一种加速正畸牙移动超声波发生控制方法、系统、装置与流程

本发明属于口腔正畸矫治技术领域，尤其涉及一种加速正畸牙移动超声波发生控制方法、系统、装置。

背景技术：

目前，国内外越来越多的年轻人出现牙齿畸形的病状，牙齿畸形是指牙齿或者颔骨因为某些先天或者后天的因素造成的畸形，常见的牙齿畸形有上牙前突、上下牙不齐等。牙齿畸形会在一定程度上影响面部外观、口腔发育、口腔卫生等。正畸治疗通过使用外部物理力量来实现牙齿的移动，其方法目前以戴托槽为主，最传统的托槽使用不锈钢制成的，随着技术的不断发展，也出现了更多美观、高效的托槽，比如舌侧托槽和无托槽隐形矫正器，其中无托槽隐形矫正器为目前最为流行的一种治疗方式。在保证外力不会产生副作用的情况下，牙周组织的反应是一个缓慢的过程，因此正畸治疗通常需要18-30个月，所以如何减少治疗时间、改善治疗效果是人们迫切的需求。

目前，国内外越来越多的年轻人出现牙齿畸形的病状，牙齿畸形是指牙齿或者颌骨因为某些先天或者后天的因素造成的畸形，常见的牙齿畸形有上牙前突、上下牙不齐等。牙齿畸形会在一定程度上影响面部外观、口腔发育、口腔卫生等。正畸治疗通过使用外部物理力量来实现牙齿的移动，其方法目前以戴托槽为主，最传统的托槽使用不锈钢制成的，随着技术的不断发展，也出现了更多美观、高效的托槽，比如舌侧托槽、无托槽隐形矫正器，其中无托槽隐形矫正器为目前最为流行的一种治疗方式。生理性的牙齿运动和正畸过程中牙齿的移动中表现出来的组织反映是一样的，只是在正畸治疗时，牙齿移动的表现比生理性牙齿运动更加的迅速和明显。所有生理反应的本质都在于细胞活动，正畸过程中牙齿运动依赖于牙周组织的重建，其中牙槽骨的重建主要依靠破骨细胞和成骨细胞的活动，在外界压力作用下，压力侧会产生大量的破骨细胞，作用在牙槽骨发生骨吸收；成骨细胞积累在张力侧，发生骨形成。

在牙齿的压力侧，牙齿的运动主要分为两个阶段，第一阶段是破骨细胞沿牙槽骨壁分化，当条件允许时，细胞大量分裂并且分化成破骨细胞和成纤维细胞，发生骨吸收。在这种情况下只要持续地施加温和的外力，骨吸收就会持续下去，导致整个纤维组织的重组；在张力方面，主要表现在牙槽骨表面沉积新骨，这时候具有退行性改变的细胞开始大量减少，之后成骨细胞开始大量增殖，发生骨形成，一段时间后骨组织就沉积在了张力侧，原来的牙周纤维被新的骨质层所覆盖。

因此破骨细胞是正畸牙移动的主要功能细胞，它的数量和活性是影响正畸治疗效率的主要因素之一。简单介绍一下破骨细胞，它是一种破坏骨组织的骨细胞，它对于椎骨骨骼的维护、修复和重塑有着至关重要的作用。它的体积相对正常细胞来说比较大，细胞内一般具有5个细胞核。破骨细胞的特征是具有均匀的“泡沫状”外观的细胞质，它的这种外观是高浓度的囊泡和空泡所导致的，这些空泡里面充满了酸性磷酸酶的溶酶体。在正常的人体中，破骨细胞一般存在于骨表面的凹坑中，这种凹坑被称为吸收腔。破骨细胞通过分泌酸和胶原酶(上面所述的骨吸收的过程)在分子水平上分解和消化水合蛋白质和矿物质的复合物。在发生骨吸收的部位，破骨细胞会形成特殊的细胞膜，表面产生大大小小的褶皱，称它为边界褶皱，它位于骨组织的相对位置，这种褶皱的形成能够增大细胞的表面积，帮助细胞吸收和分泌细胞内容物。当人体内出现微骨折时，破骨细胞就会被激活并且通过趋化作用移动到骨折区域，它会存在于刚刚描述的吸收腔里面，这个密封区域由附着在骨头上的破骨细胞形成。然后破骨细胞利用碳酸酐酶(h2o+co2→hco^3-+h⁺)的作用，通过折皱边缘释放氢离子进入吸收腔，氢离子会酸化并帮助矿化的骨基质溶解成ca²⁺，h3po4，h2co3，水和其它物质。破牙细胞是一种特殊的破骨细胞，它与乳牙根的吸收密切相关。经研究发现bmsc(骨髓间充质干细胞)能够在很大程度上影响破骨细胞的增殖，在破骨发育和形成的过程当中起了很关键的作用，所以实验室利用bmsc做有关破骨细胞的实验。骨髓间充质干细胞可以分化成多种类型的多能基质细胞，比如骨细胞、软骨细胞、肌细胞等，它的细胞体含有一个圆形细胞核，具有明显的核仁，周围是分散着的染色质颗粒，细胞核呈现出一个清晰的外观。

人耳可听到的声波频率是有限的，通常为20hz-20000hz，人们称超过这个范围的声波为“超声波”。超声波的高频特性使它具有普通声波没有的特性：首先，能量较大，可用于超声波清洗、超声焊接等；其次方向性好，不容易发生衍射；最后它的穿透能力强，可用于检测物品内部结构。目前超声被应用于各个领域，比如利用超声波制药，超声能将药物分散成更小的粒子，易于药物的静脉注射；利用超声波清洗，超声的高频振荡信号在介质中传播时会引起一些小气泡的增大、破裂，产生巨大的能量，称它为空化效应，产生的冲击波使得一些小颗粒污垢从物体表面掉落下来，达到清洗的目的；另外还有超声测距、超声焊接等等。

除去在上述领域的应用之外，超声还广泛地应用于医学的诊断、治疗和手术。根据超声在人体中的反射、折射、散射、吸收衰减等物理原理，人们发现了超声成像的原理，向人体发射超声后反射回来的信号带有人体内部的信息，根据这个原理把超声成像应用于医学诊断当中，如a超、b超、m超、多普勒血流成像等。此外超声波在人体介质传播中还会产生一些生物效应，这里简单介绍三种最为常见的生物效应：(1)机械效应，超声波在人体中传播时，会引起人体介质的共振，虽然这个幅度很小，但是高频带来了很大的加速度，从而超声传播路径上会产生压强的变化。在传播过程中，介质中的分子会剧烈运动，相互摩擦，机械效应相当于对细胞做轻微的按摩，这种按摩将引起一系列反应，如增长细胞半透膜的弥散作用，增强细胞的代谢和活力。(2)温热效应，超声波作用于介质时，其高频特性使得介质内的分子发生剧烈运动，引起介质温度升高，当超声波在人体中传播时，超声能量会被人体组织吸收，不同组织对超声的吸收能力不同。产生温热效应的本质其实是超声波的机械能转化成热能，该效应能够增加血液循环，加速细胞代谢，增加细胞内的酶活力，但是当功率太大时会引起组织损伤。(3)理化效应，除了机械和温热效应外，超声在人体中传播还会产生其他物理化学效应，如弥散作用、空化作用、触变作用等。根据生物组织的超声特性以及超声在组织中传播产生的效应，把超声波应用于医学治疗领域，其中lipus(低强度脉冲超声)作为一种全新的物理疗法，受到了人们的关注。超声强度小于100mw/cm²超声属于低强度超声波，由于能量较低，低强度超声波不会对生物组织造成热效应。当低强度超声波具有自己的脉冲宽度和重复频率，即一定的占空比，就是所谓的低强度脉冲超声。fda批准并通过lipu加速骨愈合和骨折不愈合治疗。

