1、第 1 页 共 55 页脑波治疗仪声光电路设计摘要：本系统主要是脑波仪声光部分电路的设计，以 AT89S51 单片机为核心，配置相应的外围接口电路。硬件电路设计包括两部分内容：一是系统扩展，即单片机内部的功能单元（如 RAM、I/O、定时/计数器、中断系统等）容量不能满足应用系统要求时，必须进行片外扩展，选择适当芯片，设计适当电路；二是系统配置，即按照功能要求配置外围设备，如时钟与复位电路、键盘接口电路、D/A 转换电路、音频电路等。具体的功能由软件来实现。关键词：单片机，D/A 转换，存储器接口第 2 页 共 55 页Design of brain wave meter acousto-op
2、tics partial circuit Abstract :This system mainly is the brain wave meter acousto-optics partial electric circuits design, take the AT89S51 monolithic integrated circuit as the core, disposes the corresponding periphery connection electric circuit. Hardware circuit design including two parts of cont
3、ents: One is the system expands, when namely the monolithic integrated circuit interiorfunction unit (for example RAM, I/O, fixed time/counter, interruption system and so on) the capacity cannot satisfy the application system request, must carry on outside the piece to expand, choice suitablechip, d
4、esign suitable electric circuit; Two is the system disposition, namely defers to the function requestto dispose the auxiliary equipment, like clock and replacement electric circuit, keyboard connection electric circuit, D/A switching circuit, tone circuit and so on. The concrete function realizes by
5、 software.Key word: Single-chip Micro-computer; D/A transformation; Memoryinterface第 3 页 共 55 页1 绪论1.1 脑波治疗仪概述脑波治疗仪的原理是建立在脑波同步技术之上的。依据脑波同步原理，用专有技术编制的特殊声、光信号及电脉冲，分别作用于人的耳、眼、和相关的经络穴位，利用声、光信号频率的节律变化，影响、调节人体的脑电活动水平及兴奋程度，增强脑供血，从而达到减轻焦虑紧张、生理心理放松、提高注意力、加速学习进程、提高记忆力和创造力、改善学习成绩、控制疼痛等目的 1。脑波疗法在国外还被称为：L/S疗法（光/
6、声疗法） 、AVS疗法（音视刺激疗法） 、BWE疗法（脑波跟随疗法） 、EEG Biofeedback疗法（脑电生物反馈疗法） 、Mind Machine疗法等等 2。国内的WL-HA-2脑波治疗仪所提供的就是脑波疗法，是一种现代化的自然疗法。经研究，脑波治疗仪能为治疗者创造缓解压力的环境，改善人体心理和生理状态；增强脑供血，改善脑循环；提高注意力改善学习，激发记忆力和创造力；提高生理和心理的适应和调节能力 3。对治疗顽固性失眠、神经衰弱、强迫症、焦虑症等神经症、更年期综合症等心身疾病都有独特疗效。作为脑中风后遗症、原发性高血压、考生考期综合症、小儿多动症的辅助治疗手段也有其独到之处和广阔的应
