一种新型功能性电刺激装置及其控制电路的制作方法

本实用新型属于电学领域，具体涉及一种新型功能性电刺激装置及其控制电路。

背景技术：

功能性电刺激(functional eleetrieal stimulation，FES)属于神经肌肉电刺激(neuromuscular electrical stimulation，NES)的范畴，是利用一定强度的低频脉冲电流，通过预先设定的程序来刺激一组或多组肌肉，诱发肌肉运动或模拟正常的自主运动，以达到改善或恢复被刺激肌肉或肌群功能的目的。对于具有完整周围神经支配但由于中枢神经损伤导致神经下传冲动减少或丧失而导致所支配的肌肉不能完成其原有收缩功能的部位，FES效果显著。

正常人体的大脑将电信号传递到运动神经,从而实现一定的动作。对于偏瘫损伤患者,由于运动神经接收不到运动信号而丧失了自主运动的能力,但偏瘫的肌肉仍具有收缩运动的能力。通过功能性电刺激,利用表面电极刺激瘫痪肌肉的运动神经,电极间的电场在神经上产生触发电势,这一电势以化学方法经由神经元的突触处传送到肌肉细胞并引起肌肉收缩,从而使得肢体产生动作,并可通过改变电压和频率的变化对电刺激进行控制。

参考专利文献CN204208194U公开了一种电刺激装置及其控制电路，控制电路包括总使能控制模块、升压模块、波形控制模块和MCU，总使能控制模块、升压模块和波形控制模块依次连接，总使能控制模块、升压模块和波形控制模块还分别与MCU连接。参考专利文献CN2880145Y公开了低频电刺激器的电路，是在一振荡电路中，由一方波产生器构成基本振荡电路，并辅以周边一些晶体管和电阻产生第一段连续性方波，且另包含有第二段控制波形产生电路与第三段控制波形产生电路，以分别产生间歇性方波与复合式方波。

上述参考专利文献中电刺激控制电路，均仅仅有输出电路，但没有输出反馈电路。由于缺乏反馈，使得电刺激控制电路的控制精度不高。

技术实现要素：

针对现有电刺激控制电路存在的不足之处，本实用新型提出了一种新型功能性电刺激装置及其控制电路。该新型功能性电刺激控制电路包括用于供电的电源模块，将电源模块的电压升至所需电压，处理器模块控制输出模块输出调制电压作用于皮肤。

本实用新型采用如下技术方案：

一种新型功能性电刺激控制电路，它包括处理器模块和与处理器模块相连接的电源模块、充电模块、升压模块、采集模块和输出模块，充电模块与电源模块相连接，用于为电源模块充电，升压模块与电源模块相连接，用于将电源模块的输出电压升压至预设电压，输出模块与升压模块相连接，预设电压通过输出模块输出。

进一步的，还包括加密模块，加密模块与处理器模块相连接。

进一步的，升压模块包括第二三极管、场效应管、第七电阻、第八电容、电感、第三二极管和第一电容，第二三极管的控制端接处理器模块的输出端P3.5，第二三极管的第一端接地，第二端接高电压输出端，第二三极管的第二端经第七电阻、或第八电容、或并联的第七电阻和第八电容接场效应管的控制端，场效应管的第一端经电感接电源模块，第二端接地，第三二极管的正极接场效应管的第一端，负极接输出模块，第一电容的一端接第三二极管的负极，另一端接地。

更进一步的，升压模块还包括低倍升压电路，低倍升压电路包括第一二极管、第二二极管、第五电容、第六电容和第五电阻，第一二极管的正极接输入电压端VCC2，负极接第二二极管的正极，第五电阻的一端接第二二极管负极，第五电阻的另一端为高电压输出端，接第二三极管的第二端，第五电容的一端接第一二极管的负极，另一端接处理器模块的输出端P3.4，第六电容的一端接第二二极管负极，另一端接地。

进一步的，充电模块包括USB充电端口、第十一电容、第二电阻、充电芯片、第六电阻、继电器、第三电阻和第四电容，充电芯片的第四引脚通过第十一电容接地，充电芯片的第四引脚和第八引脚同时接USB充电端口的引脚，充电芯片的第四引脚和第七引脚之间设有第二电阻，第二引脚通过第六电阻接地，第一引脚、第三引脚和第六引脚同时接地，第五引脚接电源模块的正极，电源模块的正极和负极分别接继电器的第三脚和第八脚，继电器的第二脚为输出电压端，第九脚经并联的第三电阻和第四电容接地。