通过上述分析，现有技术存在的问题及缺陷为：正畸治疗通过使用外部物理力量来实现牙齿的移动，其方法目前以戴托槽为主，但是这种方式正畸治疗时间周期长，影响美观及治疗效果差。

解决以上问题及缺陷的难度为：在保证外力不会产生副作用的情况下，牙周组织的反应是一个缓慢的过程，因此正畸治疗通常需要18-30个月，所以如何减少治疗时间、改善治疗效果是人们迫切的需求。许多研究人员使用不同的生物化学方法，包括二羟维生素d3、甲状旁腺激素、骨钙素和前列腺素e2，但是由于它们对人体代谢会造成些许的影响，所以用这种方法来加速正畸非常困难。而近期的研究表明使用一些非侵入式的技术，比如lipus(低强度脉冲超声)可以加速牙齿正畸的移动。

解决以上问题及缺陷的意义为：能够产生上述超声波，并且搭配相应的手机应用程序进行控制，同时通过细胞实验证明该超声能够在一定程度上促进骨髓间充质干细胞的生长，为以后的医疗产品提高样机和理论支持。

技术实现要素：

为了解决现有技术存在的问题，本发明提供了一种加速正畸牙移动超声波发生控制方法、系统、装置。

本发明是这样实现的，一种加速正畸牙移动超声波发生控制方法，所述加速正畸牙移动超声波发生控制方法包括：

第一步，单片机的定时器t0的中断服务程序控制p2.7口输出高低电平，控制开关电路；刷新lcd显示屏；外部中断int1和int2接收来自外来的上升沿信号，其相应的中断程序能够调节p2.7输出的占空比；

第二步，在治疗用于加速正畸牙移动的超声波发生器的研制结束后，p2.7保持高电平输出，开关电路一直保持导通状态，激励信号不会通过开关电路进入下一级；

第三步，定时器t1作为波特率发生器使用，在中断服务程序中接收蓝牙模块传输过来的数据并重新发送出去；

第四步，手机端app的第一个activity进行蓝牙的搜索、配对和连接，同时建立蓝牙的客户端和服务端，在手机蓝牙和其他设备配对、连接成功之后程序会跳转到第二个activity；

第五步，触发事件把信息通过蓝牙发送给下位机，控制下位机的运行。

进一步，所述加速正畸牙移动超声波发生控制方法还包括：

i/o口输出控制，选择p2.7作为i/o口的输出，tmod控制定时器的工作方式，tcon用于启动或者关闭定时器和储存中断标志；tmod的0-3位控制定时器t0，4-7位控制的定时t1；m0m1的值为00、01、10、11分别对应定时器的工作方式0、1、2、3，c/t位决定定时器为定时模式还是计数模式，0为定时模式，1为计数模式；tcon的tr0/tr1控制定时器0/1的启动和关闭，tr0/tr1为1时表明定时器开始工作，tf0/tf1是定时器0/1的中断申请标志位，tf0/tf1为1时表示此时产生了一个中断申请，自动进入中断服务程序；

lcd显示，首先需要对lcd进行初始化，设置它的显示模式，并且将它的数据和地址指针清零；根据lcd的两根引脚：rs和rw，两根引脚的功能已在硬件部分描述，lcd1602有四种基本操作：读取lcd状态，读取lcd数据，向lcd写入命令以及向lcd写入数据，程序中用到了写命令和写数据两个操作，定义write_com和write_data两个函数，方便后续的程序编写；倒计时的算法运用四个数组，分别对应20:00-00:00的每个位置，当定时器定时达到1s时，将指针对应的位置加1，当指针指向数组的最后一位时，下一次将指针重新指向数组的第一位即可；

uart传输，将一个字符的8位一个一个地传输出去，pcon中只有一个smod位对波特率有影响，当smod＝1时，定时器产生的波特率加倍；scon用于设置串行口的工作方式、控制收发数据和中断标志；sm0、sm1和sm2决定串行口的工作方式，ti和ri是发送和接收的中断标志。

进一步，所述加速正畸牙移动超声波发生控制方法还包括：蓝牙部分以及下位机控制和倒计时显示；

蓝牙部分，赋予该应用打开蓝牙的权限，在进入应用程序时，若此时手机的蓝牙关闭着，则会询问你是否允许该应用打开蓝牙；建立一个本地的蓝牙适配器，命名为mybltadapter。mybltadapter.startdiscover()函数让系统进行蓝牙的搜索；在蓝牙的搜索过程中，搜索到的设备信息和是否完成搜索的消息都是通过广播来发送的，先注册一个广播接收者receiver，然后利用intent.getaction()函数获取到广播的action，如果蓝牙搜索到了设备就会发出一个action_found的信号，如果搜索到的设备和已配对过的设备是同一个则不显示该设备；每搜索到一个设备，都把它的名称和mac地址显示到列表视图上，使用getname()和getadress()这两个函数就可以完成；最后当搜索结束之后，广播会收到一个action_discovery_dinishrd的信号；

在列表视图上显示所有蓝牙设备之后，蓝牙的配对和连接，创建一个listview的点击监听事件onitemclick()，通过getitem()来获取所点击的那一行内容，对它进行内容的分割，提取出设备的mac地址并保存；获取到点击设备的mac地址后用getremotedevice()进行配对；

蓝牙之间通过sdp协议建立连接进行通信，在建立服务器端的时候，要做的是创建一个bluetoothserversocket的变量，命名为myserversocket；创建一个rfcommsocket的变量，命名为client_socket，建立的方法是使用createrfcommsockettoservicerecord(client_uuid)函数；

下位机控制和倒计时显示部分，定义一个outputstream的变量，命名为myoutstream，初始化为socket.getoutputstream()，使用myoutstream.write(byte)来发送信息了；倒计时显示使用了androidstudio自带的一种类：countdownntimer，在定义的时候就决定每隔多少秒执行一次服务程序，一共运行多少时间，获得分和秒的数值：

min＝time_count/60

sec＝time_count％60

最后把计算得到的min和sec显示到文本上就完成了20分钟的到技术。

本发明的另一目的在于提供一种计算机设备，所述计算机设备包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，所述计算机程序被所述处理器执行时，使得所述处理器执行如下步骤：

第一步，单片机的定时器t0的中断服务程序控制p2.7口输出高低电平，控制开关电路；刷新lcd显示屏；外部中断int1和int2接收来自外来的上升沿信号，其相应的中断程序能够调节p2.7输出的占空比；

第二步，在治疗用于加速正畸牙移动的超声波发生器的研制结束后，p2.7保持高电平输出，开关电路一直保持导通状态，激励信号不会通过开关电路进入下一级；

第三步，定时器t1作为波特率发生器使用，在中断服务程序中接收蓝牙模块传输过来的数据并重新发送出去；

第四步，手机端app的第一个activity进行蓝牙的搜索、配对和连接，同时建立蓝牙的客户端和服务端，在手机蓝牙和其他设备配对、连接成功之后程序会跳转到第二个activity；

第五步，触发事件把信息通过蓝牙发送给下位机，控制下位机的运行。

本发明的另一目的在于提供一种计算机可读存储介质，存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时，使得所述处理器执行如下步骤：

第一步，单片机的定时器t0的中断服务程序控制p2.7口输出高低电平，控制开关电路；刷新lcd显示屏；外部中断int1和int2接收来自外来的上升沿信号，其相应的中断程序能够调节p2.7输出的占空比；

第二步，在治疗用于加速正畸牙移动的超声波发生器的研制结束后，p2.7保持高电平输出，开关电路一直保持导通状态，激励信号不会通过开关电路进入下一级；

第三步，定时器t1作为波特率发生器使用，在中断服务程序中接收蓝牙模块传输过来的数据并重新发送出去；

第四步，手机端app的第一个activity进行蓝牙的搜索、配对和连接，同时建立蓝牙的客户端和服务端，在手机蓝牙和其他设备配对、连接成功之后程序会跳转到第二个activity；

