任郁苗，陸文總，孟祥艷，潘海仙

一種低頻旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)儀的設(shè)計(jì)

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(chǎng)的生物效應(yīng)，設(shè)計(jì)一種低頻旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)儀。方法：利用單片機(jī)控制步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，帶動(dòng)永磁鐵產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、鍵盤控制模塊、顯示模塊和串口通信模塊以及測(cè)速模塊等的軟硬件設(shè)計(jì)。結(jié)果：該低頻旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)儀達(dá)到了轉(zhuǎn)速頻率范圍為1～10 Hz、轉(zhuǎn)速精度為±5%的設(shè)計(jì)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(chǎng)儀工作穩(wěn)定可靠、頻率精度高、操作簡(jiǎn)便，可廣泛用于低頻旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)生物效應(yīng)的研究和實(shí)驗(yàn)。

低頻旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)；磁場(chǎng)生物效應(yīng)；單片機(jī)；步進(jìn)電動(dòng)機(jī)

0 引言

生物的磁效應(yīng)已經(jīng)是不爭(zhēng)的事實(shí)。電磁場(chǎng)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(gè)研究熱點(diǎn)。目前國(guó)內(nèi)外對(duì)于旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的生物效應(yīng)的研究已取得了不少的成果。已有實(shí)驗(yàn)研究低頻旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)對(duì)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(zhǎng)等方面的影響[1-6]，這些低頻旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)生物效應(yīng)的研究為臨床磁場(chǎng)療法提供了可靠的實(shí)驗(yàn)依據(jù)及理論基礎(chǔ)。

要研究旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的生物效應(yīng)，就要有能夠產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的儀器。根據(jù)實(shí)驗(yàn)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(chǎng)。產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的方法多種多樣，總的來(lái)說(shuō)分為兩大類：一類采用交變電流流過(guò)線圈合成旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)[7-11]，采用這種方法產(chǎn)生3 000 G（1 G=10-4T）左右的磁場(chǎng)需要的線圈的體積很龐大，難以精確定位刺激部位，無(wú)法用于小面積照射的磁刺激實(shí)驗(yàn)；另一類旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)采用永磁體旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生，通常利用直流伺服電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)永久磁鐵旋轉(zhuǎn)來(lái)產(chǎn)生[12-13]，但是直流電動(dòng)機(jī)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(chǎng)的頻率精度不夠。而步進(jìn)電動(dòng)機(jī)具有轉(zhuǎn)速穩(wěn)定、易于控制等特點(diǎn)，本文利用單片機(jī)來(lái)控制步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，研制帶有測(cè)速功能的高精度的低頻旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)儀。

1 旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的設(shè)計(jì)方法與工作原理

該系統(tǒng)主要以單片機(jī)為核心控制步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，實(shí)現(xiàn)高精確且具有良好穩(wěn)定性的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)。該儀器的整體設(shè)計(jì)方法就是把強(qiáng)度不同的磁鐵，通過(guò)固定裝置固定在步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)軸上，當(dāng)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，就會(huì)帶動(dòng)磁鐵旋轉(zhuǎn)，從而產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)。因而旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)頻率由步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速?zèng)Q定，旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的磁場(chǎng)強(qiáng)度由永久磁鐵產(chǎn)生的磁場(chǎng)強(qiáng)弱決定。

1.1 永磁鐵磁場(chǎng)強(qiáng)度的計(jì)算方法

由安培分子環(huán)流假設(shè)可知，永磁體經(jīng)過(guò)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?duì)柖ɡ?，表面電流產(chǎn)生的空間磁感應(yīng)強(qiáng)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(chǎng)空間點(diǎn)的坐標(biāo)；z′是原點(diǎn)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(jì)算出單個(gè)永磁體在空間任意點(diǎn)的磁感應(yīng)強(qiáng)度。

