腿部气动按摩仪的设计本科毕业论文

本科生毕业（论文） 设计(论文)题目：腿部气动按摩仪的设计 诚信声明 我声明，所呈交的毕业设计书或毕业论文是本人在指导教师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。据我查证，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，毕业设计或毕业论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。我承诺，本人的毕业设计说明书或论文中的所有内容均真实、可信。 作者签名： 签名日期： 腿部气动按摩仪的设计 摘 要 本文设计一种以单片机STC89C52RD为核心器件组成的腿部气动按摩仪, 由硬件电路设计部分、软件程序设计部分和机械动作设计部分3个模块组成。利用单片机I/O口输出的高低电平对机械部分进行控制，气囊模拟小腿腓肠肌功能。使用时将气囊固定在腿部，系统供电后，气囊会定时充气、放气，使静脉瓣有节奏的开合，促进腿部血液循环，以达到缓解腿部疲劳的效果；同时对于有轻微静脉曲张迹象的患者来说，目前对于下肢静脉曲张的物理治疗，还仅限于传统的弹性袜治疗法和弹力绷带疗法，但治疗的效果也不十分理想。腿部气动按摩仪的研制填补了这项空白，使患者在不开刀的状态下，能更有效地进行缓解和预防。 【关键词】：STC89C52RD 气动式 按摩仪 静脉曲张 The Design of Leg ministry Pneumatic Massage Apparatus Abstract This paper designs a single-chip STC89C52RD as the core parts of leg ministry pneumatic massage device, by power supply circuit, drive circuit and single-chip microcomputer control the mechanical action 3 modules. Use single chip computer I/O mouth the discretion of the output level to control the mechanical part. Balloons simulate Seated calf muscle function, when using, they will be fixed in the leg air. As well as power supplies, balloons will put the aeration and timing gas, making the vein disc rhythmic close, promoting the leg blood circulation, and relieving fatigue in order to achieve the effect of the legs; At the same time, for those who have a slight signs varicose veins. At present, varicose veins physical therapy is still confined to the traditional stretch socks therapy and elastic bandage therapy, but the effects of the treatment is not very ideal. Leg ministry pneumatic massage gauge developed to fill this gap, so that patients in the state of operation, can more effectively to ease and prevention. 【Key Words】: STC89C52RD Pneumatic type Massage instrument Varicose vein 目 录 1 1 绪论 1 1.1 系统方案的设计 5 1.2 系统设计的功能简介 5 1.3 系统的设计 7 2 腿部气动按摩仪的硬件设计 7 2.1 硬件设计概述 8 2.2 电源电路 8 2.3 STC89C52RD单片机介绍 10 2.4 STC89C52RD单片机最小系统 12 2.5 气泵驱动电路、电磁阀驱动电路 13 2.6 系统结构图 15 3 腿部气动按摩仪的软件设计 15 3.1软件设计概述 15 3.2 系统程序流程图 16 3.3 系统程序设计 20 4 腿部气动按摩仪的机械部分设计 20 4.1 机械部分设计概述 20 4.2 定时时间模型的建立 23 4.3 二位三通电磁阀介绍 24 4.4 气路连接部分设计的工作原理 26 4.5 实物说明 27 5 总结及展望 28 参考文献 29 附 录 32 致 谢 1 绪论 1.1 系统方案的设计 1.1.1腿部气动按摩仪的研究背景 在我国乡村，有很多中年人长年累月的体力劳动；有些老年人整天坐在屋子里以打牌、打麻将为娱乐消遣；近年来随着城市化进程的加快、房地产行业的火热，农民弃农进城打工已经成为现在都市的一道风景；长途司机的长时间驾驶；教师讲课时的长时间站立；青少年人群中的宅男、宅女……，以上这些长时间坐卧或者是长时间站立的人群，都有可能产生腿部疲劳，甚至程度不同的静脉曲张。 