第五步，触发事件把信息通过蓝牙发送给下位机，控制下位机的运行。

本发明的另一目的在于提供一种运行所述加速正畸牙移动超声波发生控制方法的加速正畸牙移动超声波发生控制系统，所述加速正畸牙移动超声波发生控制系统包括：

信号产生单元，利用频率为1.5mhz的有源晶振作为信号源产生1.5mhz的方波激励信号；

滤波处理单元，设计滤波电路实现对直流信号和高频信号的滤除，获得频率为1.5mhz的正弦波信号；

开关电路：采用npn三极管的导通和截止实现对后级电路通断的控制；三极管截止时，电路相当于断路，没有输出；三极管导通时，电路正常工作；三极管的集电极连接滤波处理单元的输出正弦波信号，基极与单片机的io口相连，通过io口的高低电平变化来控制开关电路三极管的导通和截止；

缓冲电路，采用npn三极管设计射极跟随器电路降低前级电路对功率放大单元的影响；

功率放大单元，采用型号为ada4870的功放芯片设计功率放大电路，对信号进行功率放大，以驱动超声换能器，实现正确的超声信号输出；

阻抗匹配单元，设计阻抗匹配电路实现功率放大单元输出阻抗和超声换能器阻抗的良好匹配，获得更高的功率信号输出；

超声换能器，谐振频率为1.5mhz，直径为10mm的压电陶瓷超声换能片；

单片机，实现电路的通断控制和设备工作状态的显示；

控制开关电路，io口输出信号的高低电平通过按键调节占空比，实现超声信号输出强度的变化；

显示模块，选择lcd1602显示超声牙齿矫正设备的超声输出强度以设备工作20分钟倒计时信息。

进一步，所述加速正畸牙移动超声波发生控制系统还包括：电源模块、中央处理模块、电压转换模块、信号发生模块、rc滤波电路、蓝牙模块、lcd显示模块、开关电路、缓冲电路、功放模块、声波发生模块；

中央处理模块，分别控制蓝牙模块，lcd显示模块和开关电路；

蓝牙模块，用于发送和接收蓝牙信息；

lcd显示模块，用于将系统信息显示给用户；

电源模块，用于将220v交流电转换成±15v电压，提供给缓冲电路、功放模块和电压转换模块；

电压转换模块，用于把+15v电压转换成+5v电压，给中央处理模块、信号发生模块、蓝牙模块和lcd显示模块供电；

信号产生模块，产生的信号经由滤波电路、缓冲电路和功放模块后进入声波发生模块，发射所需超声波。

进一步，所述电压转换模块分为三个部分：220v交流电转+24v电压，24v电压转±15v电压和+15v电压转+5v电压；

信号发生模块在rc滤波电路前加了一个0.1uf的电容，r5、r6、r7和c6、c7、c8构成了rc滤波电路，其中三个电阻的阻值均为1kω，c6和c7为100pf，c8为1pf；

缓冲电路利用一个npn三极管设计一个射极跟随器；

功放模块利用分压控制sd和on引脚上的电压，在sd引脚上使用20kω和2.2kω的电阻对±15v电压进行分压，得到sd引脚的电压为-12.03v，在on引脚上，直接连接-15v的电压和一个1.1kω的电阻即可，使得sd引脚的电压为-15v。

本发明的另一目的在于提供一种加速正畸牙移动超声波发生控制装置，所述加速正畸牙移动超声波发生控制装置搭载所述的加速正畸牙移动超声波发生控制系统；所述加速正畸牙移动超声波发生控制装置包括：壳体、电源接口、显示屏、控制开关、超声换能器、电源适配器、超声驱动装置、单片机、蓝牙芯片、功率放大装置、阻抗匹配装置；

壳体一侧开设有电源接口，上侧嵌装有显示屏，显示屏下部嵌装有控制开关，壳体另一侧通过导线连接有超声换能器；

壳体内部通过螺栓固定有电源适配器、超声驱动装置、单片机和蓝牙芯片；

电源适配器的输入端与电源接口电性连接，所述单片机的输出端分别与显示屏和超声驱动装置的输入端电性连接，所述超声驱动装置的输出端与所述超声换能器的输入端电性连接，所述单片机与蓝牙芯片电性连接，蓝牙芯片通过无线的方式与手机端app连接；

所电源适配器、超声驱动装置、单片机、蓝牙芯片和超声换能器均与控制开关电性连接。

所述控制开关共设置有15mw/cm²,30mw/cm²,45mw/cm²,60mw/cm²四种输出强度模式。

所述超声驱动装置与超声换能器之间还设置有功率放大装置和阻抗匹配装置，所述功率放大装置为功放芯片；

所述超声换能器为谐振频率为1.5mhz，直径为10mm的压电陶瓷超声换能片。

本发明的另一目的在于提供一种口腔正畸矫治控制系统，所述口腔正畸矫治控制系统运行所述的加速正畸牙移动超声波发生控制方法。

结合上述的所有技术方案，本发明所具备的优点及积极效果为：本发明通过低强度脉冲超声刺激直接影响了参与骨折修复的细胞，低强度脉冲超声作用在细胞膜的压力感受器上，使得细胞内部发生一些生物化学反应；促进肥大软骨细胞增殖和钙化；影响骨重建，促进了骨重建过程的进行。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对本申请实施例中所需要使用的附图做简单的介绍，显而易见地，下面所描述的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例提供的加速正畸牙移动超声波发生控制方法流程图。