1.2 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)細(xì)分驅(qū)動(dòng)控制

步進(jìn)電動(dòng)機(jī)由于自身的設(shè)計(jì)缺陷，存在低頻時(shí)產(chǎn)生振蕩、高頻時(shí)又容易失步的問(wèn)題，導(dǎo)致采用步進(jìn)電動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)不穩(wěn)定，系統(tǒng)噪音較大，因此在采用步進(jìn)電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)永磁鐵產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)時(shí)，選擇什么樣的驅(qū)動(dòng)方法來(lái)解決上述問(wèn)題，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和運(yùn)行性能，是必不可少的一環(huán)。根據(jù)前人的經(jīng)驗(yàn)和研究結(jié)果，本系統(tǒng)采用細(xì)分驅(qū)動(dòng)方法，經(jīng)過(guò)實(shí)踐，發(fā)現(xiàn)控制驅(qū)動(dòng)的細(xì)分量可以使步進(jìn)電動(dòng)機(jī)低頻振蕩的問(wèn)題得到有效的解決，大大降低儀器運(yùn)行時(shí)的噪音。

整步驅(qū)動(dòng)時(shí)，［0°，90°）的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)總有效電磁轉(zhuǎn)矩為

細(xì)分驅(qū)動(dòng)時(shí)，［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(dòng)與整步驅(qū)動(dòng)時(shí)的總有效電磁轉(zhuǎn)矩之差為

分析比較步進(jìn)電動(dòng)機(jī)細(xì)分驅(qū)動(dòng)和整步驅(qū)動(dòng)時(shí)形成的電磁轉(zhuǎn)矩，說(shuō)明通過(guò)調(diào)整驅(qū)動(dòng)的細(xì)分量可有效增大步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩，減小電磁轉(zhuǎn)矩的波動(dòng)幅度，使電磁轉(zhuǎn)矩波動(dòng)的頻率顯著增大，表明采用調(diào)整步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)細(xì)分量的方法可以使步進(jìn)電動(dòng)機(jī)低頻振蕩和高頻容易失步等缺點(diǎn)得到有效改善，使其運(yùn)行性能得到明顯提高。

2 系統(tǒng)的電路設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)以AT89C51單片機(jī)芯片作為核心，通過(guò)單片機(jī)產(chǎn)生脈沖序列，控制單片機(jī)輸出脈沖的頻率，從而控制步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，同時(shí)通過(guò)測(cè)速系統(tǒng)測(cè)出電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。通過(guò)鍵盤控制模塊進(jìn)行步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速、方向、控制模式以及定時(shí)時(shí)間的設(shè)置；顯示模塊主要用來(lái)顯示步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的脈沖頻率、方向。本系統(tǒng)還可以實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)的手動(dòng)和自動(dòng)2種控制模式。在手動(dòng)控制模式下，電機(jī)一直運(yùn)行直到按下停止鍵。自動(dòng)控制模式可以通過(guò)定時(shí)控制電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行時(shí)間，設(shè)定好運(yùn)行時(shí)間之后，電動(dòng)機(jī)就會(huì)按照設(shè)定的時(shí)間運(yùn)行，當(dāng)定時(shí)時(shí)間到，停止運(yùn)行，這為此儀器的使用帶來(lái)了很大的方便。其系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框圖如圖1所示，主要包括電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)電路、電動(dòng)機(jī)測(cè)速電路、控制鍵盤部分、人機(jī)交互顯示部分的設(shè)計(jì)和通信模塊的設(shè)計(jì)。下面將對(duì)各主要模塊的具體設(shè)計(jì)進(jìn)行詳細(xì)介紹。

圖1 系統(tǒng)總體框圖

2.1 電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊

本系統(tǒng)采用集成達(dá)林頓管ICULN2003A作為功率驅(qū)動(dòng)芯片，使用功率芯片與單片機(jī)相連時(shí)還需要增加限流電阻。其硬件設(shè)計(jì)原理圖如圖2所示。單片機(jī)的P1.5、P1.6、P1.7、P3.6 4個(gè)引腳分別通過(guò)非門芯片7404控制步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)芯片ULN2003A，圖中的R9～R12即為限流電阻。