下肢静脉曲张主要是指下肢浅静脉系统处于伸长、蜿蜒和曲张状态。长期站立工作、重体力劳动、妊娠、慢性咳嗽、习惯性便秘等因素，都可使瓣膜承受过度的应力，逐渐松弛，瓣膜正常关闭功能受到破坏，或者下肢作持久不即不是有节奏的运动，当循环血量经常超过回流的负荷，亦可酿成压力升高、静脉扩张，以致瓣叶游离缘在关闭时不能合拢，从而形成相对性关闭不全，形成静脉曲张。单纯下肢静脉所引起的临床表现，一般并不严重，主要表现为下肢浅静脉蜿蜒扩张迂曲，如病程继续进展，到后期，尤其是当交通静脉瓣膜破坏后，可出现轻度肿胀和足靴区皮肤营养性变化，包括皮肤萎缩、脱屑、瘙痒、色素沉着、皮肤和下皮组织硬结、甚至湿疹和溃疡形成。 1.1.2 腿部气动按摩仪的研究现状 目前，医学上对下肢静脉曲张的治疗基本上还是手术治疗法，即通过作血管结扎手术，将某条曲张的血管封闭，使得流过该条血管的静脉回血改从其余的浅表静脉回流心脏，近期也出现了一些非手术疗法，即通过药物将该条曲张的血管硬化，达到治疗静脉曲张的目的。这些方法对于患静脉曲张很严重的病人可能比较有效，但对于有轻微静脉曲张迹象的患者来说，手术和药物治疗法并不是首选。手术治疗必定会有伤疤，这对于一些爱美的年轻患者来讲，就是致命的一个因素，不到万不得已他们是不会选择接受手术治疗的。但目前对于下肢静脉曲张的物理治疗，还仅限于传统的弹性袜治疗法和弹力绷带疗法，但治疗的效果也不十分理想。因此患者迫切需要一种更好的预防和治疗下肢静脉曲张的仪器，在不开刀、无痛无疤的状态下，能更有效地进行预防和治疗。 1.1.3 腿部气动按摩仪的设计依据 根据血流动力学理论，下肢静脉血液能对抗重力而向心回流，受到多种因素影响，首先是小腿肌泵功能，小腿腓肠肌内含有大量静脉窦，内容血量可达140ml，且肌泵受筋膜所包裹，一次肌泵收缩可排出60—90ml血液，是静脉回流的主要动力，所以又被称为“第二心脏”。其次是胸腔吸气期和心脏舒张期产生的负压作用，使周围静脉与心脏之间形成压力梯度，血液向心回流。还有就是静脉瓣膜的单向关闭功能，能对抗近侧血柱的重力作用，阻止血液向远侧倒流。综合这三种因素才使得下肢静脉血液能够对抗重力向心回流，其中任何一个因素出问题，都有可能形成静脉曲张。小腿腓肠肌的收缩功能是促使静脉回血的主要动力，一旦静止不动，小腿肌泵功能消失，则踝部静脉承受的压力最高，淤血程度也最严重。下肢静脉长时间承受很高的压力，久而久之，静脉瓣膜会松弛，失去单向关闭功能，便会形成静脉曲张。 1.1.4 腿部气动按摩仪的设计思路 若要修复失去支撑能力的瓣膜，需要很复杂的手术而且收效甚微，此方法并不可取。设想，如果能够在人长时间站立不动时，外加一个类似小腿肌泵功能的装置，来代替小腿腓肠肌的收缩机制，能有节律地辅助静脉血回流心脏，这样就不会使静脉瓣膜承受过重的压力而变性导致静脉曲张的形成了。初步设想一种充气式按摩腿套能固定于患者下肢病患处，它由多条可封闭气囊组成。各个气囊的充气均可由外电路控制，首先将其中两个相间隔的气囊迅速地充满空气，此时腿套逐渐挤压小腿，在一定程度上起着促进静脉血液流动的作用，阻止了静脉回血倒流后瘀滞在腿部。当气囊内的空气达到一定的压力后，使其中另外两个相间隔的气囊开始充气，同时将先前已经充气到一定压力的气囊放气，当气囊内的气体压力在人体腿部感受不到后（此时便认为气体已经放光），再次对刚刚放气完毕的气囊快速充气，同时使已经充气到一定压力的气囊开始放气。重复上一过程。利用各气囊充、放气之间产生的负压来促使腿部静脉血流动，同时加速了血液循环，实现了静脉血在人静止不动时仍然可以对抗自身的重力作用而向心回流心脏的可能，此功能既缓解了腿部疲劳，也避免了因长久站立不动而导致的静脉曲张。 1.1.5 腿部气动按摩仪的设计方案 腿部气动按摩仪便是在上述依据的基础上研制的，它是由控制盒和充气腿套这两个主要部分构成的，其结构如图1-1所示。 图1-1 腿部气动按摩仪的外观结构 充气腿套是由4条密闭气囊组成的，被固定在患者下肢。控制盒内则包含所有用来控制充气腿套的控制电路，由使用者随身携带。治疗时，打开控制盒上的开关，控制盒内的自动充气泵向充气腿套中的气囊迅速充气。并按照先1、3后2、4的次序进行充气、放气，循环往复，达到对下肢按摩并促使静脉瘀滞血液回流心脏的目的，其中充气腿套上各个气囊的充放气顺序和作用时间均是由控制盒中的电路来控制实现的。 充气腿套主要是由4条带有电磁阀控制的气囊构成，它的制作要求比较高，要符合密封、轻便、舒适、美观这四项要求。气囊的密封性要好，否则会影响充放气速度，治疗的效果会大打折扣。充气腿套应该可以由使用者按照个人的小腿粗细自行绑定，所以要选择一些质地轻柔且较耐磨的材料制作，而且腿套的外形设计应符合人体解剖学，使患者穿着舒适、美观，满足使用者即使是在工作时也可以使用的要求。 控制盒主要用来控制充气腿套内各气囊的充、放气顺序，还可以通过盒内部的单片机来控制该气动式按摩仪的工作时间。其内部主要设计大致如下：电源电路；单片机最小系统；气泵驱动电路；电磁阀驱动电路；快速自动充气泵；电磁阀；气路连接部分。 