图2是本发明实施例提供的加速正畸牙移动超声波发生控制系统的结构示意图。

图3是本发明实施例提供的加速正畸牙移动超声波发生控制方法实现流程图。

图4是本发明实施例提供的tmod寄存器示意图。

图5是本发明实施例提供的tcon寄存器示意图。

图6是本发明实施例提供的scon寄存器示意图。

图7是本发明实施例提供的加速正畸牙移动超声波发生控制系统的原理图。

图8是本发明实施例提供的stc89c52rc引脚图。

图9是本发明实施例提供的p1口引脚图。

图10是本发明实施例提供的中央处理模块的原理图。

图11是本发明实施例提供的电源模块的原理图。

图12是本发明实施例提供的电压转换模块的原理图。

图13是本发明实施例提供的信号发生模块的原理图。

图14是本发明实施例提供的滤波电路的原理图。

图15是本发明实施例提供的传递函数的幅频和相频曲线示意图。

图16是本发明实施例提供的npn三极管结构示意图。

图17是本发明实施例提供的开关电路的原理图。

图18是本发明实施例提供的缓冲电路的原理图。

图19是本发明实施例提供的功放模块的原理图。

图20是本发明实施例提供的声波发射模块的原理图。

图21是本发明实施例提供的用于加速正畸牙移动的超声波发生器的结构示意图。

图22是本发明实施例提供的壳体内部的结构示意图。

图23是本发明实施例提供的p2.7输出波形示意图。

图24是本发明实施例提供的电源模块输出的电压波形示意图；

图中：a：输出的+15v电压；b：输出的-15v电压。

图25是本发明实施例提供的电压转换模块输出的+5v电压示意图。

图26是本发明实施例提供的晶振输出的方波信号示意图。

图27是本发明实施例提供的滤波后的信号示意图。

图28是本发明实施例提供的开关电路控制的信号示意图。

图29是本发明实施例提供的功放放大后的波形示意图。

图30是本发明实施例提供的超声换能片水中的阻抗情况示意图。

图31是本发明实施例提供的换能片电压电流和功率示意图；

图中：a：换能片两端电压电流波形；b：换能器的电功率。

图32是本发明实施例提供的针式水听器测得的一个周期的v²(t)示意图；

图中：a：有培养皿；b：无培养皿。

图33是本发明实施例提供的对照组和实验组起始细胞生长情况示意图；

图中a：对照组；b：实验组。

图34是本发明实施例提供的对照组和实验组3d后细胞生长情况示意图；

图中：a：对照组；b：实验组。

图35是本发明实施例提供的对照组和实验组5d后细胞生长情况示意图；

图中：a：对照组；b：实验组。

图36是本发明实施例提供的随刺激时间的延长，两组细胞成骨基因表达量均逐渐上升示意图。

图37是本发明实施例提供的在超声处理的7d，对细胞进行碱性磷酸酶活性测定，显微镜观察着色情况示意图。

图38是本发明实施例提供的实验的第7、14、21天测量大鼠第一磨牙移动距离示意图。

图中：1、壳体；2、电源接口；3、显示屏；4、控制开关；5、超声换能器；6、电源适配器；7、超声驱动装置；8、单片机；9、蓝牙芯片；10、功率放大装置；11、阻抗匹配装置。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种加速正畸牙移动超声波发生控制方法、系统、装置，下面结合附图对本发明作详细的描述。

如图1所示，本发明提供的加速正畸牙移动超声波发生控制方法包括以下步骤：

s101：单片机的定时器t0的中断服务程序控制p2.7口输出高低电平，控制开关电路；刷新lcd显示屏；外部中断int1和int2接收来自外来的上升沿信号，其相应的中断程序能够调节p2.7输出的占空比。

s102：在治疗用于加速正畸牙移动的超声波发生器的研制结束后，p2.7保持高电平输出，开关电路一直保持导通状态，激励信号不会通过开关电路进入下一级；

s103：定时器t1作为波特率发生器使用，在中断服务程序中接收蓝牙模块传输过来的数据并重新发送出去；

s104：手机端app的第一个activity进行蓝牙的搜索、配对和连接，同时建立蓝牙的客户端和服务端，在手机蓝牙和其他设备配对、连接成功之后程序会跳转到第二个activity；

s105：触发事件把信息通过蓝牙发送给下位机，控制下位机的运行。

如图2所示，本发明提供的加速正畸牙移动超声波发生控制系统包括：

信号产生单元：利用频率为1.5mhz的有源晶振作为信号源产生1.5mhz的方波激励信号。

滤波处理单元：设计滤波电路(隔直、低通)实现对直流信号和高频信号的滤除，获得频率为1.5mhz的正弦波信号。

开关电路：采用npn三极管的导通和截止实现对后级电路通断的控制。三极管截止时，电路相当于断路，没有输出；三极管导通时，电路正常工作。三极管的集电极连接滤波处理单元的输出正弦波信号，基极与单片机的io口相连，通过io口的高低电平变化来控制开关电路三极管的导通和截止。

缓冲电路：采用npn三极管设计射极跟随器电路来降低前级电路对功率放大单元的影响，保证后级电路的稳定性。

功率放大单元：采用型号为ada4870的功放芯片设计功率放大电路，对信号进行功率放大，以驱动超声换能器，实现正确的超声信号输出。

阻抗匹配单元：设计阻抗匹配电路实现功率放大单元输出阻抗和超声换能器阻抗的良好匹配，获得更高的功率信号输出。

超声换能器：谐振频率为1.5mhz，直径为10mm的压电陶瓷超声换能片。

单片机：单片机作为设备的控制系统，主要实现电路的通断控制和设备工作状态的显示。

控制开关电路的io口输出信号的高低电平可通过按键来调节占空比，实现超声信号输出强度的变化，目前有15mw/cm²，30mw/cm²，45mw/cm²，60mw/cm²四种输出强度模式。

显示模块：选择lcd1602显示超声牙齿矫正设备的超声输出强度以设备工作20分钟倒计时等信息。

下面结合附图对本发明的技术方案作进一步的描述。

1、本发明软件设计用到了两个开发平台，分别是keiluvision5和androidstudio：(1)keiluvision5：该平台是一个单片机的开发平台，使用c语言进行编程和汇编进行编程。它能够让单片机的编程变得非常容易，在确保程序正确的情况下，编译生成.hex文件，然后直接烧录到单片机即可。本发明在设计初期通过keil与proteus进行联机调试，即通过proteus模拟单片机，然后把程序加载到模拟的单片机。最后再将完整的程序烧录到单片机中进行调试。(2)androidstudio：该平台是一个用于安卓开发的平台，使用java语言进行编程开发。它提供了丰富的函数库，能够让你更加高效地编写程序，同时它自带的布局编辑器，能够让你用拖动ui控件的方式来进行界面的设计。androidstudio的优势还在于能够十分方便地搭建安卓开发环境，它能够直接从远程服务端下载你需要的sdk、jdk、ant等。

2软件设计流程

如图3所示，软件部分是整个系统的灵魂，本章对系统的软件部分做一个简单的介绍，首先软件部分分为两个部分：第一部分为单片机的程序，使用c语言编程，用来指导单片机的工作；第二部分为手机端的应用程序，使用java语言编程，用来和单片机进行信息交互和控制。两个部分之间的通讯协议为uart方式，是通过硬件部分的蓝牙模块来完成的。单片机程序的设计用到了单片机的两个定时器，其中定时器t0的中断服务程序一方面控制p2.7口输出高低电平，从而达到控制开关电路的目的，另一方面刷新lcd显示屏，在开始治疗前显”welcomeback”的字样，然后开始20分钟的倒计时。同时外部中断int1和int2接收来自外来的上升沿信号，其相应的中断程序能够调节p2.7输出的占空比。在治疗结束后，lcd显示屏会显示”over”字样，p2.7保持高电平输出，也就是说，开关电路一直保持导通状态，那么激励信号就不会通过开关电路进入下一级。定时器t1作为波特率发生器来使用，在中断服务程序中接收蓝牙模块传输过来的数据并重新发送出去。

手机端app部分由两个activity组成，第一个activity进行蓝牙的搜索、配对和连接，同时建立蓝牙的客户端和服务端，在手机蓝牙和其他设备配对、连接成功之后程序会跳转到第二个activity，这个界面利用“开始”和“结束”按钮的触发事件把信息通过蓝牙发送给下位机，以此控制下位机的运行。同时在点击“开始”按钮之后会进行20分钟治疗时间的倒计时，和lcd显示屏上的倒计时是同步显示的。

3软件功能模块设计

3.1单片机程序设计

单片机的程序可以分为三个部分，分别为i/o口输出控制、lcd显示和uart(异步收发)传输：

首先是i/o口输出控制，这里选择p2.7作为i/o口的输出，由于占空比的控制涉及到时间，所以需要定时器来帮助本发明完成。tmod和tcon两个特殊功能寄存器决定了定时器如何工作，前者控制定时器的工作方式，后者用于启动或者关闭定时器和储存中断标志，两个特殊功能寄存器的控制位如图4和图5。

tmod的0-3位控制定时器t0，4-7位控制的定时t1。m0m1的值为00、01、10、11分别对应定时器的工作方式0、1、2、3，c/t位决定定时器为定时模式还是计数模式，0为定时模式，1为计数模式。

tcon的tr0/tr1控制定时器0/1的启动和关闭，tr0/tr1为1时表明定时器开始工作，tf0/tf1是定时器0/1的中断申请标志位，tf0/tf1为1时表示此时产生了一个中断申请，会自动进入中断服务程序。