更进一步的，充电模块还包括发光二极管，发光二极管串接在充电芯片的第四引脚和第七引脚之间，与第二电阻串联。

进一步的，输出模块包括第十一电阻、第十四电阻、第三三极管、第四三极管、第四二极管、第十二电阻和第十三电阻，第四三极管的控制端经第十四电阻接处理器模块的输出端P1.5，第四三极管的第一端接地，第二端接第三三极管的控制端，第三三极管的控制端与第二端之间串接第十一电阻，第三三极管的第二端接升压模块，第三三极管的第一端接第四二极管的正极，第四二极管的负极为输出端，第十二电阻和第十三电阻并联后一端接地，另一端接第四二极管的负极。

进一步的，还包括开关按键，开关按键一端接地，另一端接处理器模块，用于控制所述处理器模块的启动和停止。

一种新型功能性电刺激装置，包括如上任一项所述的新型功能性电刺激控制电路。

本实用新型的充电模块在充电器时为电源模块充电，在不充电时，电源模块才为整个电路供电，并将电源模块的电压通过升压电路，变成调制高压，调制高压通过输出模块，产生功能性电极刺激电压作用于皮肤。本实用新型相对于现有技术增加了采用电路，通过采样电路的反馈，使得控制电路控制精度更高，提高了电路的安全性。

附图说明

图1是实施例一的原理图；

图2是实施例二的原理图；

图3是实施例三的原理图。

具体实施方式

为进一步说明各实施例，本实用新型提供有附图。这些附图为本实用新型揭露内容的一部分，其主要用以说明实施例，并可配合说明书的相关描述来解释实施例的运作原理。配合参考这些内容，本领域普通技术人员应能理解其他可能的实施方式以及本实用新型的优点。图中的组件并未按比例绘制，而类似的组件符号通常用来表示类似的组件。

现结合附图和具体实施方式对本实用新型进一步说明。

一种新型功能性电刺激控制电路，它包括处理器模块7和与处理器模块7相连接的电源模块、充电模块2、升压模块1、采集模块8和输出模块4，充电模块2与电源模块相连接，用于为电源模块充电，升压模块1与电源模块相连接，用于将电源模块的输出电压升压至预设电压，输出模块4与升压模块1相连接，预设电压通过输出模块4输出。

此外，还包括加密模块3，加密模块3与处理器模块7相连接。

参阅图1所示，本实用新型优选一实施例一的新型功能性电刺激控制电路的原理图，它包括升压模块1、充电模块2、加密模块3、输出模块4、处理器模块7、采样模块8、下载模块6和开关模块5。

该实施例的处理器模块7包括单片机U3芯片、第十三电容Cap13和第五二极管D5，单片机U3芯片的型号为STC15W，单片机U3的VCC端经第五二极管D5接电压端VCC，且第五二极管D5的负极与单片机U3的VCC端连接，单片机U3的GND端经第十三电容Cap13接第五二极管D5的负极。该实施例的电源模块采用可充电锂电池，锂电池的正极为电压端VCC。

该实施例的升压模块1包括第八电阻R8、第二三极管Q2、场效应管Q1、第七电阻R7、第八电容C8、电感L1、第三二极管D3、第一电容Cap1、第七电容C7、第一二极管D1、第二二极管D2、第五电容C5、第六电容C6和第五电阻R5。第一二极管D1的正极接输入电压端VCC1，负极接第二二极管D2的正极，第五电阻R5的一端接第二二极管D2负极，第五电阻R5的另一端接第二三极管Q2的集电极，第五电容C5的一端接第一二极管D1的负极，另一端接单片机U3的输出端P3.4，第六电容C6的一端接第二二极管D2负极，另一端接地。第二三极管Q2的基极经第八电阻R8接单片机U3的输出端P3.5，第二三极管Q2的发射极接地，第二三极管Q2的集电极经并联的第七电阻R7和第八电容C8接场效应管Q1的栅极，场效应管Q1的漏极经电感L1接电压端VCC1，源极接地，第三二极管D3的正极接场效应管Q1的漏极，负极为电压VCC0端，接输出模块4，第一电容Cap1的一端接第三二极管D3的负极，另一端接地。第七电容C7与第一电容Cap1并联，第七电容C7起到滤波作用。