电源电路：为整个系统提供工作电压及工作电流，因此在制作之前需先确定整个系统所需要的工作电压和电流。 单片机最小系统：是整个系统的核心组成部分，包括复位电路和时钟电路，单片机用来控制各个气囊的充、放气时间和充、放气顺序，是整个系统的控制核心。本系统选用的是STC89C52RD单片机，工作电压为直流电5V。 气泵驱动电路：是由单片机输出控制信号来控制继电器开合的电路，继电器类型的选择很重要，本系统选择常开五个引脚的继电器，当继电器闭合时，气泵开始工作，在电磁阀的控制下为预定的气囊开始充气。本系统中驱动电路工作电压设定为直流电12V。 电磁阀驱动电路：本质上与气泵控制电路原理相同，单片机控制电磁阀的开合，使其在气泵工作状态下，控制气囊的充、放气顺序。本系统中驱动电路工作电压设定为直流电12V。 快速充气泵：气泵的选择很重要，需要考虑到工作电压、工作电流、噪音的大小、耐压情况和气孔孔径尺寸等，其中尤其需注意气孔孔径尺寸的选择，因为这一因素同时也是气路连接设计中的一项重要因素,利用快速自动充气泵对充气腿套内的气囊进行快速充气，由于速度比较快，可减少静脉受到较长时间的挤压可能出现的淤血现象，充气泵是该装置最主要的动力系统，直接影响到治疗的效果，因此选择时应较慎重。本系统的气泵选择为直流12V工作电压，250mA工作电流。 电磁阀：在选择时，首先是在气路连接部分设计好之后根据所需气囊的控制顺序以及充、放气方式来选择所需要的电磁阀的规格以及类型, 这也是该装置一个比较有创意并且符合生命特征的一个设想。本系统选择的电磁阀为二位三通电磁阀，工作电压为直流12V，工作电流为270mA。 气路连接部分：是整个系统的第二大核心组成部分，其中气路的密闭性，气路的孔径尺寸，气路设计的连接以及气流流向的控制等都在很大程度上影响了整个系统的工作效率。 1.2 系统设计的功能简介 1、智能控制：由单片机发出指令对整个系统中各相关器件进行控制。 2、循环按摩：通电后，气泵自动向两相隔气囊内进行充气，定时时间到之后，气泵自动向另外两相隔气囊进行充气，同时已充气气袋自动放气，促进腿部静脉瓣开合，进而加速腿部血液循环。 3、方便实惠：携带方便，实现了医疗仪器的便携式使用方式，适用于广大普通人群。 4、适应性强：因其便携性，结构简单，适用于不同行业，比如教师、司机；适用于不同人群，男女老少皆宜；适用于不同工薪阶层，从白领到蓝领皆宜。 5、适用范围：旅游、医疗、服务等行业。 1.3 系统的设计 系统设计的总框图如图1-2所示: SHAPE \* MERGEFORMAT 图1-2 腿部气动按摩仪的设计总框图 电源电路将12V直流电降到直流5V为单片机供电，系统供电后，单片机输出高电平或低电平控制继电器动作，继电器的闭合或断开可以控制气泵和电磁阀的工作与否，气泵和电磁阀1工作时，气囊1、3充气，达到设定充气时间后，气泵和电磁阀2工作，气囊2、4充气，同时气囊1、3放气，达到设定充气时间后，气泵和电磁阀1工作，系统按照这个顺序重复使气囊充气和放气。 2 腿部气动按摩仪的硬件设计 2.1 硬件设计概述 系统组件原理图如图2-1所示： 图2-1 系统组件原理图 为使硬件电路搭建与调试方便，本系统使用了单片机最小系统进行控制，硬件电路主要包括电源电路和工作电路，其中工作电路包括：单片机最小系统，气泵驱动电路，电磁阀驱动电路。整个系统由12V的开关电源供电，电源电路是利用LM7805将12V电压降为直流5V电压为单片机供电，系统上电开始工作后，单片机自动复位，采用内部时钟电路产生时钟，单片机的P2.0引脚输出高电平使三极管Q1导通，继电器闭合，P2接口通电，驱动气泵开始充气，与此同时，单片机的P2.1引脚也输出高电平使三极管Q2导通，继电器闭合，P3接口通电，驱动电磁阀1开始工作，为第1、3气囊充气。充气定时时间到以后，P2.1引脚输出低电平，Q2截止，继电器断开，电磁阀1停止工作，第1、3气囊通过电磁阀1的排气口自动放气；此时P2.2引脚输出高电平，Q3导通，P4接口通电，驱动电磁阀2开始工作，为第2、4气囊充气，充气定时时间到以后，P2.2引脚输出低电平，Q3截止，继电器断开，电磁阀2停止工作，第2、4气囊通过电磁阀2的排气口自动放气；同时，电磁阀1又开始工作。电磁阀1和电磁阀2依次循环工作，当到达已设定的按摩循环次数后，P2.0引脚输出低电平，Q1截止，继电器断开，气泵停止工作。 2.2 电源电路 电源电路设计时主要考虑因素有系统工作所需电压、系统工作所需电流，本系统使用的是12V直流电源供电，系统总电流为2A。 电源电路的电路图如图2-2： 图2-2 腿部气动按摩仪的电源电路 系统直接采用DC12V@2A的开关电源为系统供电，经7805降压为直流5V为STC89C52RD单片机供电。 2.3 STC89C52RD单片机介绍 2.3.1 STC89C52RD简介 STC89C52RD是一种低功耗、高性能CMOS 8位微控制器，具有 8K 可编程Flash 存储器。在单芯片上，拥有灵巧的8 位CPU 和可编程Flash，使得STC89C52RD为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案。 