该部分的设计中，本发明设置定时器0的m1m0＝01，定时器0按照方式1工作，意味着它是是一个16位定时器，设置中断的触发方式为下降沿触发。根据公式：

其中t为所需定时的时间，这里设置为200us，因为单片机晶振为12mhz，所以tcy＝1us，计算得th0＝0xff，tl0＝0x38。

设置完定时器0的相关参数后，打开各个中断，并使定时器0开始工作，这样它就会定时50ms后引发一个中断服务程序，在服务程序中本发明定义一个timer_count的参数，执行一次中断服务程序timer_count就加1，那么就可以通过判断timer_count的大小来决定第一个200usp2.7输出低电平，后面连续4个200usp2.7输出高电平，在这种情况下，可以在p2.7端口输出频率为1khz，幅值为5v，占空比为80％的方波。

另外本发明还利用了两个外部中断服务程序来改变定时器0的定时时间，以此调节输出的占空比，这里很重要的一点就是做好按钮开关的防抖动程序，因为人手在按下按钮开关的时候，可能由于抖动导致int口在极短的时间内收到多个下降沿，所以本发明需要加上一段时间的延迟，同样利用定时器0的定时功能，并且定义一个key_flag来标志外部中断程序能否被激活，在本程序本发明规定了在10ms范围内如果有多个下降沿被接收的话，本发明只承认一个，其他的下降沿都被认为是抖动产生的。

第二部分为lcd显示，首先需要对lcd进行初始化，设置它的显示模式，并且将它的数据和地址指针清零。根据lcd的两根引脚：rs和rw，两根引脚的功能已在硬件部分描述，lcd1602有四种基本操作：读取lcd状态，读取lcd数据，向lcd写入命令以及向lcd写入数据，该程序中主要用到了写命令和写数据两个操作，所以定义了write_com和write_data两个函数，方便后续的程序编写。lcd的模块同样用到了定时器0，它在这里的作用是刷新lcd，因为人眼具有视觉暂留的特点，所以本发明观察lcd显示屏是正常显示的。在倒计时的算法设计上，运用了四个数组，分别对应20:00-00:00的每个位置，当定时器定时达到1s时，将指针对应的位置加1，当指针指向数组的最后一位时，下一次将指针重新指向数组的第一位即可，这样的话就能方便地实现20分钟的倒计时。

第三部分为uart传输，首先uart是一种通信协议，它的传输原理就是将一个字符的8位一个一个地传输出去。pcon和scon两个特殊功能寄存器决定了单片机的uart通信如何工作。前者中只有一个smod位对波特率有影响，当smod＝1时，定时器产生的波特率加倍；后者用于设置串行口的工作方式、控制收发数据和中断标志，其各个控制位如图6。

sm0、sm1和sm2决定串行口的工作方式，ti和ri是发送和接收的中断标志，两者为1的时候说明数据发送或者接收成功，在程序编写中，对ti和ri的手动清零是非常重要的。ren＝1表示允许串行口通讯。

该部分中本发明设置串行口以方式1工作，并且开启波特率倍增，然后设置定时器1以方式2工作，即自动重装的8位定时方式，根据以下公式：

本发明设置th1＝0xf3，focs是晶振的频率12mhz，最后计算得到波特率为4800。设置完串行口的相关参数之后，打开各个中断，在接收中断服务程序中先判断ri是否为1，若不是则说明接收完成，若ri＝1，则将数据从sbuf寄存器中读取出来，并且手动令ri＝1。得到数据之后，再次把它放入sbuf寄存器，通过判断ti是否为1得知数据是否重新发送成功，发送成功后令ti重新为零。

3.2手机应用程序设计

手机应用的程序分为两个部分：蓝牙部分以及下位机控制和倒计时显示。

首先是蓝牙部分，第一步是赋予该应用打开蓝牙的权限，这样在进入应用程序时，若此时手机的蓝牙关闭着，则会询问你是否允许该应用打开蓝牙。第二步是建立一个本地的蓝牙适配器，将其命名为mybltadapter。mybltadapter.startdiscover()函数可以让系统进行蓝牙的搜索，本发明把它放在“搜索”按钮的点击监听事件中，那么当你按下“搜索”按钮时，系统就会执行蓝牙搜索的操作。第一个页面的设计除了“搜索”按钮外，还有一个listview的列表视图，用于显示搜索到的蓝牙设备，另外利用mybltadapter.getbondeddevice()函数可以直接获取到该手机已经配对成功的蓝牙设备，这样的话，如果之前已经连接过该设备，就不需要再次搜索即可以直接连接了。

安卓手机的组件之间是通过广播机制进行通信的，完成一个通信需要广播发送者和广播接受者，在程序编写中用的最多的是广播接受者(broadcastrecevier)，它可以用于同一个app不同组件，不同进程或者不同app之间的信息传输。在蓝牙的搜索过程中，搜索到的设备信息和是否完成搜索的消息都是通过广播来发送的，因此本发明要完成这一步需要先注册一个广播接收者receiver，然后利用intent.getaction()函数获取到广播的action，如果蓝牙搜索到了设备就会发出一个action_found的信号，如果搜索到的设备和已配对过的设备是同一个则不显示该设备，这一点在之前说到。每搜索到一个设备，都把它的名称和mac地址显示到列表视图上，这里使用getname()和getadress()这两个函数就可以完成。最后当搜索结束之后，广播会收到一个action_discovery_dinishrd的信号。

在列表视图上显示所有蓝牙设备之后，需要进行的是蓝牙的配对和连接。这里创建一个listview的点击监听事件onitemclick()，它可以通过getitem()来获取你所点击的那一行内容，然后对它进行内容的分割，从而提取出设备的mac地址并保存起来。获取到点击设备的mac地址后就可以用getremotedevice()进行配对，接下来的过程系统会自动进行。两个设备配对完成不代表它们能够相互传输数据，所以本发明要对两者进行连接。两个设备蓝牙连接成功的前提是具有服务器端和客户端，服务器端用于接收来自其他蓝牙设备的请求，客户端用于向其他设备发出连接请求。因为连接是一个等待的过程，默认时间为15s，所以等待过程就会阻塞该线程，因此本发明需要把连接过程放到另一个线程当中，而在线程中本发明又无法对ui进行操作，故需要创建你handler来帮助本发明在ui上显示一些连接的情况，比如“正在连接...”，“连接成功”，“连接失败”等。

安卓蓝牙之间通过sdp(servicedesignpackage)协议建立连接进行通信，所以在建立服务器端的时候，首先要做的是创建一个bluetoothserversocket的变量，本发明将其命名为myserversocket，建立的方法有两种，其中一种是不安全的建立方式，所以本发明这里采用安全的建立方法，即用listenusingrfcommwithservicerecord(service_name,service_uuid)函数，其中uuid(universallyuniqueidentifier)是指通用唯一识别码，是一种软件构建的方法，主要用于设备连接过程中的认证，一般情况下连接蓝牙模块的uuid为”00001101-0000-1000-8000-00805f9b34fb”，只有在客户端和服务器端的uuid相等时两个蓝牙设备才能正常连接；同样建立客户端的时候，本发明要创建一个rfcommsocket的变量，将其命名为client_socket，建立的方法是使用createrfcommsockettoservicerecord(client_uuid)函数，这里的client_uuid与服务器端的service_uuid必须是一样的。client_socket的作用是向服务器发送以个连接请求，并且创建一个从客户端到服务器端的通道。当这个通道创建完成后，本发明只要使用函数client_socket.connect()就可以进行连接，在设计中，本发明让蓝牙连接成功之后进行页面的跳转，即执行第二个程序。

下位机控制和倒计时显示部分相对来说比较简单，在界面上设计两个按钮，分别为“开始”和“结束”以及一个显示倒计时的文本。开始和结束的点击监听事件为应用程序通过蓝牙向单片机发送控制指令，数据的发送需要通过之前服务器和客户端之间的socket来完成，所以本发明需要定义一个outputstream的变量，将其命名为myoutstream，然后它的初始化为socket.getoutputstream()，这样本发明就可以使用myoutstream.write(byte)来发送信息了。这里当开始被按下时，本发明向单片机发送1，表示开始治疗；当结束被按下时，向单片机发送0，表示停止治疗。单片机在接收到手机发来的数据后，做出相应的反应，达到控制效果。

