驅(qū)動時，［0°，90°）的步進電動機總有效電磁轉(zhuǎn)矩為

細(xì)分驅(qū)動時，［0°，90°）的總有效電磁轉(zhuǎn)矩為

由式（2）和（3）得到細(xì)分驅(qū)動與整步驅(qū)動時的總有效電磁轉(zhuǎn)矩之差為

分析比較步進電動機細(xì)分驅(qū)動和整步驅(qū)動時形成的電磁轉(zhuǎn)矩，說明通過調(diào)整驅(qū)動的細(xì)分量可有效增大步進電動機的電磁轉(zhuǎn)矩，減小電磁轉(zhuǎn)矩的波動幅度，使電磁轉(zhuǎn)矩波動的頻率顯著增大，表明采用調(diào)整步進電動機驅(qū)動細(xì)分量的方法可以使步進電動機低頻振蕩和高頻容易失步等缺點得到有效改善，使其運行性能得到明顯提高。

2 系統(tǒng)的電路設(shè)計

本系統(tǒng)以AT89C51單片機芯片作為核心，通過單片機產(chǎn)生脈沖序列，控制單片機輸出脈沖的頻率，從而控制步進電動機的轉(zhuǎn)速，同時通過測速系統(tǒng)測出電動機的轉(zhuǎn)速。通過鍵盤控制模塊進行步進電動機的轉(zhuǎn)速、方向、控制模式以及定時時間的設(shè)置；顯示模塊主要用來顯示步進電動機的脈沖頻率、方向。本系統(tǒng)還可以實現(xiàn)電動機的手動和自動2種控制模式。在手動控制模式下，電機一直運行直到按下停止鍵。自動控制模式可以通過定時控制電動機的運行時間，設(shè)定好運行時間之后，電動機就會按照設(shè)定的時間運行，當(dāng)定時時間到，停止運行，這為此儀器的使用帶來了很大的方便。其系統(tǒng)總體設(shè)計框圖如圖1所示，主要包括電動機驅(qū)動電路、電動機測速電路、控制鍵盤部分、人機交互顯示部分的設(shè)計和通信模塊的設(shè)計。下面將對各主要模塊的具體設(shè)計進行詳細(xì)介紹。

圖1 系統(tǒng)總體框圖

2.1 電動機驅(qū)動模塊

本系統(tǒng)采用集成達林頓管ICULN2003A作為功率驅(qū)動芯片，使用功率芯片與單片機相連時還需要增加限流電阻。其硬件設(shè)計原理圖如圖2所示。單片機的P1.5、P1.6、P1.7、P3.6 4個引腳分別通過非門芯片7404控制步進電動機的驅(qū)動芯片ULN2003A，圖中的R9～R12即為限流電阻。

圖2 步進電動機驅(qū)動電路模塊

此旋磁控制系統(tǒng)的步進電動機為四相六線形式的步進電動機。四相六線步進電動機一共有6根引線，4個相序分別為A、B、C、D。步進電動機通過脈沖控制來改變轉(zhuǎn)速和方向，脈沖控制有四相單四拍、四相雙四拍、四相八拍等方式。每種脈沖控制方式都有其缺點和優(yōu)勢?？偟膩碚f，四相八拍脈沖控制方式與其他方式比較，步距角減小了1/2，有利于削弱步進電動機的低頻振蕩、降低噪聲，同時提高步進電動機的帶負(fù)載能力。由于旋轉(zhuǎn)磁場儀主要用于生物實驗，對噪聲要求較高，通過比較，本系統(tǒng)采用四相八拍的勵磁順序?qū)Σ竭M電動機進行控制。實際編寫程序時，對A、B、C、D 4個相位用二進制數(shù)字0、1建立導(dǎo)通順序，從而建立四相八拍的控制模式，當(dāng)通過“AAB-B-BC-C-CD-D-DA”順序控制步進電動機運轉(zhuǎn)的時候，電動機正轉(zhuǎn)；反之，電動機反轉(zhuǎn)。其系統(tǒng)仿真波形如圖3、4所示。

圖3 正轉(zhuǎn)時A、B、C、D 4個相位產(chǎn)生的脈沖波形

圖4 反轉(zhuǎn)時A、B、C、D 4個相位產(chǎn)生的脈沖波形

2.2 測速模塊

測速模塊采用3144速度傳感器[15]，此傳感器的應(yīng)用原理是霍爾效應(yīng)，其設(shè)計方法是通過在電動機轉(zhuǎn)軸上的轉(zhuǎn)盤固定磁鋼，轉(zhuǎn)盤隨著電動機軸旋轉(zhuǎn)，同時帶動磁鋼旋轉(zhuǎn)，在轉(zhuǎn)盤下方安裝一個霍爾器件，磁鋼隨固定在電動機上的轉(zhuǎn)盤旋轉(zhuǎn)時，所產(chǎn)生的磁場就會隨之發(fā)生變化，霍爾器件感應(yīng)到磁鋼磁場的變化輸出脈沖信號，其頻率和旋轉(zhuǎn)速度成正比。脈沖信號的周期與電動機的轉(zhuǎn)速有以下關(guān)系：

