1 引 言

近年来，随着冷冻技术的飞速发展，液氮冷冻治疗疾病因疗效快，成本低，广泛地应用于医疗各个领域。尤其是治疗肿瘤，不仅能消灭瘤体，而且还能最大程度地保持组织外形和器官功能，不留痕迹，因而倍受病人和医疗人员的青睐。现有的液氮冷冻治疗器，临床医疗一般采用手持蓄压式液氮冷冻治疗器，液氮喷射量通过用手凭直觉控制喷射阀拉杆的轻重和角度来调节，或通过用手凭直觉调节喷射管尾端的排气外接塑料管夹的开度，以调节出气量来达到控制液氮喷射量的目的。

但是由于喷射冷冻治疗时，液氮冷冻治疗要求高，医术人员很难凭直觉控制好整个治疗过程，实现精细化治疗。如果喷射量较少，疗效不够理想；如果喷射量较多，局部会出现水肿和疼痛，甚至破坏正常组织，给病人带来不必要的痛苦和损失。针对这种现状，本文介绍了一种利用AT89C52 单片机设计的超声波液氮流量测控系统，该系统以单片机为控制核心，对现有的液氮冷冻治疗器人工控制液氮喷射流量进行改进，利用超声波的特性，引入超声波传感器，对液氮流量进行检测；AT89C52 根据检测结果，通过步进电机对喷射阀进行控制，改变了液氮冷冻流量的人工直觉控制，不仅实现了治疗过程的自动化，而且实现了治疗的精细化。下面详细地论述超声波流量检测原理、系统硬件结构和工作原理。

2 超声波流量检测原理

超声波流量检测是基于超声波在流体中传播的速度等于流体的流速与超声波的速度的矢量和的基本原理，其具体实现方法有传播速度差法（包括差频法、时差法和相位差）、波束偏移法、多普勒法、相关法、空间滤波法以及噪声法等方法。目前，小管径液压系统流量检测中用得最多的是差频法和时差法对流速进行检测，进而转换成流体的流量。超声波流量检测是一种非接触式的新型测量技术，具有瞬态响应快、动态测量能力强、安装使用方便、易于实现自动化和网络化管理等特点。

图1 为频差法超声波流量测量原理图

其中T1和T2是超声波发生器，R1和R2是超声波接受器。设T1和T2之间的距离为L。由图1可知，流体静止时，超声波发生器T1和T2的声波速度的水平分量为c sinθ，其中c为超声波的速度，θ为超声波波束与管道横截面的夹角。若流体的流速为v，T1发出的声波的水平速度为v＋c sinθ，那么T1发出的声波在长度为L的管道内传播时间t1为：

同理，T2发出的声波的水平速度为（c sinθ－v)，在长度为L的管道内传播时间t2为：

为了消除对测量精度的影响，在时间t1、t2内分别对频率为f0的脉冲进行计数，设分别记得的脉冲数为N1、N2，则

而频率和时间互为倒数，则

由式（3）和（4）得：

频差：

由（5）求出v ，得：

设管道横截面积为S，由图1可得：

流体的瞬时流量：

式中，k＝SLf0／2为常数。

可见，只须测出时间t1、t2内频率为f0的脉冲数N1、和N2，就可以检测出流体的瞬时流量。3 系统硬件结构及工作原理

系统硬件结构框图如图2所示，其电路主要包含AT89C52单片机、超声波传感器、单稳态触发器、RS触发器、步进电机、瞬时流量和累积流量显示等。

图2 为电路原理框图

本系统采用AT89C52作为控制器，AT89C52片内有8Kbyte的Flash EEPROM可作程序存储器，数据存储器使用片内128byte RAM，AT89C52有3个16位定时/计数器，其中两个定时/计数器T0和T1作计数器，用于时钟脉冲计数，另一个定时/计数器T2作定时器。系统显示可通过8位LED或LCD直接显示瞬时流量和累积流量，也可以通过MAX232串行口传入PC机，通过PC机显示、处理和数据保存。

为了实现精细化治疗，在不影响液氮冷冻治疗的情况下，对液氮喷射流量进行精确测量。本系统利用超声波具有穿透本领大、方向性好和定向传播等特点，采用超声波传感器管外液氮流量检测，将超声波传感器安装在液氮冷冻治疗器喷射管外壁。超声波接受器的检测信号经过整形后，送入RS触发器，RS触发器输出信号Q1、Q2作脉冲计数中断信号，分别接AT89C52的外部中断INT0和INT1引脚。利用AT89C52的两个计数器，通过对Q1、Q2高电平期间的时钟脉冲进行计数的方法实现流量检测；利用步进电机对液氮冷冻治疗器喷射阀进行控制。

其具体测控过程，由图2可知，工作时，AT89C52单片机输出正脉冲信号，使步进电机打开液氮冷冻喷射阀进行喷射治疗；使单稳1和2同时触发RS触发器1和2翻转为Q1＝Q2＝1（高电平），启动AT89C52单片机内部的两个计数器T0和T1同时对频率为f0的时钟脉冲计数；使超声传感器1和2同时产生超声波。

由图1可知，T1发出的声波的水平速度比T2发出的声波的水平速度快。T1发的波束首先被接受器R1接收，R1输出的信号经整形后，触发RS触发器1翻转，从高电平变为低电平：Q1＝0。 AT89C52根据Q1的“0”电平命令相应的计数器停止计数，设计数值分别为N1。

同理，T2 发出的波束到达接受器R2时，R2输出的信号经整形后，触发RS触发器2翻转，从高电平变为低电平：Q2＝0。AT89C52根据Q2的“0”电平命令相应的计数器停止计数，设计数值分别为N2。

AT89C52根据式（6），求出流体瞬时流量供显示器显示。AT89C52将瞬时流量对时间积分可得某一段时间的累积流量（即总量）。

在AT89C52的控制下，周而复始地重复上述测量过程，从而实现流量测量。通过PC机VC++6.0编程界面设置参数（所需液氮），当累积流量达到设置值时，AT89C52自动发出信号使步进电机关闭喷射阀。

4 结束语

本系统以AT89C52为控制器，超声波传感器安装在喷射管的外侧，步进电机可嵌入喷射阀，测控电路等通过MAX232与PC机相连，系统结构简单，操作方便，通用性强，性能稳定可靠。经过临床试用，取得了满意的效果，有效地解决了液氮冷冻治疗过程中的流量测量和控制问题。不仅使病人免受不必要的痛苦，而且提高了液氮冷冻治疗的疗效和安全性，不仅实现了治疗过程的自动化，而且实现了精细化治疗。

本文作者创新点：

该系统以AT89C52单片机为控制核心，对现有的液氮冷冻治疗器人工控制喷射液氮流量进行改进，利用超声波传感器对液氮喷射流量进行检测，通过步进电机对喷射阀进行控制，改变了液氮冷冻流量的人工直觉控制，实现了治疗过程的自动化和精细化治疗。有效地解决了液氮冷冻治疗过程中的流量测量和控制问题。不仅使病人免受不必要的痛苦，而且提高了液氮冷冻治疗的疗效和安全性。