倒计时显示使用了androidstudio自带的一种类：countdownntimer，它能够直接在定义的时候就决定每隔多少秒执行一次服务程序，一共运行多少时间，那么本发明在这里设定一共跑1200*1000ms，每隔1000ms运行一次服务程序。在服务程序的算法如下：定义一个time_count变量，其初始值为1200，每次运行减1，那么本发明通过下面的公式就能获得分和秒的数值：

min＝time_count/60

sec＝time_count％60

最后把计算得到的min和sec显示到文本上就完成了20分钟的到技术。

本发明系统的软件主要包括单片机的程序和手机端的应用程序。单片机的程序完成信号的占空比控制、uart传输和lcd显示三个功能，主要用到了单片机的两个定时器t0和t1。手机端应用程序完成了蓝牙的搜索、配对、连接以及对单片机的控制和简单的人机交互。前者在设计过程中首先用keil与proteus联机仿真，确认程序可用之后烧录到单片机中，后者直接将程序生成的apk文件下载到安卓手机上进行调试。

4、本发明硬件设计用到了三个开发平台，分别是proteus8.0，multisim12.0和altiumdesigner，首先硬件部分的设计采用了模块化的设计方法，把整个硬件系统分为以下十一个模块：电源模块、中央处理模块、电压转换模块、信号发生模块、rc滤波电路、蓝牙模块、lcd显示模块、开关电路、缓冲电路、功放模块、声波发生模块。每个模块完成其各自的功能并相互连接以形成整个超声驱动电路。硬件系统框架图如图7。整个硬件系统的目的是为了得到一个1.5mhz，占空比为20％的激励信号，从而能够驱动超声换能片进行工作，另外还得控制信号的大小使得发射的超声强度达到30mw/cm²。硬件系统以中央处理模块为核心，分别控制蓝牙模块，lcd显示模块和开关电路，其中蓝牙模块用于发送和接收蓝牙信息，lcd显示模块用于将系统信息显示给用户。电源模块的功能是把生活中用到220v交流电转换成±15v电压，提供给缓冲电路、功放模块和电压转换模块，使三者能够正常工作，其中电压转换模块再次把+15v电压转换成+5v电压，给中央处理模块、信号发生模块、蓝牙模块和lcd显示模块供电。信号产生模块产生的信号经由滤波电路、缓冲电路和功放模块后进入声波发生模块，最终发射所需超声波。

如图8所示中央处理模块使用stc89c52rc单片机作为主要器件。单片机正常工作需要两个基本外围电路作为支持：复位电路和时钟电路，其中复位电路使用一个10kω的电阻和10uf的电容，然后将其与rst引脚相连；时钟电路使用了两个30pf的电容及一个12mhz的晶振，这样单片机的时钟信号就是12mhz。除了前面两个基础的外围电路之外，在int1和int2引脚接了两个按钮开关，其另一端接地，当开关被按下时，int1和int2引脚上的电平由高电平变成低电平，触发了中断，单片机会去执行中断服务程序；另外将p1口与lcd显示屏的d0-d7引脚相连，p1口不同于p0口，它是一个准双向口，所以在使用时不需要接上拉电阻直接将其与外围器件连接就行了，其结构如图9所示。stc89c52rc的p2.0和p2.2引脚和lcd显示屏的rs和r/w引脚相连，前者决定单片机控制lcd的数据寄存器还是地址寄存器，后者决定单片机向lcd写内容还是读内容。p2.7引脚与开关电路相连，输出高低电平控制开关电路的开关。中央处理模块的电路原理图如图10所示。

电压转换模块分为三个部分：220v交流电转+24v电压，24v电压转±15v电压和+15v电压转+5v电压。24v电压转±15v电压使用e2415urad-6w电源芯片电路原理图如图11所示。+15v电压转+5v电压使用的是lm1117-5芯片，电路原理图如图12所示。信号发生模块的电路原理图如图13；利用rc滤波电路将其转化为正弦波输出，其电路原理图如图14所示。由于晶振产生的方波含有直流分量，所以在rc滤波电路前加了一个0.1uf的电容，目的是除去方波信号中的直流分量。r5、r6、r7和c6、c7、c8构成了rc滤波电路，其中三个电阻的阻值均为1kω，c6和c7为100pf，c8为1pf。该电路的传递函数为：

r＝1kq，c1＝100pf，c2＝1pf

利用matlab绘制传递函数幅频和相频曲线，从图中可以看到当频率大于1mhz时，其幅值快速减小，故该滤波电路作为低通滤波器能够滤掉方波中大于1mhz的频率分量，只留下1.5mhz的正弦波，如图15所示。

开关电路和缓冲电路使用的主要元器件是三极管，如图16所示。它能够放大电路中的微弱电信号，除此之外它一般作为开关电路使用。三极管的结构如下所示，可以看到三极管主要分为三个区域：两个n区和一个p区，分别称为集电区、基区和发射区，并且相互构成了集电结和发射结。三极管的结构特征决定了它的电路特性。

如图17所示，开关电路利用了三极管的截止和导通状态，将它作为控制电路开关的核心，其电路原理图如下所示。三极管处于截止状态时，集电极和发射极相当于断路；三极管处于导通状态时，集电极和发射极相当于短路。于是本发明只要控制这两个状态不停的转换，就能得到具有一定占空比的信号了。

如图18所示，缓冲电路利用一个npn三极管来设计一个射极跟随器，该电路利用的是三极管的放大状态。射极跟随器的主要作用是放大交流电，它放大的是电流而不是电压，在电流被放大的情况下，电路的带载能力就会提高。由于该射极跟随器的输入阻抗较高，输出阻抗较低，所以把它放在两级电路之间，这样它既能与前级电路的高输出阻抗匹配，又能与后级电路的低输入阻抗匹配，从而起到缓冲作用，减少前后级之间的相互影响。所以在实际电路中它都是作为隔离电路来使用的。本发明把缓冲电路放置于开关电路和功放模块之间，目的是为了降低前置电路对功放的影响，保证后级电路的稳定性。

蓝牙模块和lcd显示模块，本发明使用的蓝牙模块是市面上存在的hc-05。

功放模块和声波发射模块，功放模块是整个超声驱动电路最重要的一部分，它的功能是信号进行功率放大使其能够驱动本发明的超声换能片。该模块使用的主要元器件为ada4870功放芯片，其电路原理图如图19所示。利用分压来控制sd和on引脚上的电压，在sd引脚上使用20kω和2.2kω的电阻对±15v电压进行分压，得到sd引脚的电压为-12.03v，在on引脚上，直接连接-15v的电压和一个1.1kω的电阻即可，使得sd引脚的电压为-15v，符合了设计需求，可以让ada4870正常工作。在正常工作的情况下，该芯片的放大倍数由7和8引脚所接电阻决定，将一个out引脚输出的信号经过分压后重新输入到反向输入端inn，计算放大倍数的公式如下：

本发明选择r17＝1.2kω，r18＝200ω，计算放大倍数为7倍，硬件电路的设计必须做好散热操作，因为ada4870正常工作时会产生大量的热量，如果不及时散热会使得芯片温度过高而停止工作，本发明在芯片上加上了散热片，同时在绘制pcb时在整个电路板上铺地，帮助芯片散热。