具有以下标准功能： 8K字节Flash，512字节RAM， 32 位I/O 口线，看门狗定时器，内置4KB EEPROM，MAX810复位电路，三个16 位 定时器/计数器，一个6向量2级中断结构，全双工串行口。另外 STC89C52RD 可降至0Hz 静态逻辑操作，支持2种软件可选择节电模式。空闲模式下，CPU 停止工作，允许RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工作。掉电保护方式下，RAM内容被保存，振荡器被冻结，单片机一切工作停止，直到下一个中断或硬件复位为止。最高运作频率35MHz，6T/12T可选。 2.3.2 STC89C52RD 主要功能 STC89C52RD 主要功能如表2-1： 表2-1 STC89C52RD主要功能 主要功能特性 兼容MCS51指令系统 8K可反复擦写Flash ROM 32个双向I/O口 256X8bit内部RAM 3个16位可编程定时/计数器中断 时钟频率0-24MHz 2个串行中断 可编程UART串行通道 2个外部中断源 共6个中断源 2个读写中断口线 3级加密位 低功耗空闲和掉电模式 软件设置睡眠和唤醒功能 2.3.3 STC89C52RD 引脚介绍 ① 主电源引脚（2根） VCC(Pin40)：电源输入，接＋5V电源 GND(Pin20)：接地线 ②外接晶振引脚（2根） XTAL1(Pin19)：片内振荡电路的输入端 XTAL2(Pin20)：片内振荡电路的输出端 ③控制引脚（4根） RST/VPP(Pin9)：复位引脚，引脚上出现2个机器周期的高电平将使单片机复位。 ALE/PROG(Pin30)：地址锁存允许信号 PSEN(Pin29)：外部存储器读选通信号 EA/VPP(Pin31)：程序存储器的内外部选通，接低电平从外部程序存储器读指令，如果接高电平则从内部程序存储器读指令。 ④可编程输入/输出引脚（32根） STC89C52单片机有4组8位的可编程I/O口，分别位P0、P1、P2、P3口，每个口有8位（8根引脚），共32根。 PO口（Pin39～Pin32）：8位双向I/O口线，名称为P0.0～P0.7 P1口（Pin1～Pin8）：8位准双向I/O口线，名称为P1.0～P1.7 P2口（Pin21～Pin28）：8位准双向I/O口线，名称为P2.0～P2.7 P3口（Pin10～Pin17）：8位准双向I/O口线，名称为P3.0～P3.7 2.4 STC89C52RD单片机最小系统 单片机最小系统是整个电路的控制中心，它包括复位电路和时钟电路。 单片机最小系统的电路图如图2-3： 图2-3 单片机最小系统电路图 其中P2.0、P2.1、P2.2输出的高低电平用来控制驱动电路中继电器的开合，进而控制气泵和电磁阀的工作状态。 2.4.1 最小系统中的复位电路 复位操作有上电自动复位和按键手动复位两种方式。 上电自动复位是通过外部复位电路的电容充电来实现的，其电路如图2-4（a）所示。这佯，只要电源VCC的上升时间不超过1ms，就可以实现自动上电复位，即接通电源就成了系统的复位初始化。 按键手动复位有电平方式和脉冲方式两种。其中，按键电平复位是通过使复位端经电阻与VCC电源接通而实现的，其电路如图2-4（b）所示；而按键脉冲复位则是利用RC微分电路产生的正脉冲来实现的，其电路如图2-4（c）所示： 图2-4 复位电路 上述电路图中的电阻、电容参数适用于6MHz晶振，能保证复位信号高电平持续时间大于2个机器周期。 本系统使用的是12MHz的晶振，复位电路采用图2-4（a）所示的上电复位方式。 2.4.2 最小系统中的时钟电路 STC89C52RD内部有一个用于构成振荡器的高增益反相放大器，引脚RXD和TXD分别是此放大器的输入端和输出端。时钟可以由内部方式产生或外部方式产生。内部方式的时钟电路如图2-5（a） 所示，在RXD和TXD引脚上外接定时元件，内部振荡器就产生自激振荡。定时元件通常采用石英晶体和电容组成的并联谐振回路。晶体振荡频率可以在1.2～12MHz之间选择，电容值在5～30pF之间选择，电容值的大小可对频率起微调的作用。 外部方式的时钟电路如图2-5（b）所示，RXD接地，TXD接外部振荡器。对外部振荡信号无特殊要求，只要求保证脉冲宽度，一般采用频率低于12MHz的方波信号。片内时钟发生器把振荡频率两分频，产生一个两相时钟P1和P2，供单片机使用。 图2-5 时钟电路 2.5 气泵驱动电路、电磁阀驱动电路 气泵驱动电路、电磁阀驱动电路如图2-6： 图2-6 气泵驱动电路、电磁阀驱动电路电路图 电路原理：当单片机输出高电平时，三极管导通，此时电路导通，继电器吸合，气泵或电磁阀开始工作，即所选通气囊开始充气；当单片机输出低电平时，三极管截止，此时电路也处于截止状态，继电器不能吸合，因此气泵或电磁阀也不能够工作，也即此时气囊不充气。 2.6 系统结构图 PCB结构图如图2-7： 图2-7 PCB结构图 3 腿部气动按摩仪的软件设计 3.1软件设计概述 STC89C52RD单片机上程序的烧写方法是将单片机插到单片机开发板上，开发板上有集成USB转串口芯片，所以在设计系统电路时省去了设计往单片机里下载程序的部分。因此只需将已经下载好程序的单片机插到已经设计好的电路中即可运行、调试。 程序的编写主要是对充气时间的控制，对气囊充气和放气顺序的控制以及充气和放气循环次数的控制。 