基于PIC单片机的嵌入式热凝切割刀系统的电路设计

本文设计了基于PIC18F2420为控制核心的嵌入式系统的手术刀。通过PWM（Pulse Width Modulation）使芯片精准地控制应用电路中的MOS管开关，使输出功率稳定，这设计手术刀是关键的。嵌入式系统在医疗器械中的应用不仅能够使得医疗器械更加高效便捷，还能够有效推动医疗器械向智能化、自动化方向发展，为医疗事业的发展取得光明的前景。本设计通过硬件与软件的结合，完成在手术中对血管切割和凝固的处理。

【关键词】PIC18F2420 医疗器械 嵌入式 智能化 PWM

切割组织的手术刀很早就广泛用于外科手术中，与之相伴的手术出血妨碍着外科发展 。热凝手术刀刃口锋利，能快速、整齐地切割和分离各种软组织；电热止血温度可调，止血效果好，热损伤轻，无焦痂，无粘结，无烟雾，无电刺激，安全方便。伴随医疗技术和医疗需求的发展，人们对医疗器械提出了越来越高的要求，在医疗器械中使用嵌入式系统不仅能够满足人们在医疗过程中对医疗器械的要求，还能够有效提升医疗效率和医疗精度，为医疗工作的开展提供强大有力的支撑。

1 PIC单片机的特点

PICl8F2420是Microchip公司生产的8位单片机产品，和Microchip公司其他产品一样可以实现在线调试和在线编程。该芯片采用精简指令集（RISC）技术和哈佛总线结构。该单片机集成了多个外围模块 。有3个定时器（TMR0、TMR1、，TMR2）；2个输入捕捉/输出比较/脉宽调制模块（CCP1、CCP2）；10位A/D转换器；通用同步/异收发器（USART）等。

2 硬件电路设计

本设计包含的硬件电路部分如图2-1所示，主要包括以下几个部分。MCU即主芯片PIC18F2420，音频设备 ，功能显示区，放大回路，MOS管开关，刀头（电热丝），切割按键、凝血 按键、切割设置按键、凝血设置按键，还有AD采 样电路构成。

2.1 放大电路与MOS管开关模块

采用PIC18F2420RC2/CCP1脚输出PWM（脉冲宽度可调制）信号，通过PMST2222A（三极管）放大信号控制MOS管开关，完成对电热丝的通电和闭合。以便对电热丝的加热完成切割或者凝血功能。

2.2 功能选择区

PIC18F2420PORTC端口中的RB4、RB5、RB6、RB7脚复用分别设置功能为切割按键、切割设置按键、凝血按键、凝血设置按键。电路结构设置为带上拉的输入结构。其中通过软件控制切割按键与凝血按键分别控制主芯片产生2路PWM波。切割设置按键与凝血设置按键微调PWM的占空比。

2.3 音频模块

考虑手术时需要声音来方便的识别当前的工作状态，本设计采取了PIC18F2420单片机PORTB端RB0口为输出端外界喇叭。通过软件编写使得与工作状态协调配合。

2.4 采样模块

通过对回路中的R31进行电压采样，PIC单片机的A/D模块的精度可以选择8位或10位方式。本设计采用8位分辨率，量化电平为255个。每个量化单位代表电平为： 5 V÷255≈0.0196 V。程序处理的方法为采集到的数值乘以0.0196。采样电路结构如图2-2所示。

3 软件模块设计

本设计软件部分使用MPLAB软件，使用C语言编写。主程序流程如图3-1所示。上电初始化， E2PROM检查， 等待检查结果，若成功等待功能选择，若失败返回初始化。当选择的是切割功能，会产生一路PWM1，且产生音频与将占空比值显示于液晶屏上；当选择的是凝血功能，会产生一路PWM2，且产生音频并将占空比值显示于液晶屏上；当选择的是切割设置功能，会增加切割的PWM的占空比，并产生音频与将占空比值显示于液晶屏上； 当选择的是凝血设置功能，会增加凝血的PWM的占空比，并产生音频与将占空比值显示于液晶屏上；采样反馈智能根据当前电压微调当前PWM占空比。

4 设计总结

本文设计了一款切割凝血功能的手术刀。用PIC18F2420为主芯片，通过软件控制输出PWM，利用12864液晶显示当前工作状态，使用集成运算放大器搭建的AD反馈智能调节PWM占空比，使得的刀头（电热丝）恒功率输出，竟而完成手术时操作功能。本系统经过试验测试，功耗低，可靠性强，使用灵活。

参考文献

[1]裘法祖.外科学[M].北京：人民卫生出版社，1995.

[2]钱建民，陈国玉，李国强.热凝切割术在腹部外科的临床应用研究[J].南京医科大学学报，1999，19（5）：371-372.

[3]章庆国，吴巍，冷永成.电热手术刀的研制及临床应用[J].中国现代医学杂志，2002，12（2）：35-36，43.

[4]张立丽，王洪波.基于 PIC 单片机的直流电机控制器的[J].计算机工程与设计，2009，30 （11）：2681-2683.

[5]张明，刘岑俐.基于PIC单片机和DS18B20的温度测量系统设计[J].贵州：电子测试，2010，4（4）：54-57.

[6]张慧，刘开培，M. Braun.基于PWM低开关频率选择性谐波控制方程组的实时算法[J].中国电机工程学报，2006，26（22）：82-84.

[7]BEIG A，Kanukollu S，AlHosani K，et al.Space Vector Based Synchronized Three-level Discontinuous PWM for Medium Voltage High Power VSI[J].2013.

[8]余发平，张兴，王国华.基于自适应PI控制的太阳能LED照明系统PWM恒流控制器[J].太阳能学报，2006，27（2）：132-135.

[9]李文耀，王博亮，戴君伟.基于PIC单片机的脉搏血氧测量仪的研制[J].厦门： 厦门大学学报：自然科学版，2005，44（4）： 508-510.

作者简介

饶东升（1989-），男，安徽省合肥市人。现为合肥工业大学硕士生。

赵炎鑫（1989-），男，河南省新乡市人。现为合肥工业大学硕士生。

作者单位

合肥工业大学 电子科学与应用物理学院 安徽省合肥市 230009