功放模块的输出连接到声波发射模块，该模块的功能就是发射超声波，它是由超声换能片来完成的。超声换能片由压电材料制作而成，它能够将电能转化为机械能传递出去。压电材料最重要的特性为压电效应，它是超声换能片得以工作的基础，即当压电材料受到外界压力时，它的两个表面产生正负电荷或者反过来当压电材料处于电场中时，它会在按照某个特定方向发生机械形变，这两者就是所谓的正压电效应和负压电效应，超声换能片就是利用负压电效应制作的。声波发射模块的电路原理图如图20。

本发明整体采用了模块化设计的方法，将整个硬件按照功能分成十一个模块，然后分别进行设计，同时也需要考虑模块与模块之间的联系和影响，最后把所有模块结合起来完成信号的产生、滤波、功率放大和换能器的匹配。首先通过multisim和proteus平台模拟设计过程，然后在电路可行的前提下使用实际元器件构建电路，由于存在仿真和实际之间的差异，所以对实际的电路要进行调试的和修改。完成各模块的设计并且搭建起实际电路之后，利用altiumdesigner画出原理图，然后生成pcb，按照pcb设计的原则完成电路板整体的布局。最后，把元器件焊接在制造商制造的电路板上，以完成整个系统硬件的设计和制造。

如图21和图22所示，本发明提供的用于加速正畸牙移动的超声波发生器包括：壳体1、电源接口2、显示屏3、控制开关4、超声换能器5、电源适配器6、超声驱动装置7、单片机8、蓝牙芯片9、功率放大装置10、阻抗匹配装置11。

实施例1

在本实施例中，壳体1一侧开设有电源接口2，上侧嵌装有显示屏3，显示屏3下部嵌装有控制开关4，壳体1另一侧通过导线连接有超声换能器5，超声换能器5为谐振频率为1.5mhz，直径为10mm的压电陶瓷超声换能片；壳体1内部通过螺栓固定有电源适配器6、超声驱动装置7、单片机8和蓝牙芯片9；单片机8型号为stc89c52rc，蓝牙芯片9为hc-05。

本发明的单片机8主要完成三个控制任务：一是通过i/o口输出高低电平，用于加速正畸牙移动的超声波发生器的研制经由开关电路来控制超声信号的占空比；二是和lcd1602显示屏3连接，让显示屏3显示相应的信息；三是通过rx和tx引脚与蓝牙芯片9hc-05相连，使其能够和手机端蓝牙连接后相互传输数据。

实施例2

在实施例1的基础上，本实施例的电源适配器6的输入端与电源接口2电性连接，电源适配器6将220v，50hz的交流电转换为产生±15v的直流电，单片机8的输出端分别与显示屏3和超声驱动装置7的输入端电性连接，超声驱动装置7的输出端与超声换能器5的输入端电性连接，单片机8与蓝牙芯片9电性连接，蓝牙芯片9通过无线的方式与手机端app连接；电源适配器6、超声驱动装置7、单片机8、蓝牙芯片9和超声换能器5均与控制开关4电性连接；超声驱动装置7产生一个1.5mhz的信号，经过滤波、控制、放大后形成频率为1.5mhz的正弦波，其峰峰值达到15v，占空比为20％，最后用于驱动超声换能片。

实施例3

在实施例1的基础上，本实施例的显示屏3为液晶显示屏3；显示屏3型号为lcd1602，能够显示声强和20分钟倒计时。

实施例4

在实施例1的基础上，本实施例的控制开关4的io口输出信号的高低电平可通过按键来调节占空比，实现超声信号输出强度的变化，共设置有15mw/cm2、30mw/cm2、45mw/cm、60mw/cm四种输出强度模式。

实施例5

在实施例1的基础上，本实施例的超声驱动装置7与超声换能器5之间还设置有功率放大装置10和阻抗匹配装置11，功率放大装置10为功放芯片；采用型号为ada4870的功放芯片设计功率放大电路，对信号进行功率放大，以驱动超声换能器5，实现正确的超声信号输出；设计阻抗匹配装置11实现功率放大单元输出阻抗和超声换能器5阻抗的良好匹配，获得更高的功率信号输出。

本发明的工作原理为：打开控制开关4，超声驱动装置7利用频率为1.5mhz的有源晶振作为信号源产生1.5mhz的方波激励信号，功率放大装置10对信号进行功率放大，以驱动超声换能器5，实现正确的超声信号输出，阻抗匹配装置11实现功率放大单元输出阻抗和超声换能器5阻抗的良好匹配，获得更高的功率信号输出，超声换能器5发射超声波；同时，通过调节控制开关4调节输出强度，显示屏3显示声强和20分钟倒计时。

下面结合测试对本发明的技术方案作进一步的描述。

1stc89c52rc测试，正常启动stc89c52rc后，首先测试stc89c52rc的p2.7引脚输出是否正常，示波器的波形如图23。从图23中看到该方波的频率为1khz，占空比为20％，符合设计需求。把lcd显示屏通过杜邦线与电路板上的stc89c52rc连接后，插上电源供电。使用usb-ttl转接器连接单片机和电脑，，然后使用串口调试助手对单片机发送数据，并且接收单片机发来的数据。这里我向单片机连续发送三次010203的数据，单片机接收到后同时返回三个010203，说明单片机的串行口uart通信正常，能够正常向蓝牙模块发送数据，符合设计需求。

2超声驱动电路测试，首先测试电源模块产生的±15v电压和电压转换模块产生的+5v电压，示波器的测量结果如图24和图25。从示波器结果来看，±15v和5v的直流电压线性较好，没有太多其他频率的杂波混入其中，说明滤波设计做的比较好，不会影响到后级电路，符合设计需要。测试完供电电压之后，需要测试信号发生模块以及滤波电路的效果，利用示波器观察晶振产生的方波信号，其结果如图26所示。从图26中看到晶振输出1.5mhz的方波，去掉方波的波纹带来的最大正负电压之后，其峰峰值约为5v，且方波的波形质量很好。该方波信号经过滤波电路之后形成正弦波，示波器测得的波形如图27所示。从图中看出正弦波的最电平为840mv，最小电平为-620mv，其波形也达到了要求，总体符合设计需求。接下来测试开关电路，利用示波器观察产生信号的占空比，其结果如图28。从图中可以看到该波形的周期为1ms，正弦波的波形占了200us，其占空比为20％，符合设计需求。该信号通过开关电路和缓冲电路之后，进入到功放模块，根据声功率的要求，调节ada4870的放大倍数为7倍，其输出波形如图29。从图中观察到正弦波的最大电平为8.6v，最小电平为-6.4v，峰峰值达到15.1v，其放大倍数约为7倍，符合设计需求。

3换能片阻抗匹配和功率调试，超声换能片的阻抗匹配和功率调试是整个系统联调测试中最为重要的一部分，首先利用阻抗分析仪测试该超声换能片在水中的阻抗情况，这里需要把换能片置于水中，其原因是超声波的特性，因为空气的密度比较小，如果超声直接进入空气，就会有大量的超声反射，基本不会有能量进入空气，所以使用水作为传播介质，医学上使用超声时都需要这种介质，比如b超使用时需要涂抹耦合剂。其阻抗测试结果如图30。从图30可知，频率在1.5mhz附近时换能片的阻抗最小，说明该换能片能够被1.5mhz的正弦波驱动。再次使用阻抗分析仪测量在1.5mhz下的阻抗，结果为198ω，-65.8°。对该换能片进行适当的阻抗匹配，要求匹配后的相位角度在-15°和0°之间，阻抗值小于10ω。使用施密特图分析后，决定先并联1.38nf的电容(由1nf、200pf、200pf三个电容并联形成)，在串联5.5uh(由两个15uh电感并联)。经过阻抗匹配后，超声换能片的阻抗为9ω，-3°，完全符合设计需要。

