基于單片機的電熱針灸治療儀的設計及應用

林育茲 陽 賓 王彥輝

（1.廈門大學，福建 廈門 361005；2.廈門大學嘉庚學院，福建 漳州 363105）

針刺與灸療是中醫針灸療法中相互獨立又互為補充的治療方法，中醫古典醫籍《靈樞》的“針所不為，灸之所宜”和《醫學入門》的“藥之不及，針之不到，必須灸之”說明了針刺與灸療相輔相成的關系。溫針灸是針灸法中使用最普通、也是最受病人歡迎的一種療法，此法始見于東漢時張仲景的《傷寒論》和明代楊繼洲的《針灸大成》。傳統溫針療法是用毫針針刺后，點燃加置在針尾的艾條，使其熱量通過針體傳至人體的穴位，提高治療疾病效果的一種方法。由于它療效卓著，治療范圍廣泛，又是防病保健的良法，一直得到普遍推廣使用。

傳統溫針的冷卻速度快且溫度難于把控，除了會降低溫針的療效外，還易出現人體燙傷等事故，如果同時在多個針體處加置艾條就很不方便。為此，作者依照多刺激模式電針與智能化灸療技術,研制出基于單片機控制的電熱針灸治療儀。電熱針灸治療儀通過智能控制的電熱傳導裝置代替傳統的艾條燃燒等方式的加熱器，以及應用微振蕩電動針灸代替傳統的人工捻針，不僅可以克服傳統溫針所存在的問題，而且使用安全簡便，通過恒溫治療的效果更明顯。

1 系統方案設計

1.1 系統設計要求

根據中醫針灸的臨床實踐需求，電熱針灸治療儀應滿足以下基本要求：

1）溫度控制范圍：30～60℃，連續可調，用4位數字顯示。

2）溫度控制精度：±1℃。

3）微電機振動頻率：0.5～20Hz，每檔調節0.5Hz。

4）預定時間：5 檔分別設置為5min、10min、15min、25min、30min，到達后自動停止加熱。

5）具有變壓器隔離、光電隔離、漏電保護、極限溫度報警等安全保護措施。

6）預留有多路擴展功能。

1.2 系統方案選定

根據電熱針灸治療儀的主要技術指標和安全性的需求，采用模糊評判方法，選用了AT89S52 單片機和相應的外圍電路結構[1-2]，選定的系統方案如圖1所示。圖中僅畫出一路加熱器，實際可以同時滿足16 路輸出；同時，系統還采用多重的保護措施，確保使用安全。

圖1 電熱針灸治療儀的硬件結構

在圖1中，單片機產生可調節的PWM 脈沖，經光電隔離輸出12V 接到加熱器進行加熱，由加熱器將設定的溫度傳送至銀針，然后通過溫度傳感器將針體的溫度實時反饋給單片機，形成閉環調節控制[3]。單片機根據實際溫度與設定溫度的比較和計算，輸出所需的PWM 占空比脈沖，使銀針保持在設定的恒溫數值，以對人體進行持續的溫針治療。另一路的PWM 脈沖也經過光電隔離后，輸出給微電機調速，使銀針按設定的頻率進行微量振動，以代替人工的捻針作用，起到輔助治療效果。外部電路還包括電源模塊、溫度設定和顯示、按鍵調節時間和調節微電機的振動頻率、報警電路等。另外，加熱器還采用專用夾具將銀針夾緊，以進行有效的熱傳導。

為防止銀針的針體在較高溫度（≥70℃）時燙傷和粘連肉體，在加熱器中加裝了熱敏開關，當加熱器達到設定的熱敏開關溫度（如65±2℃）時電路自動斷開，以防單片機和溫度傳感器出現故障后加熱器還繼續加熱。

2 系統的程序設計

主程序的控制流程如圖2所示。當上電時為了保證系統運行時進入初始化，采用了上電復位。首先進行復位定時器模塊、顯示模塊、溫度采集模塊（即DS18B20）的復位，最后開啟中斷和定時器。當系統初始化正常后，自動進入循環運行的工作狀態，直至復位按鈕按下退出為止。系統首先讀取18B20 溫度傳感器中的數值，經過運算處理后顯示在液晶數碼管上，此時為當前環境溫度。按下溫度調節按鍵K2 則可調入溫度設置子程序運行，當溫度設置完畢后再次調回主程序。執行運算控制模塊（實際是一個溫度比較指令），其作用是根據當前設置溫度與當前環境溫度比較值，改變PWM 脈沖的占空比，直到設置溫度與實際測量的溫度相同為止。若系統溫度超過60℃自動停止加熱，并且通過蜂鳴器報警提醒使用者溫度過高。