圖2 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)電路模塊

此旋磁控制系統(tǒng)的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)為四相六線形式的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)。四相六線步進(jìn)電動(dòng)機(jī)一共有6根引線，4個(gè)相序分別為A、B、C、D。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)通過(guò)脈沖控制來(lái)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(diǎn)和優(yōu)勢(shì)?？偟膩?lái)說(shuō)，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(jìn)電動(dòng)機(jī)的低頻振蕩、降低噪聲，同時(shí)提高步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的帶負(fù)載能力。由于旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)儀主要用于生物實(shí)驗(yàn)，對(duì)噪聲要求較高，通過(guò)比較，本系統(tǒng)采用四相八拍的勵(lì)磁順序?qū)Σ竭M(jìn)電動(dòng)機(jī)進(jìn)行控制。實(shí)際編寫程序時(shí)，對(duì)A、B、C、D 4個(gè)相位用二進(jìn)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(guò)“AAB-B-BC-C-CD-D-DA”順序控制步進(jìn)電動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)的時(shí)候，電動(dòng)機(jī)正轉(zhuǎn)；反之，電動(dòng)機(jī)反轉(zhuǎn)。其系統(tǒng)仿真波形如圖3、4所示。

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

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

2.2 測(cè)速模塊

測(cè)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(jì)方法是通過(guò)在電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸上的轉(zhuǎn)盤固定磁鋼，轉(zhuǎn)盤隨著電動(dòng)機(jī)軸旋轉(zhuǎn)，同時(shí)帶動(dòng)磁鋼旋轉(zhuǎn)，在轉(zhuǎn)盤下方安裝一個(gè)霍爾器件，磁鋼隨固定在電動(dòng)機(jī)上的轉(zhuǎn)盤旋轉(zhuǎn)時(shí)，所產(chǎn)生的磁場(chǎng)就會(huì)隨之發(fā)生變化，霍爾器件感應(yīng)到磁鋼磁場(chǎng)的變化輸出脈沖信號(hào)，其頻率和旋轉(zhuǎn)速度成正比。脈沖信號(hào)的周期與電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速有以下關(guān)系：

式中：N為電動(dòng)機(jī)每分鐘的轉(zhuǎn)速；p為電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)一圈的脈沖數(shù)；t為輸出方波信號(hào)周期。根據(jù)式（5）可以得出電動(dòng)機(jī)每分鐘的轉(zhuǎn)速。在測(cè)量電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的時(shí)候，把霍爾開關(guān)產(chǎn)生的脈沖送入單片機(jī)中，獲得脈沖數(shù)，再通過(guò)上面的公式將轉(zhuǎn)速計(jì)算出來(lái)，然后送到數(shù)碼管顯示轉(zhuǎn)速，完成轉(zhuǎn)速測(cè)量。

2.3 鍵盤控制模塊

本系統(tǒng)的按鍵共有16個(gè)，包括0～9 10個(gè)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(gè)數(shù)字鍵用來(lái)選擇電動(dòng)機(jī)控制頻率；左移和右移鍵用來(lái)移動(dòng)光標(biāo)，選擇要設(shè)置參數(shù)的位置；上移和下移鍵用來(lái)設(shè)置電動(dòng)機(jī)的方向和控制模式，其中上移鍵用來(lái)選擇電動(dòng)機(jī)正轉(zhuǎn)，控制模式為手動(dòng)控制，下移鍵表示電動(dòng)機(jī)的方向?yàn)榉崔D(zhuǎn)，控制模式為自動(dòng)控制；確定鍵用來(lái)啟動(dòng)電動(dòng)機(jī)運(yùn)行，停止鍵停止電動(dòng)機(jī)運(yùn)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(cè)試結(jié)果

利用該系統(tǒng)的測(cè)速模塊對(duì)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速進(jìn)行測(cè)試，要求步進(jìn)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速誤差不超過(guò)±5%，在600 r/min（10 Hz）時(shí)，轉(zhuǎn)速誤差不超過(guò)±5%；轉(zhuǎn)速在60 r/min（1 Hz）時(shí)，誤差不超過(guò)±5%。測(cè)試結(jié)果見表1。

表1 測(cè)試數(shù)據(jù)

在表1中，當(dāng)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速設(shè)為600 r/min（10Hz）時(shí)，實(shí)測(cè)轉(zhuǎn)速相對(duì)于設(shè)定轉(zhuǎn)速的誤差為-2.5%；轉(zhuǎn)速在60 r/min（1 Hz）時(shí)，實(shí)測(cè)轉(zhuǎn)速相對(duì)于設(shè)定轉(zhuǎn)速的誤差為1.7%。顯然，此低頻旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)儀達(dá)到了轉(zhuǎn)速頻率范圍為1～10 Hz、轉(zhuǎn)速精度為±5%的設(shè)計(jì)要求。