7、用前景。1.2 脑波介绍所谓脑波就是可以由仪器记录下来的脑细胞活动的电波。依据现代脑电生理神经心理学的研究，脑波活动主要分为四组模式：、，脑波活动的某一模式与特定的情绪状态相关联 4。国际上对脑电图的分类有几种分法，这里采用的是频率分类法中的 Schwab 分类（1951 年）： 波：频率大约在 14-30Hz 之间。人的精神状态：紧张状态。大多数人清醒时，对外部环境敏感；情绪激动，焦虑不安；警觉、全神贯注；注意力高度集中，从事高度智力活动；活力激发。第 4 页 共 55 页 波：频率在 9-13Hz 之间。人的精神状态：放松状态。大多数人平静，闭目养神时；大脑清醒放松，容易集中注意力，学习、
8、工作不易受外界干扰；积极的情感状态，精神清晰乐观；压力和焦虑降低，中止不良情绪循环；平静放松，恢复活力。 波：频率在 4-8Hz 之间。人的精神状态：深度放松状态；浅睡眠状态，也称沉思、冥想状态，潜意识状态。潜意识易受暗示；创造力、灵感突发；感悟，富于直觉；加速学习、记忆。 波：频率在 0.5-3Hz 之间。人的精神状态：睡眠状态。最低的脑波活动，人在深度的无梦睡眠时才会出现。有时发现于相当老练的沉思者 5。1.3 脑波治疗仪国内外研究现状及发展趋势科学技术的发展，特别是“微芯片”技术的发展，使得人们能轻而易举地借助工具来控制、调整自己的精神状态，为声光刺激类产品的研发和商业应用提供了物质基础
9、，并大大促进了该类产品的机理研究，形成了各种理论学说：脑波理论、激活理论、周期律理论、光谱理论、视窗理论、和谐理论、舒曼谐振理论等等；在国外还开设了“临床实验心理学”这一新学科，一些大学和研究所纷纷参与了理论和临床方面的研究，并发展了相应的设计技术和应用技术，我们把这类技术称之为脑波同步技术。几十年来，脑波同步类产品在国外得到了大力发展和应用，作为精神治疗、放松治疗的有力工具，产品名目繁多，商业名称还有同步活力机、智力仪、精神桑拿浴、精神锻炼器等等。产品的发展经历了几代：由通用中小规模集成电路构成的第一代产品、由通用微处理器构成的第二代产品，到目前由专用电路构成的第三代产品，应用领域由诊所、机
10、构使用发展到个人用和家庭使用；功能不断丰富扩大，结合了当今信息产品的技术和特征，强调了个性化和资源共享。对节律声和节律光作用的现代科学研究起始于二十世纪三十年代中期，科学家Gray Walter 发现脑波活动会对闪烁光作出相应的反应，特别是 和 频率，这种反应被称之为“光跟随反应” 。一个熟知的例子是凝视一火焰，其闪烁率为 / 范围的平均数，会使人进入放松和睡眠态。第 5 页 共 55 页声音也已被证明会产生类似的结果，特别是脉动声和双耳差拍。后一种效果，即双耳差拍：当一只耳朵听到的声音与另一只耳朵听到的声音有一些微小的差异，而大脑实际同步于二者间的差异。用脑电图观察时可发现，当两种声音的频率
11、相差10hz时，大脑会相应产生10hz的脑波；当两种声音的频率相差6hz时，大脑会相应产生6hz的脑波。国外在脑波治疗仪研究这方面领先于中国，也已经生产出许多不同型号的脑波治疗仪。近几年台湾以及中国大陆的一些公司已经研制出脑波治疗仪，脑波治疗仪主要是引进国外的先进技术，使患者的脑电波恢复正常，无药物副作用。对忧郁、焦虑、强迫、紧张等心理失调及引起的失眠或老年性失眠有显著疗效。现己广泛地应用于精神科临床、心理咨询门诊、心身医学以及康复医学领域 6。1.4 脑波治疗仪的应用现状及前景我国科技工作者，从 1990 年开始引进国外技术，研制脑波治疗仪（脑功能保健仪） ，92 年开始应用于临床，据上海市
12、二医大附属新华医院、瑞金医院分院、上海市精神卫生中心、上海市心理咨询中心、西安四军大唐都医院、北京空军总医院、北医大心理培训中心、广州精神卫生中心、哈工大心理咨询中心、山西省儿童医院、宁夏医学院附属医院等对 12 个病种数万人次的临床应用证明：该仪器改善大脑的功能作用明显。对顽固性失眠、神经衰弱、强迫症、焦虑症等神经症、更年期综合症等一系列心身疾病都有独特疗效，作为脑中风后遗症、原发性高血压、考生考期综合症、小儿多动症的辅助治疗手段也有其独到之处和广阔的应用前景。最近研究对药物依赖和药物成瘾者，脑波同步疗法也有一定的治疗作用，目前正在进一步的探索中。脑波治疗仪现己广泛地应用于精神科临床、心理咨