因为模型计算出充气时间为11.8s，忽略实际测量误差，设定充气时间为10s。 3.2 系统程序流程图 主程序流程图如图3-1： SHAPE \* MERGEFORMAT 图3-1 主程序流程图 延时程序流程图如图3-2： SHAPE \* MERGEFORMAT 图3-2 延时程序流程图 3.3 系统程序设计 系统的程序为： /*----------------------------------------------- 名称：IO口高低电平控制 内容：利用P1口控制气泵和电磁阀工作 ------------------------------------------------*/ #include //包含头文件，一般情况不需要改动，头文件包含特殊功能寄存器的定义 sbit PUMP=P2^0;// 用sbit 关键字 定义 PUMP到P1.0端口 sbit VALVE1=P2^1;// 用sbit 关键字 定义 VALVE1到P1.1端口 sbit VALVE2=P2^2;// 用sbit 关键字 定义 VALVE2到P1.2端口 /*------------------------------------------------ 主函数 ------------------------------------------------*/ void main (void) { void Delay1();//函数声明 void Delay2(unsigned int d); unsigned char i;//定义一个无符号字符型局部变量 i 取值范围 0~255 while (1) //主循环 { for(i=0;i<10;i++) //加入 for循环，表明for循环大括号中 //的程序循环执行10次 { PUMP=1; //将P1.0口赋值 0，对外输出低电平 VALVE1=1; VALVE2=0; Delay1(); //调用延时程序；更改延时数字可以更改延时长度； //用于改变闪烁频率 PUMP=1; //将P1.0口赋值 1，对外输出高电平 VALVE1=0; VALVE2=1; Delay1(); } //主循环中添加其他需要一直工作的程序 } } /*------------------------------------------------ 延时函数，延时10s。 ------------------------------------------------*/ void Delay1() { int times1,times2; for(times2=1;times2<=10;times2++) { for(times1=1;times1<=20;times1++) { Delay2(50000); } } } void Delay2(unsigned int d) { while(d--); } 4 腿部气动按摩仪的机械部分设计 4.1 机械部分设计概述 本系统设计的目的是使一个自动快速充气泵为多个预先设定的气囊充气,因此需要用到电磁阀进行气路转换。本系统选用气泵的额定电压是DC12V，额定电流为250mA，气泵的详细数据见附录1；本系统所选用的电磁阀为二位三通电磁阀，其额定电压是DC 12V，额定电流为270mA，二位三通电磁阀的详细数据见附录2。 4.2 定时时间模型的建立 4.2.1模型建立条件 在大气压下进行试验，以大气压为起点；忽略气路连接处漏气因素；电磁阀孔径与管路孔径误差可忽略；气路中空气不可压缩，密度相当于水的密度；气泵摆放位置与气路位置在同一水平线上，没有压差；忽略三通接头的阻力；忽略沿程损失。 4.2.2 符号说明 ：空气动力粘度； ：空气运动粘度； ：气管长度； ：气路压强差； ：气管半径； ：气管中流体的平均速度； ：气管内径； ：气管外径； ：雷诺数； ：气囊长度； ：气囊宽度； ：气囊充气后的高度； ：气体流过的截面积； ：气管截面积； ：收缩系数； ：阻力系数； ：流速系数； ：流量系数； 4.2.3 已知数据说明 由附录所提供的气泵和电磁阀的数据可知，气泵的最大压强为>60Kpa，电磁阀所能承受的最大压强为<46Kpa（<350 mmHg ），因此设定气路中压强差为30Kpa。在压强为101.325Kpa，温度为20oC条件下，空气的动力粘度 ，空气的运动粘度 ，气管长度 =36.3cm，气管内径 =5mm，气管外径 =7mm，气囊长度 =28cm，气囊宽度 =8.6cm，气囊充气后的高度 =5cm。 4.2.4 建立模型 模型一：气管中流体状态的确定 气管中流体的平均速度为： (4-1) 因此雷诺数为： (4-2) 因为雷诺数1220276>13800，因此管中流动状态是湍流。 模型二：定时时间的确定 因为 ，所以此模型属于大孔口问题。 大孔口的收缩系数取决于孔口直径与管道直径之比： (4-3) 当 时， ，则大孔口的流速系数为： (4-4) 于是流量系数为： (4-5) 所以流量为： (4-6) 因为一个气囊的容积为： (4-7) 所以充气时间为： (4-8) 因此需设定充气时间为11.8s。 4.2.5 可行性验证 由模型建立条件知，将气囊内空气密度设定为 进行计算。 (4-9) 因为人体心脏得舒张压为11Kpa，而2.74pa<11Kpa，说明气囊充气使腿部血液循环流动以及血液回流有了一定的压力支撑，同时2.74pa<30Kpa，即气囊内部压强小于气管中的压强差，说明了计算结果的合理性。 实际上，气囊内气体的密度小于水的密度，因此保证了所求结果的正确性。 4.3 二位三通电磁阀介绍 4.3.1 电磁阀简介 电磁阀是用电磁控制的工业设备，用在工业控制系统中调整介质的方向、流量、速度和其他的参数。电磁阀可以配合不同的电路来实现预期的控制，而控制的精度和灵活性都能够保证。电磁阀有很多种，不同的电磁阀在控制系统的不同位置发挥作用，最常用的是单向阀、安全阀、方向控制阀、速度调节阀等。 在气动回路中，电磁控制换向阀的作用是控制气流通道的通、断或改变压缩空气的流动方向。主要工作原理是利用电磁线圈产生的电磁力的作用，推动阀芯切换，实现气流的换向。按电磁控制部分对换向阀推动方式的不同，可以分为直动式电磁阀和先导式电磁阀。直动式电磁阀直接利用电磁力推动阀芯换向，而先导式换向阀则利用电磁先导阀输出的先导气压推动阀芯换向。 4.3.2 二位三通电磁阀的工作原理 二位三通电磁阀，此类电磁阀有三个外通口A、P、T，有两种使用功能，①换向：当线圈通电时，动铁芯吸合静铁芯气体从P到A相通,当线圈断电时，动铁芯在弹簧力作用下关闭阀体上的阀口，气体从A到T相通；②分流：当线圈通电时，动铁芯吸合静铁芯气体从A到P相通，当线圈断电时，动铁芯在弹簧力作用下关闭阀体上的阀口，气体从A到T相通。 二位三通电磁阀如图4-1: 图4-1 二位三通电磁阀 4.4 气路连接部分设计的工作原理 机械部分的设计如图4-2： SHAPE \* MERGEFORMAT 图4-2 腿部气动按摩仪气路连接部分结构图 气路连接部分的工作完全由单片机控制，当单片机的P2.O口输出高电平时，气泵开始工作，向气路中充气，此时若P2.1口输出高电平，说明电磁阀1开始工作，即气囊1、气囊3开始充气；若P2.2口输出高电平，说明电磁阀2开始工作，即气囊2、气囊4开始充气。其中P2.1口和P2.2口不同时输出高电平或低电平，即在气泵工作状态下，电磁阀1与电磁阀2必有其中一个处于工作状态，另一个处于不工作状态。与处于工作的状态的电磁阀相连接的气囊处于充气状态；与处于不工作状态的电磁阀相连接的气囊处于放气状态。 4.5 实物说明 毕业设计实物照片如图4-3： 图4-3 毕业设计实物照片 封装盒内部为控制电路和气路连接部分，外部为充气套腿（气囊）。使用时可以将气囊套在腿上，打开开关即可使用。 5 总结及展望 通过本次设计，腿部气动按摩仪的基本功能得以实现。腿部气动按摩仪利用单片机对电路以及气路的控制对气囊进行充气，以达到缓解腿部疲劳和缓解腿部静脉曲张的功效。 在本次设计中为使整个系统在低成本、低功耗的条件下实现预定目标，因此选用了直流12V，额定电流为2A的开关电源作为整个系统的供电电源。整个设计分为三个模块：硬件电路设计、软件程序设计、机械部分设计。其中难点在于单片机上程序的书写以及机械部分的设计。整个系统设计的前期准备很重要，需要掌握静脉曲张的常识，需要学习51单片机的工作模式，设计气路，以及各部分器件的选择和整个系统所需要的电压、电流。 在电路调试过程中，因为对51单片机系统知识掌握的不够全面，出现了问题，忽略了51单片机通常是低电平驱动这一知识点。尽管机械部分最主要的是气路的设计以及气泵和电磁阀的选定，但是在制作过程中也是问题百出，因为没有用来做腿套的气囊，虽然有专门定做气囊的公司，但是因为毕业设计需要的太少了，所以无法定做，为同时保证气囊可承受气压以及对腿部的适用性，选购了PVC材质的充气枕头做改装。 腿部气动式按摩仪，结构简单、携带方便、价格适中，既解决了普通家庭因为负担不起昂贵的美腿机而承受病痛的折磨，同时，又为缓解和预防腿部疲劳及静脉曲张提供了新的方法，填补了目前只有弹力袜和普通药物对腿部疾病预防领域的空白。 本次设计还有许多有待改进之处：可以在系统中添加压力传感器，这样一来就可以利用压力传感器反馈给单片机的信号对气路的充、放气进行控制；还可以在两个三通接头（共四个出口）处连接四个两通电磁阀，即可实现对每一个气囊的控制，可以利用单片机控制多方式地缓解腿部疲劳和腿部静脉曲张。 参考文献 [1] 侯玉芬, 刘明, 张玥. 下肢静脉曲张防治答疑[M]. 北京:人民军医出版社,2010 [2] 赵东亮，李海婷，朱太咏，谢艳.舒筋活络自控按摩仪的研制[J].中国医疗设备，2011,26(1):41-42. [3]沈苏静,汤黎明,郭芮兵. 治疗下肢静脉曲张气动式按摩仪的研制及其临床应用[J].医疗设备信息，2003,18（5）：14-15. [4]牛映雪，吕君.保健按摩手册[M].北京：科学出版社，2003,111-112,133,250. [5]李海涛. 全成型医用压力绷带的设计与研究[J]. 天津工业大学, 2007 . [6] 沈苏静,汤黎明. 治疗下肢静脉曲张的新型气动式按摩仪[M].中国医疗器械志,2003，27-6 [7] 吴恺红. 生理学[M]. 西安:第四军医大学出版社,2010. [8] 张毅刚,彭喜元,董继成. 单片机原理及应用[M]. 高等教育出版社,2003. [9] 谭浩强. C程序设计[M]. 北京：清华大学出版社,2005. [10] 张也影. 