需要说明的是，该实施例一中第七电阻R7和第八电容C8并联，起到阻抗匹配的作用，本领域技术人员可知，该阻抗匹配单独采用第七电阻R7或第八电容C8均可实现，即第二三极管Q2的集电极和场效应管Q1的栅极之间串接第七电阻R7或第八电容C8。

该实施例的电压端VCC1电压为3.7-4.2V之间，电压不足以驱动场效应管Q1。采用低倍升压电路进行升压，利用第一二极管D1、第二二极管D2、第五电容C5、第六电容C6四个元件实现电压提升一倍以驱动场效应管Q1，原理如下：

当P3.4为低电平时，第一二极管D1导通，电压端VCC1对第五电容C5进行充电，第五电容C5上端为正；当P3.4为高电平时，第一二极管D1截止，第二二极管D2导通，P3.4上的电压+第五电容C5上的电压对第六电容C6充电。

需要说明的是，为了驱动场效应管Q1，该实施例一采用的低倍升压电路，将电源模块的电压升高。本领域技术人员可知，还可使用高压电源直接驱动场效应管Q1，而无需额外的低倍升压电路。

该实施例升压电路的原理是：电感L1、第一电容Cap1很大。场效应管Q1导通时，电压端VCC1向电感L1充电，充电电流恒为I1，同时第一电容Cap1的电压向负载供电，第一电容Cap1的值很大，输出电压VCC0为恒值，设场效应管Q1导通时间为ton，此阶段电感L1上积蓄的能量为VCC1*I1*ton；场效应管Q1断开时，电压端VCC1和电感L1共同向第一电容Cap1充电并向负载供电，设场效应管Q1断开的时间为toff，则此期间电感L1释放的能量为(VCC0-VCC1)*I1*toff。稳态式，一个周期T中L1积蓄能量和释放能量相等:

VCC1*I1*ton＝(VCC0-VCC1)*I1*toff，

化简得VCC0＝(ton+toff)*VCC1/toff＝T*VCC1/Toff。

需要说明的是，该实施例一的升压模块1中场效应管Q1采用的N沟道型，本领域技术人员可知，还可采用P沟道型场效应管也可实现相同功能。

该实施例的充电模块2包括USB充电端口USB5V、第十一电容C11、第二电阻R2、充电芯片U1、第二电容C2、第六电阻R6、继电器RELAY1、第三电阻R3和第四电容C4，充电芯片U1的第四引脚通过第十一电容C11接地，充电芯片U1的第四引脚和第八引脚同时接USB充电端口USB5V的引脚，充电芯片U1的第四引脚和第七引脚之间设有第二电阻R2，第二引脚通过第六电阻R6接地，第一引脚、第三引脚和第六引脚同时接地，第五引脚接锂电池的正极，第五引脚通过第二电容C2接地。锂电池的正极和负极分别接继电器RELAY1的第三脚和第八脚，继电器RELAY1的第二脚为输出电压端VCC1，第九脚经并联的第三电阻R3和第四电容C4接地。其中，J1接口接锂电池。该实施例所用充电芯片U1型号为CN3052B，需要说明的是，充电芯片U1的型号种类繁多，本领域技术人员可知，还可采用TP4056或CN3056，也可实现相同功能。

J2接口为USB接口，USB5V为USB接口提供的5V电压。当USB口充电时，继电器RELAY1断开，USB通过充电芯片给接在J1接口的锂电池充电；当不充电时，USB5V没有电压，继电器RELAY1闭合，锂电池为整的电路供电。

此外，为了清楚展示该充电模块2的工作状态，该实施例的充电模块2还包括发光二极管LED1，发光二极管LED1串接在CN3052B芯片的第四引脚和第七引脚之间，与第二电阻R2串联。

该实施例的输出模块4包括三个输出部分，即J3输出部分、J4输出部分和J6输出部分，三个输出部分电路相同。以J3输出部分为例，J3输出部分包括第十一电阻R11、第十四电阻R14、第三三极管Q3、第四三极管Q4、第四二极管D2、第十二电阻R12和第十三电阻R13。第四三极管Q4的基极经第十四电阻R14接单片机U3的输出端P1.5，第四三极管Q4的发射极接地，集电极接第三三极管Q3的基极，第三三极管Q3的基极与集电极之间串接第十一电阻R11，第三三极管Q3的集电极接电压端VCC0，第三三极管Q3的发射极接第四二极管D2的正极，第四二极管D2的负极接输出端口J3的第一端口，输出端口J3的第二端口接地，第十二电阻R12和第十三电阻R13并联后一端接地，另一端接第四二极管D2的负极。