13、询门诊、心身医学以及康复医学领域。对人类的健康用了一定的帮助。近年来，脑波治疗仪已经广泛地应用于精神科临床、心理咨询门诊、心身医学以及康复医学领域。在 21 世纪, 必将以它适应社会需求的应用性而得到更大的发展 7。第 6 页 共 55 页1.5 本课题主要研究内容脑波仪声光电路主要研究和解决的问题是如何产生可以调节（强度和频率）的声和光，此设计主要采用 51 系列单片机来完成。目前，大多数的产品开发是在基于一些小容量的单片机上进行的。51 系列单片机，是我国目前使用最多的单片机系列之一，有非常广大的应用环境与前景，多年来的资源积累，使 51 系列单片机仍是许多开发者的首选。我们就是要用 AT
14、89S51 单片机电路实现音乐和光的同步输出，以达到治疗的目的。本文主要研究设计脑波治疗仪的声光部分电路。此设计主要完成的功能有：数据存储器扩展功能，6 位独立式键盘，调幅波产生，幅值和频率变化功能，音频放大功能，光输出功能，具有 8 位精度的 D/A 转换功能，时钟电路与复位电路以及完成相关的软件流程图设计。第 7 页 共 55 页2 系统方案设计2.1 系统分析2.1.1 问题定义基于单片机的脑波治疗仪是一个实际应用系统，本文包括硬件设计的详细说明及软件流程图的编写。此系统具有的功能如下：1硬件部分（1）32K 字节数据存储能力（2）6 位独立式按键键盘（3）时钟电路与复位电路（4）具有
15、8 位精度的 D/A 转换功能（5）音频放大功能（6）光驱动放大功能2软件部分（1）系统主流程图（2）系统复位初始化（3）键盘中断与处理第 8 页 共 55 页（4）调幅波发生（5）频率变化（6）幅值变化2.1.2 系统可行性研究1. 设计环境（1）硬件环境单片机开发系统（2）软件环境本设计主要用 Protel 电子设计软件进行电子线路的设计。Protel 电子线路设计软件由原理图编辑、印制板设计、原理图输出、印制板输出、原理图器件库编辑和其他应用程序组成。电路原理图的设计主要是利用 Protel99se 的原理图设计系统来绘制一张电路原理图，它是整个电路设计的基础。在这一过程中，要充分利用P
16、rotel99se 所提供的各种绘图工具和各种编辑功能。电路原理图的设计是印制电路板设计中的第一步，也是非常重要的一步。电路原理图设计得好坏将直接影响到后面的工作。首先，原理图的正确性是最基本的要求，因为在一个错误的基础上所进行的工作是没有意义的；其次，原理图应该布局合理，这样不仅可以尽量避免出错，也便于读图、便于查找和纠正错误；最后，在满足正确性和布局合理的前提下应力求原理图的美观 8。其设计流程如图所示:第 9 页 共 55 页设置图纸大小环境设置放置元器件原理图布线调整线路输出报表存盘打印开始结束图 2.1 电路原理图设计流程启动 Protel99se 电路原理图编辑器单击 Window
17、s 任务栏的“开始”图标，在“程序”菜单中选择 Protel99se 命令，便启动了 Potel99se。设置电路图纸尺寸以及版面根据电路图的复杂程度设置图纸的格式、尺寸、方向等参数以及与设计有关的信息，为以后的设计工作建立一个合适的工作平面在图纸上放置设计需要的元器件用户根据实际电路的需要，从元器件库里取出所需元器件放置到工作平面上，并对元器件的位置进行调整、修改。对所放置的元器件进行布局布线第 10 页 共 55 页利用 Protel 99 所提供的各种工具、命令进行画图工作，将事先放置好的元器件用具有电气意义的导线、网络标号等连接起来，布线结束后，一张完整的电路原理图基本完成。对布局布线
18、后的元器件进行调整为了保证原理图的美观和正确，就需要对元件位置进行重新调整。导线位置进行删除、移动、更改图形尺寸、属性及排列等。对原理图做一些相应的说明、标注和修饰，增加可读性和可观性。保存文档并打印输出将设计的电路原理图进行存盘或通过打印机打印出来。2. 可行性分析（1）元器件的选择及其可行性讨论根据技术指标及系统设计目的，经研究芯片的选择如下：a.采用 6MHz 的晶振器为 AT89S51 提供时钟信号b.对于 AT89S51 的 P0 口的数据/地址复用采用 74LS373 进行分离锁存c.数据存储器选用 RAM6264d.8 位 D/A 转换器采用 DAC0832e.采用 555 构成的单稳态触发器构成复位电路f.音频放大芯片选用 D2025g.模拟开关采用三组两路的 CD4053