流体力学（第二版）[M]. 高等教育出版社,1998. 附 录 气泵的数据： 额定电压：DC12V 额定电流：250mA@12V 充气时间： < 10 Second （From 0 to 300mmHg in a 500CC tank.） 最大压力： > 450 mmHg （单位换算数值：>60Kpa >0.6KG) 气密： < 3 mmHg/minute 流量： > 2.0 L/min 噪音： < 65 dB 管径： Φ 3 mm 尺寸： Φ27*58 mm 应用领域： 广泛应用于电子血压计、监护仪等医疗器械；气囊式眼睛按摩仪、按摩腰带、精油扩香机等健康家居产品上。 二位三通电磁阀的数据： 额定电压： DC 12V 额定电流：270mA@12V 直流阻抗：45Ω±10%@12V 额定功率： 3.25 W 工作压力： < 350 mmHg 气密： < 10 mmHg/minute 泄气时间： < 3 Second（From 280mmHg to 15mmHg in a 500CC tank） 管径： Φ 7 mm 尺寸： 26*24*65 mm 应用领域： 二位三通阀，广泛应用于按摩保健器材、医疗仪器设备等领域。 致 谢 作为一个本科生的毕业设计，由于经验的匮乏，难免有许多考虑不周全的地方，如果没有指导老师的督促指导，以及一起学习的同学们的支持，想要完成整个这个设计是很困难的。 在这里首先要感谢我的指导老师王世英老师，老师平日里工作繁多，但在我毕业设计的每个阶段，从查阅资料，设计草案的确定和修改，中期检查，后期详细设计等各个设计阶段都给予了我专业的指导，这使我在电子设计领域的理论知识更加巩固。除了老师的专业水平外，他的治学严谨和讲求学以致用的精神是我永远学习的榜样，并将积极影响我的学习和工作。在做这个毕业设计之前我们虽然学习过51单片机课程，但掌握的并不全面，经过自我学习和同学的帮助，让我更加深入了解了STC89C52单片机,并且能进行基本的模块应用。 还要感谢肖志伟老师对我的指导，可以说我的毕业设计是在两个教研室完成的，我的硬件设计和软件设计部分是在仪器教研室完成，而我的机械设计部分是在物理教研室完成，肖老师帮助我设计气路，在黑板上画草图帮我分析需要注意的地方以及制作时可能出现问题需要小心的地方，肖老师和蔼可亲、待人大方、耐心指导的教学态度给了我很大的鼓励。 最后，刘海涛同学在我的毕业设计从初定题目、搜集资料、电路设计、操作制板、电路调试、机械制作整个过程中给予了我很多的指导和帮助，在这里也非常的感谢他。 四年来的所有的老师，为我们打下电信专业知识的基础；同时还要感谢我所有的同学们，正是因为有了你们的支持和鼓励，这次毕业设计才会顺利完成。 感谢曾经给予我关心和帮助的所有老师、同学和朋友们！ 毕业设计（论文）原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重承诺：所呈交的毕业设计（论文），是我个人在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的成果。尽我所知，除文中特别加以标注和致谢的地方外，不包含其他人或组织已经发表或公布过的研究成果，也不包含我为获得 及其它教育机构的学位或学历而使用过的材料。对本研究提供过帮助和做出过贡献的个人或集体，均已在文中作了明确的说明并表示了谢意。 作 者 签 名：　　 　 　　日　 期：　　 　 　　 ​​​​​​​​​​​​ 指导教师签名：　　 　 　　 日　　期：　　 　 　　 使用授权说明 本人完全了解 大学关于收集、保存、使用毕业设计（论文）的规定，即：按照学校要求提交毕业设计（论文）的印刷本和电子版本；学校有权保存毕业设计（论文）的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务；学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文；在不以赢利为目的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。 作者签名：　　 　 　　 日　 期：　　 　 　　 ​​​​​​​​​​​​ 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。 作者签名： 日期： 年 月 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权　　 　 　大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 涉密论文按学校规定处理。 作者签名： 日期： 年 月 日 导师签名： 日期： 年 月 日 毕业设计（论文）原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重承诺：所呈交的毕业设计（论文），是我个人在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的成果。尽我所知，除文中特别加以标注和致谢的地方外，不包含其他人或组织已经发表或公布过的研究成果，也不包含我为获得 及其它教育机构的学位或学历而使用过的材料。