以J3输出部分为例。P1.5为低电平时，第四三极管Q4关断，第四三极管Q4的集电极为高电平，第三三极管Q3导通，第三三极管Q3发射极向外输出近似VCC0的电压，即输出端口J3输出电压VCC0；P1.5为高电平时，第四三极管Q4导通，第四三极管Q4的集电极为低电平，第三三极管Q3关断，第三三极管Q3发射极不输出电压，即输出端口J3不输出电压。

需要说明的是，该实施例的输出模块4的三个输出部分电路原理相同，J6输出部分与反馈电路连接，该反馈电路包括第二十一电阻R21、第八二极管D8和第十二电容C12，第二十一电阻R21、第八二极管D8和第十二电容C12并联后，一端接输出端口J6的第二端口，另一端接地。其中输出端口J6的第二端口接单片机U3的输入端口ADC1。未接皮肤时，ADC1采集的电压为0V。该反馈电路用于检测是否接触皮肤，接入皮肤时，利用第八二极管D8滤除负电压，利用第十二电容C12滤除纹波，得到一个小电压信号。通过程序判断单片机U3的输入端口ACD1的电压，判断是否接入皮肤。

开关模块5包括开关按键SW1，开关按键SW1一端接地，另一端接单片机U3的INT1端口，用于控制单片机的启动和停止。该开关按键SW1通过中断控制整个系统是否运行。

采样模块8包括VCC0采样电路和锂电池采样电路，VCC0采样电路包括第九电阻R9、第十电阻R10和第九电容C9，第十电阻R10和第九电容C9并联后一端接地，另一端接第九电阻R9，第九电阻R9的另一端接电压端VCC0，第九电阻R9和第十电阻R10的公共端接单片机U3的输入端口ACD0。锂电池采样电路包括第十五电阻R15和第十六电阻R16，电压端VCC经串联的第十五电阻R15和第十六电阻R16接地，第十五电阻R15和第十六电阻R16的公共端接单片机U3的输入端口ACD2。为了检测主回路上电压大小，该实施例的单片机U3的输入端口ACD3接继电器RELAY1的第九脚。单片机U3的输入端口ACD4与充电模块2中CN3052B芯片的第七脚连接。

单片机U3的输入端口ACD0用于采集电压端VCC0，ADC2用于采集锂电池的电压，ADC3用于检测主回路上的电压大小。ADC4用于检测锂电池是否充满电，CN3052B芯片未充满电时，其第七脚为低电平，充满电时，第七脚为高电平。

加密模块3包括第一电阻R1、第三电容C3和加密芯片U2，加密芯片U2的型号为DM2016。加密芯片U2的第一脚和第二脚之间串接第一电阻R1，且第一脚和第四脚均接地，第二脚和第八脚之间串接第三电容C3，第八脚接电压端VCC。且加密芯片U2的第五脚和第六脚分别与单片机U3的输出端口P0.1和P0.0连接。将程序中的一些重要数据存放在加密芯片U2中，程序执行时，需要单片机U3与U2通过I2C协议进行通讯，提取数据。

下载模块6，单片机U3通过下载模块6下载程序。

参阅图2所示，为实施例二的原理图，该实施例二与实施例一的区别在于：实施例一的输出模块4中J3输出部分第三三极管Q3和第四三极管Q4采用PNP型三极管，而实施例二的输出模块4中J3输出部分第三三极管Q3和第四三极管Q4采用NPN型三极管。

参阅图3所示，为实施例三的原理图，该实施例三与实施例一的区别在于：实施例一的输出模块4中J3输出部分第三三极管Q3和第四三极管Q4采用PNP型三极管，而实施例三的输出模块4中J3输出部分第三三极管Q3和第四三极管Q4采用NPN型三极管。且实施例一的升压模块1中第二三极管Q2为PNP型三极管，实施例三的升压模块1中第二三极管Q2为NPN型三极管。

本发明还提出了一种新型功能性电刺激装置，包括上述任一种的新型功能性电刺激控制电路。

尽管结合优选实施方案具体展示和介绍了本实用新型，但所属领域的技术人员应该明白，在不脱离所附权利要求书所限定的本实用新型的精神和范围内，在形式上和细节上可以对本实用新型做出各种变化，均为本实用新型的保护范围。