圖2 主程序的控制流程

4 位數碼管的顯示采用動態掃描，其程序流程如圖3所示。每位數碼顯示的時間間隔可通過調整延時程序調節，以避免顯示時間間隔對數碼管的亮度和產生閃爍的影響。

圖3 溫度掃描顯示流程

ds18B20 數字溫度傳感器為“單總線”通信方式，溫度采集流程如圖4所示[3-4]。單片機將ds18B20測量的溫度值讀入并轉換為相應的數值，存入到溫度數據寄存器，供顯示模塊和運算控制模塊調用。

圖4 溫度采集流程

為提高單片機 CPU 的工作效率，加熱器的PWM 脈沖由定時器產生，并通過定時器執行對PWM 占空比進行調節。系統使用工作方式1 的定時器0，其控制字為01。在使用定時器時，需要打開總中斷開關EA、內部定時器/計數器0 的中斷允許位ET0 和定時器0 的起動位TR0。因此，定時器0的設置流程如圖5所示。

運算控制模塊通過分析設定溫度與當前溫度來改變輸出的PWM 脈沖的占空比，從而控制加熱絲的平均電流的大小，改變銀針的溫度。由硬件電路的設置可知，PWM 脈沖的占空比越高，加熱絲的平均電流就越小，銀針溫度越降低；PWM 脈沖的占空比越低，加熱絲的平均電流就越大，銀針溫度越高。

運算控制模塊采用的是溫度比較法，僅對當前溫度與設定溫度進行比較分析，其程序流程[3]如圖6所示。若當前溫度大于設定溫度，則提高PWM 脈沖的占空比，使加熱器平均電流減小而降低銀針溫度；若當前溫度小于設定溫度，則降低PWM 脈沖的占空比，通過增大加熱器平均電流來提升銀針溫度。

系統軟件還采用延時10～20ms 來防止按鍵的抖動影響，避免誤操作。

圖5 時間切換的設置流程

圖6 運算控制模塊的程序流程

3 實驗測試

3.1 PWM 占空比與對應溫度的測試

為提高控制精度，將PWM 的占空比分為1000份，占空比可在0‰～1000‰調節。占空比與對應溫度的階梯統計，經過實驗測試結果見表1。由此，系統對于PWM 的占空比限定在700‰～200‰之間。

表1 占空比與對應溫度的統計表

3.2 臨床實驗對比

表2是2 組針對不同病癥，分別采用溫針和普針的療效對比情況。作者也進行了體驗感受，使用本儀器的溫針治療，首先是治療的疼痛感明顯減輕，且療效比沒有溫針的效果好。

表2 溫針和普針的療效對比

4 結論

電熱針灸治療儀由AT89S52 單片計算機及外圍電路組成，完成系統設計后，經過硬件和軟件調試，總體達到了設計的技術指標。正常輸出溫度為連續可調的30～60℃；當溫度超過60℃時，輸出聲音報警并切斷加熱電路，整機正常運行；當溫度超過加熱器熱敏開關的設定溫度時，電路自動斷開，以防單片機和溫度傳感器出現故障后加熱器還繼續加熱的現象發生。

在初步進行臨床實驗的基礎上，廈門大學醫院對多種疾病進一步進行了后續的臨床治療，90%以上病人感覺到明顯的療效，且儀器能夠安全穩定地運行。試驗結果表明，該儀器技術先進、療效明顯、操作方便,可廣泛臨床應用于中醫針灸治療。但對于不同個體、不同病癥，應采用怎樣的合適溫度以得到最佳的治療效果，還有待于更大面積的臨床實驗和總結。

[1] 高偉,曹國君,李向群,等.AT89 單片機原理及應用[M].北京: 國防工業出版社,2008.

[2] 劉同法,陳忠平,彭繼衛,等.單片機外圍接口電路與工程實踐[M].北京: 北京航空航天大學出版社,2009.

[3] 蔡文學,廖長榮.遠程溫度監控系統的設計[J].重慶文理學院學報(自然科學版),2006,5(4): 90-92,97.

[4] 李鋼,趙彥峰.1-Wire 總線數字溫度傳感器DS18B20原理及應用[J].現代電子技術,2005,28(21): 77-79.