对本研究提供过帮助和做出过贡献的个人或集体，均已在文中作了明确的说明并表示了谢意。 作 者 签 名：　　 　 　　日　 期：　　 　 　　 ​​​​​​​​​​​​ 指导教师签名：　　 　 　　 日　　期：　　 　 　　 使用授权说明 本人完全了解 大学关于收集、保存、使用毕业设计（论文）的规定，即：按照学校要求提交毕业设计（论文）的印刷本和电子版本；学校有权保存毕业设计（论文）的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务；学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文；在不以赢利为目的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。 作者签名：　　 　 　　 日　 期：　　 　 　　 ​​​​​​​​​​​​ 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。 作者签名： 日期： 年 月 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权　　 　 　大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 涉密论文按学校规定处理。 作者签名： 日期： 年 月 日 导师签名： 日期： 年 月 日 注 意 事 项 1.设计（论文）的内容包括： 1）封面（按教务处制定的标准封面格式制作） 2）原创性声明 3）中文摘要（300字左右）、关键词 4）外文摘要、关键词 5）目次页（附件不统一编入） 6）论文主体部分：引言（或绪论）、正文、结论 7）参考文献 8）致谢 9）附录（对论文支持必要时） 2.论文字数要求：理工类设计（论文）正文字数不少于1万字（不包括图纸、程序清单等），文科类论文正文字数不少于1.2万字。 3.附件包括：任务书、开题报告、外文译文、译文原文（复印件）。 4.文字、图表要求： 1）文字通顺，语言流畅，书写字迹工整，打印字体及大小符合要求，无错别字，不准请他人代写 2）工程设计类题目的图纸，要求部分用尺规绘制，部分用计算机绘制，所有图纸应符合国家技术标准规范。图表整洁，布局合理，文字注释必须使用工程字书写，不准用徒手画 3）毕业论文须用A4单面打印，论文50页以上的双面打印 4）图表应绘制于无格子的页面上 5）软件工程类课题应有程序清单，并提供电子文档 5.装订顺序 1）设计（论文） 2）附件：按照任务书、开题报告、外文译文、译文原文（复印件）次序装订 3）其它 气囊充气 气囊放气 继电器控制气泵以及电磁阀工作 高低电平输出控制继电器动作 单片机 电源电路 PUMP=P2.0 VALVE1=P2.1 VALVE2=P2.2 i=0 PUMP=1 VALVE1=1 VALVE2=0 延时子程序 1 1 PUMP=1 VALVE1=0 VALVE2=1 延时子程序 i=i+1 i<10 21 21 开始 times2=1 Times1=1 延时50000us times1=times1+1 times1>20 N times2=times2+1 Times2>10 N Y Y 结束 开始 7mm 气泵 三通接头 电磁阀1 电磁阀2 三通接头 三通接头 气囊1 气囊2 气囊3 气囊4 4mm 7mm 7mm _1234567905.unknown _1234567913.unknown _1234567917.unknown _1234567921.unknown _1234567925.unknown _1234567927.unknown _1234567928.unknown _1234567929.unknown _1234567926.unknown _1234567923.unknown _1234567924.unknown _1234567922.unknown _1234567919.unknown _1234567920.unknown _1234567918.unknown _1234567915.unknown _1234567916.unknown _1234567914.unknown _1234567909.unknown _1234567911.unknown _1234567912.unknown _1234567910.unknown _1234567907.unknown _1234567908.unknown _1234567906.unknown _1234567897.unknown _1234567901.unknown _1234567903.unknown _1234567904.unknown _1234567902.unknown _1234567899.unknown _1234567900.unknown _1234567898.unknown _1234567893.unknown _1234567895.unknown _1234567896.unknown _1234567894.unknown _1234567891.unknown _1234567892.unknown _1234567890.unknown