4 結(jié)論

結(jié)合目前低頻旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)在臨床磁療方面的應(yīng)用，本文設(shè)計(jì)的低頻旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)儀利用永磁體產(chǎn)生的高強(qiáng)度旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，具有體積小、聚焦精度高的優(yōu)點(diǎn)，可用于小面積磁刺激場(chǎng)合；采用高精度和穩(wěn)定度的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)取代了常用的直流伺服電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，并且?guī)в袦y(cè)速模塊，可以精確地測(cè)量和控制旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的頻率；同時(shí)該儀器采用單片機(jī)控制，可以進(jìn)行磁場(chǎng)頻率、方向和手動(dòng)/自動(dòng)模式的設(shè)置和顯示，操作方便、實(shí)用新穎，可廣泛應(yīng)用于低頻旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)生物效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)和研究。

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[1] Gmitrov J，Ohkubo C，Okano H.Effect of 0.25T static magnetic field on microcirculation in rabbits[J].Bioelectromagnetics，2002，23（3）：224-229.

[2] LI Yi，ZHAO L，XING X，et al.Effects of different frequency electromagnetic fields on the differentiation of midbrain neural stem cells[J]. Space Med Med Eng，2002，15（5）：374-376.

[3] 宋國(guó)麗.不同頻率旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)對(duì)放射損傷小鼠的保護(hù)及造血作用恢復(fù)的研究[J].中國(guó)康復(fù)醫(yī)學(xué)雜志，2006，21（8）：689-692.

[4] ZHANG Yu，ZHANG Xiao-yun.Effect of rotating magnetic field on bone calcium metabolism in rat[J].Chinese Journal of Clinical Rehabilitation，2005，9：193-196.

[5] 韋淑貞，謝學(xué)軍，郭國(guó)禎．旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)對(duì)放射損傷小鼠血清自由基的影響[J]．中國(guó)組織工程研究與臨床康復(fù)，2008，12（22）：4 279-4 282.

[6] Erdal N，Gurgul S，Tamer L，et al.Effects of long-term expextremely low frequency magnetic field on oxidative/nistrosative stress in rat liver[J].J Radiat Res，2008，49（2）：181-187.

[7] 簡(jiǎn)小云，梅濤，汪小華．膠囊內(nèi)窺鏡機(jī)器人的外磁場(chǎng)驅(qū)動(dòng)方法[J]．機(jī)器人，2005，27（4）：367-373．

[8] 張永順，劉巍，郭銳，等．無(wú)纜微型游動(dòng)機(jī)器人驅(qū)動(dòng)磁場(chǎng)系統(tǒng)的研究[J]．機(jī)器人，2005，27（1）：63-67．

[9] 黃永紅，徐曉斌，陳照章，等.生物體低溫保存用低頻磁場(chǎng)發(fā)生裝置的研制與應(yīng)用試驗(yàn)[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2007，23（8）：150-154.

[10]陳樹君，王學(xué)震，華愛兵，等.磁控電弧旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)發(fā)生裝置[J].電焊機(jī)，2006，37（5）：47-50.

[11]郭景濤，張一萌，金志剛，等.基于矢量合成的靜止式旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)試驗(yàn)裝置[J].計(jì)量學(xué)報(bào)，2010，31（3）：193-199.

[12]張煒，黃平，孟永鋼.陣列永磁體產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的機(jī)理及實(shí)驗(yàn)[J].工程設(shè)計(jì)學(xué)報(bào)，2008，15（3）：191-197.

[13]陳龍聰，劉改琴，劉亞濤，等.數(shù)控旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)儀的研制及應(yīng)用[J].重慶醫(yī)科大學(xué)學(xué)報(bào)，2008，33（5）：618-621.

[14]倪光正．工程電磁學(xué)原理[M]．北京：高等教育出版社，2002：128．

[15]任郁苗，廉毅.醫(yī)用冷凍離心機(jī)的研制[J].醫(yī)療衛(wèi)生裝備，2010，31（6）：26-28.

（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(zhǎng)基金科研項(xiàng)目（XAGDXJJ1313）；陜西省教育廳專項(xiàng)科研計(jì)劃項(xiàng)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(píng)價(jià)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）