新型低频超声透皮仪设计

上式表明：该电路可以通过调节RG进行增益的控制。
1．2 超声波产生控制模块
超声波产生模块主要是由PWM驱动电路、半桥式逆变电路和阻抗匹配电路三部分组成。电路的作用是将直流电流变成超生波振荡电流，并通过阻抗匹配网络激励换能器产生相同频率的弹性振动。该系统中驱动电路采用芯片IR2112来实现。IR2112是IR公司生产的大功率MOSFET、和IGBT专用集成驱动电路。该芯片具有两个独立的高低端通道，其中高端通道可采用自举电路，最高可承受500 V电压。两通道输出的电压范围为10～20 V，IR2112逻辑电源和功率电源即可以相互独立也可以共用一个电源。其工作频率最高可达500 kHz，关断和延迟时间很短。IR2112输出采用图腾柱结构，最大输出电流可达2 A。
如图3所示，用功率MOSFET构成PWM逆变器，用单片机作为信号源，产生频率为20～38 kHz的方波、2．5～3 W／cm2的功率；阻抗匹配使超声电源向换能器负载实现最大功率传输。图3中VD1，C1为自举二极管和自举电容，VD1必须使用与功率开关管相同耐压等级的快恢复二极管，自举电容设计也至关重要，C1的耐压比功率器件充分导通时所需的驱动电压(典型值为10 V)高。若在C1的充电路径上有1．5 V的压降，且假定有一半的栅压因泄露而降低，则自举电容C1可按式(4)来选取：

式中：Qg为MOSFET的门极电荷。
工程应用上一般取C1>2Qg／(VCC-10-1．5)，且应选取容量稳定，耐脉冲电流的无感电容。

而控制电路主要由单片机系统和驱动电路组成。单片机系统通过自身的PWM驱动电路产生频率为28 kHz的方波，并将该信号送入IR2112驱动电路进行隔离放大后推动功率MOSFET工作。用半桥式逆变开关电路作为超声波发生器的功放电路，MOSFET1、MOSFET2轮流导通，在变压器的副边可以得到一个交变的激励信号，从而实现逆变的功能。而由R3，C4，D1构成的吸收电路，吸收了功率开关引入的尖峰脉冲，保护功率开关管。
阻抗匹配网络的设计目的是经过半桥逆变得到的功率最大限度的转化为超声波换能器的能量和确保电路工作稳定。同时为了防止系统发生故障时对人体造成危害和损坏功率MOSFET器件，在系统中加入了过流保护电路。

2 软件设计
程序设计采用基于C语言的模块化程序设计的方案，具有可维护性高、升级方便。整个程序分为：主程序、温度闭环控制程序(PID)、PWM产生程序、键盘及LCD显示程序、E2PROM读写程序，软件流程图如图4所示。

主要程序包括：数据处理，采样温度数据，并进行上下限报警和处理；PID计算，对偏差进行PID算法处理，并输出控制脉冲信号，脉冲宽度由T0定时器决定；晶闸管导通控制，利用PID计算得出的控制脉冲信号来控制晶闸管的通断比，从而实现对温度的恒温控制；液晶的显示和键盘扫描和处理程序。

3 结 语
低频超声给药的诸优点，已成为经皮给药的一种极具潜力的方式。该系统通过控制温度、频率和强度等多种因素来促进经皮给药的渗透性。同时，与单片机结合组成的嵌入式系统使医疗仪器智能化、多功能化、小型化。并且，这里介绍的基于高性能单片机C8051F340的透皮给药系统还可实现过流保护、恒温闭环控制、工作模式可选、输出全调、LCD动态显示、掉电保护等功能。整个系统在医学实践和实验室标测中均表现出显著的效果和极好的实测值。