为了搭建实验环境设计了一个类似烧杯的容器，其上端开口，下端放置超声换能片，在容器的上半部分具有三个卡扣，能够把培养细胞用的培养皿放置在上面。根据matlab模拟，距离换能片16mm之外的声场被认为是远场，其超声信号较为稳定，所以将换能片和培养皿的距离设计为16mm。实验时需要在容器中倒满去汽水作为声波的传播介质，使用去汽水的原因是正常的水中含有大量气体，超声在传播过程中碰到这些气泡会发生不必要的折射、反射行为，造成能量的损失。将换能片置于水中后测量其两端的电压峰峰值为44v，电流峰峰值为249ma，同时利用示波器将两条曲线相乘得到功率曲线，得到其电功率为107.3mw，结果如图31。由于细胞是在培养皿上培养的，此时需要考虑超声从水到培养皿的透射情况，事先进行理论上的计算，方便后续的功率调试。查阅资料得知培养皿的材料为聚苯乙烯，其密度ρ1＝1.05g/cm³，超声在其中传播的声速c1＝2337m/s，这里认为水的密度ρ2＝1.00g/cm³，声速c2＝1450m/s，根据下列公式计算得透射系数为93.4％。

使用针式水听器测量声强，针式水听器的原理是利用了压电材料的压电效应，当其表面上的压力(声压)发生变化的时候，压电材料内部的电荷分布会发生变化，表现出来的现象就是电压的变化。水听器测得的曲线为v(t)，它是电压-时间曲线，而且因为测量的电压信号比较小，水听器的使用还要配合一个放大器，这里本发明设置放大器的放大倍数为30db。得到电压-时间曲线之后，根据下面公式本发明可以得到声压-时间曲线：

p(t)＝v(t)/β

公式中的β表示水听器的灵敏度，查阅使用说明得知在1.5mhz下水听器的灵敏度为0.17v/mpa。经过换算可以获得声压-时间曲线，然后根据下面的公式计算空间峰值脉冲平均声强：

利用示波器的功能可以得到v2(t)在一个周期内的均值，这里测量放置培养皿和不放置培养两种情况的声强，得i1＝28.6mw/cm³，i2＝33.4mw/cm³，测量结果如图32。

4手机端app测试，测试手机端应用程序的功能，首先是蓝牙功能，进入app后得到一个蓝牙许可请求，选择是的话会自动开启蓝牙；然后点击“搜索设备”的按钮，进行蓝牙搜索，名字为“mybluetooth”的蓝牙设备是本发明的单片机；点击该设备，请求输入蓝牙密码，在蓝牙模块的初始化中本发明设定了其密码为“1234”；配对成功后蓝牙模块的指示灯会低频率闪烁，页面跳转至控制页；控制页两个“开始”“结束”按钮和倒计时文本，点击开始后开始倒计时，同时单片机开始正常工作。经过测试发现手机端app功能正常，符合设计需求。

本发明进行了系统的联调测试，测试软硬件的功能是否实现，并记录相应的输出结果。硬件测试结果表明本课题设计的驱动电路能够产生一个1.5mhz，脉冲宽度为200us，重复频率为1khz的超声波，其经过功率放大后的电压峰峰值达到14v，驱动超声换能片工作后，电压峰峰值达到44v，电流峰峰值达到249ma，其电功率为107.3mw。测得超声波在经过培养皿后的声强达到28.6mw/cm²，达到了设计需求。软件测试结果表明lcd显示屏能够正常显示20min的倒计时，手机端能够搜索到本发明的设备，并正常配对、连接。

下面结合实验对本发明的技术效果作详细的描述。

1实验方法和结果，将小鼠脱颈处死，使用75％的酒精浸泡10-15分钟，然后取出小鼠的双侧胫骨和腓骨，将其放置于含有培养基的培养米中浸泡1-2分钟。用剪刀剪除干骺端，然后使用10ml针管1ml针头抽取培养基，对骨髓腔进行冲洗，将细胞冲洗出来，上述操作反复进行3-4次。随后将冲洗液置于50ml的离心管中，1500r/min离心5分钟，离心重悬以后进行接种。

在接种后12-24小时左右，原代细胞开始贴壁，3天之后，通过显微镜观察到细胞呈三角形，5天后能够观察到细胞大量增加，部分区域出现了细胞团，细胞形态呈现长梭形，并且排列紧密。之后取出原代细胞进行传代培养，每三天换一次液，使用第二代细胞进行实验，使用的培养基为dmem。

实验主要分为对照组和实验组，每天将实验组细胞放于设备上，接受20min的超声照射，实验组所用的超声的参数为已设置好的最佳实验参数，对照组不做任何处理。实验组和对照组正常情况下都放置在恒温培养箱中进行培养，只有实验组每天取出来进行超声处理，两组实验环境除了超声处理之外全部一致。在对实验组进行超声处理之前，两组细胞的密度基本相同，细胞形态都处于起始阶段的三角形(图33a，b)，接下来10天内每天对实验组的细胞进行20min的低强度脉冲超声的照射，观察对照组和实验组的细胞生长情况。

超声处理3d后，实验组的细胞密集程度开始大于对照组(图34a，b)；超声处理5d后，实验组的细胞已经出现了团簇现象，而对照组的细胞还相对比较松散，细胞密度略小于实验组(图35a，b)。根据上述的细胞实验本发明发现低强度脉冲超声能够在一定程度上促进骨髓间充质干细胞增殖。

本实验以证明本发明研制的超声波发生器的可用性和超声波在促进细胞的作用，实验设立了对照组和实验组，其中实验组每天接受20min的超声照射，对照组不做任何处理。利用显微镜观察细胞的生长情况，比较实验组和对照组的细胞密集程度，最后发现实验组的细胞无论在形态和数量上都要超过对照组，于是得到1.5mhz的lipus，脉冲宽度为200us，重复频率为1khz，超声强度为45mw/cm²，每天照射20min，能够在一定程度上促进骨髓间充质干细胞的增殖。

在超声处理的4、7、10d，提取细胞rna并进行实时荧光定量pcr，观察成骨相关基因bmp2、alp、opn、bsp的表达情况，检验经超声刺激后细胞的成骨向分化能力。由图36可见，随刺激时间的延长，两组细胞成骨基因表达量均逐渐上升，其中实验组的基因表达量较对照组间有显著提高；10d时，实验组细胞中成骨相关基因bmp2、alp、opn、bsp均高于对照组。

在超声处理的7d，对细胞进行碱性磷酸酶活性测定，显微镜观察着色情况。由图37可见，实验组着色细胞数量较对照组多、且着色颜色更深，半定量结果显示实验组碱性磷酸酶活性较实验组有显著提升。

由以上实验可得到结论，1.5mhz的lipus，脉冲宽度为200us，重复频率为1khz，超声强度为45mw/cm²，每天照射20min，能够在一定程度上促进骨髓间充质干细胞的成骨向分化。

大鼠麻醉后，仰卧固定，在大鼠上颌双侧中切牙及第一磨牙的颈部平齐龈缘处，使用涡轮机的超细金刚砂钻磨出深约0.2mm的小槽沟以利于结扎丝的固定；用0.25mm正畸不锈钢结扎丝将正畸拉簧分别结扎在第一磨牙与中切牙间，力值大小均为0.1n，牵引双侧第一磨牙向近中移动。动物实验分为实验组及对照组，实验组大鼠每天接受20min的超声照射，实验组所用的超声的参数为已设置好的最佳实验参数，对照组不做任何处理；两组实验环境除了超声处理之外全部一致。于实验的第7、14、21天测量大鼠第一磨牙移动距离。有图38可见，在21d的动物实验中，实验组均表现出更多的牙齿移动距离及更快的牙齿移动速度。根据上述的动物实验，本发明发现低强度脉冲超声能够在一定程度上促进大鼠正畸牙移动速度。

在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上；术语“上”、“下”、“左”、“右”、“内”、“外”、“前端”、“后端”、“头部”、“尾部”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

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