式中：N為電動機每分鐘的轉(zhuǎn)速；p為電動機轉(zhuǎn)一圈的脈沖數(shù)；t為輸出方波信號周期。根據(jù)式（5）可以得出電動機每分鐘的轉(zhuǎn)速。在測量電動機轉(zhuǎn)速的時候，把霍爾開關(guān)產(chǎn)生的脈沖送入單片機中，獲得脈沖數(shù)，再通過上面的公式將轉(zhuǎn)速計算出來，然后送到數(shù)碼管顯示轉(zhuǎn)速，完成轉(zhuǎn)速測量。

2.3 鍵盤控制模塊

本系統(tǒng)的按鍵共有16個，包括0～9 10個數(shù)字鍵，上移、下移鍵，左移、右移鍵，確定和停止鍵。各按鍵的功能分別為：10個數(shù)字鍵用來選擇電動機控制頻率；左移和右移鍵用來移動光標(biāo)，選擇要設(shè)置參數(shù)的位置；上移和下移鍵用來設(shè)置電動機的方向和控制模式，其中上移鍵用來選擇電動機正轉(zhuǎn)，控制模式為手動控制，下移鍵表示電動機的方向為反轉(zhuǎn)，控制模式為自動控制；確定鍵用來啟動電動機運行，停止鍵停止電動機運行。其程序流程如圖5所示。

圖5 鍵盤掃描子程序流程圖

3 測試結(jié)果

利用該系統(tǒng)的測速模塊對步進電動機的轉(zhuǎn)速進行測試，要求步進電動機轉(zhuǎn)速誤差不超過±5%，在600 r/min（10 Hz）時，轉(zhuǎn)速誤差不超過±5%；轉(zhuǎn)速在60 r/min（1 Hz）時，誤差不超過±5%。測試結(jié)果見表1。

表1 測試數(shù)據(jù)

在表1中，當(dāng)步進電動機轉(zhuǎn)速設(shè)為600 r/min（10Hz）時，實測轉(zhuǎn)速相對于設(shè)定轉(zhuǎn)速的誤差為-2.5%；轉(zhuǎn)速在60 r/min（1 Hz）時，實測轉(zhuǎn)速相對于設(shè)定轉(zhuǎn)速的誤差為1.7%。顯然，此低頻旋轉(zhuǎn)磁場儀達到了轉(zhuǎn)速頻率范圍為1～10 Hz、轉(zhuǎn)速精度為±5%的設(shè)計要求。

4 結(jié)論

結(jié)合目前低頻旋轉(zhuǎn)磁場在臨床磁療方面的應(yīng)用，本文設(shè)計的低頻旋轉(zhuǎn)磁場儀利用永磁體產(chǎn)生的高強度旋轉(zhuǎn)磁場，具有體積小、聚焦精度高的優(yōu)點，可用于小面積磁刺激場合；采用高精度和穩(wěn)定度的步進電動機取代了常用的直流伺服電動機產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場，并且?guī)в袦y速模塊，可以精確地測量和控制旋轉(zhuǎn)磁場的頻率；同時該儀器采用單片機控制，可以進行磁場頻率、方向和手動/自動模式的設(shè)置和顯示，操作方便、實用新穎，可廣泛應(yīng)用于低頻旋轉(zhuǎn)磁場生物效應(yīng)的實驗和研究。

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（收稿：2014-07-06 修回：2014-12-01）

Design of low-frequency spinner magnetometer

REN Yu-miao,LU Wen-zong,MENG Xiang-yan,PAN Hai-xian
（School of Electronics and Information Engineering,Xi'an Technological University,Xi'an 710021,China）

ObjectiveTo design a low-frequency spinner magnetometer to explore the bio effect of rotating magnetic field. MethodsSCM was used to control stepping motor,and then permanent magnet was driven to generate rotating magnetic field.The design was completed for the hardware and software of driver module for stepping motor,keyboard control module,display module,serial communication module and speed measuring module.ResultsThe magnetometer met the desired requirements for rotating frequency from 1 to 10 Hz and precision of±5%,which could locate the stimulation position accurately for small-area irradiation.ConclusionThe magnetometer has high reliability,high frequency accuracy and easy operation,and thus can be used for the study and experiment on the bio effect of low-frequency rotating magnetic field.[Chinese Medical Equipment Journal，2015，36（4）：16-18，28]

low-frequency rotating magnetic field;biological effect of magnetic field;SCM;stepping motor

R318；TH772.1

A

1003-8868（2015）04-0016-04

10.7687/J.ISSN1003-8868.2015.04.016

西安工業(yè)大學(xué)校長基金科研項目（XAGDXJJ1313）；陜西省教育廳專項科研計劃項目（14JK1341）

任郁苗（1977—），女，講師，主要從事生物醫(yī)學(xué)電子與儀器、自主神經(jīng)系統(tǒng)功能評價與調(diào)控、電子信息技術(shù)方面的研究工作，E-mail：yumiaoren @163.com。

710021西安，西安工業(yè)大學(xué)電信學(xué)院生物醫(yī)學(xué)工程系（任郁苗，陸文總，孟祥艷，潘海仙）