基于MSP430單片機(jī)的電子艾灸盒設(shè)計(jì)

王祖銘，嚴(yán)郁，張憶，肖富男，朱偉，邵勤

南京中醫(yī)藥大學(xué)附屬醫(yī)院 設(shè)備處，江蘇 南京 210029

基于MSP430單片機(jī)的電子艾灸盒設(shè)計(jì)

王祖銘，嚴(yán)郁，張憶，肖富男，朱偉，邵勤

南京中醫(yī)藥大學(xué)附屬醫(yī)院 設(shè)備處，江蘇 南京 210029

目的 為解決現(xiàn)有艾灸器具無(wú)法實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)調(diào)節(jié)溫度，易造成病人燙傷，無(wú)法獲得最佳艾灸療效等問(wèn)題，提出了基于MSP430F149單片機(jī)的電子艾灸盒的設(shè)計(jì)。方法 通過(guò)鍵盤輸入預(yù)設(shè)溫度，由MSP430 F149單片機(jī)控制DS18B20溫度傳感器讀取實(shí)時(shí)測(cè)量溫度，根據(jù)測(cè)量溫度與預(yù)設(shè)溫度比較結(jié)果控制步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)以調(diào)節(jié)篩網(wǎng)的高度，最終達(dá)到閉環(huán)監(jiān)測(cè)調(diào)節(jié)溫度的目的。結(jié)果 根據(jù)實(shí)際測(cè)量艾灸溫度，依據(jù)相對(duì)誤差公式，計(jì)算相對(duì)誤差為1.69%，相對(duì)誤差較小，說(shuō)明電子艾灸盒可較好的控制艾灸溫度。結(jié)論 多次實(shí)驗(yàn)證明，該設(shè)計(jì)能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)并有效控制艾灸溫度，大大降低病人燙傷的風(fēng)險(xiǎn)。

艾灸；艾灸器具；單片機(jī)；溫度傳感器；自動(dòng)控制

引言

艾葉性溫，以其特有的溫?zé)嵝?yīng)及藥理性質(zhì)直接或間接作用于體表的一定部位，可以起到溫經(jīng)通絡(luò)、除寒祛濕的作用。在我國(guó)，對(duì)于艾草的使用已經(jīng)有了幾千年的歷史，而灸法則是中醫(yī)傳統(tǒng)技術(shù)的重要組成部分，由于療效肯定、適應(yīng)癥廣泛，在臨床與日常保健中的應(yīng)用已經(jīng)十分普遍。艾灸就是融合艾葉和灸法的優(yōu)勢(shì)，通過(guò)燃燒艾絨產(chǎn)生溫?zé)嵝?yīng)從而剌激皮膚感受器來(lái)激發(fā)人體的機(jī)能活動(dòng)，可以溫經(jīng)通脈、活血止痛、扶正祛[1-3]。大量研究表明，艾灸溫度是影響艾灸療效的關(guān)鍵因素，不同的艾灸溫度產(chǎn)生不同的溫?zé)嵝?yīng)誘導(dǎo)不同的生物學(xué)效應(yīng)，最終實(shí)現(xiàn)不同的艾灸療效[1-6]。適宜的艾灸溫度是取得最佳艾灸療效的重要前提。然而現(xiàn)有艾灸器具較為簡(jiǎn)陋，僅僅是在一層耐熱篩網(wǎng)上燃燒艾絨進(jìn)行艾灸治療，無(wú)法控制艾灸溫度，影響艾灸療效，操作不當(dāng)甚至?xí)鸩∪藸C傷。這些缺點(diǎn)嚴(yán)重制約了艾灸療法的普及和推廣。因此，改進(jìn)傳統(tǒng)落后的艾灸器具勢(shì)在必行[7-8]。本文提出了一種基于MSP430單片機(jī)的電子艾灸盒，結(jié)合了傳統(tǒng)中醫(yī)理論和單片機(jī)、傳感器技術(shù)等現(xiàn)代化技術(shù)的電子醫(yī)療儀器，具有精確度高，穩(wěn)定性好，操作簡(jiǎn)便等優(yōu)點(diǎn)，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)艾灸盒的諸多不足，為艾灸療法的普及和推廣創(chuàng)造了有利條件[9-12]。

1 材料與方法

本文提出了一種基于MSP430 F149單片機(jī)的電子艾灸盒設(shè)計(jì)方案，采用MSP430 F149單片機(jī)作為主控制器，鍵盤輸入預(yù)設(shè)溫度，LCD1602液晶屏顯示，通過(guò)數(shù)字溫度傳感器DS18B20采集病人皮膚表面溫度并與預(yù)設(shè)溫度比較進(jìn)而控制步進(jìn)電機(jī)的正反轉(zhuǎn)動(dòng)，調(diào)節(jié)篩網(wǎng)的高度，實(shí)現(xiàn)達(dá)到閉環(huán)監(jiān)測(cè)調(diào)節(jié)溫度的目的，取得最佳艾灸療效，防止病人燙傷。

1.1 需求分析

我院目前正在使用的艾灸盒是由一個(gè)固定有一層篩網(wǎng)的木制盒體和一個(gè)九孔通風(fēng)蓋子組成。在使用時(shí)，打開艾灸盒的蓋子，放入艾絨，點(diǎn)燃艾絨蓋上蓋子并置于施灸部位上方。艾絨燃燒時(shí)溫度會(huì)逐漸升高，當(dāng)病人感覺(jué)到燙時(shí)，需要由醫(yī)護(hù)人員抬高艾灸盒的高度，使艾絨遠(yuǎn)離施灸部位，以此來(lái)控制艾灸溫度，避免燙傷；當(dāng)艾灸溫度不夠的時(shí)候，又需要將艾灸盒貼近患處。傳統(tǒng)艾灸盒不僅操作極為不便，而且難以控制艾灸溫度，無(wú)法產(chǎn)生良好的艾灸療效，尤其對(duì)一些溫度感知障礙的病人，可能會(huì)因未及時(shí)發(fā)現(xiàn)導(dǎo)致造成燙傷。由于傳統(tǒng)艾灸盒在使用中有諸多缺陷和弊端，本文設(shè)計(jì)的電子艾灸盒在參考了現(xiàn)有艾灸盒的功能和使用現(xiàn)狀后，確定了電子艾灸盒應(yīng)該具有以下功能：

（1）溫度設(shè)定。電子艾灸盒應(yīng)具有設(shè)置艾灸溫度的功能，以滿足不同病人、不同病情對(duì)艾灸溫度的不同需求。

（2）溫度監(jiān)測(cè)。電子艾灸盒應(yīng)具有溫度監(jiān)測(cè)的功能，可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)并顯示當(dāng)前病人施灸部位的溫度。

（3）溫度控制。電子艾灸盒最主要的功能，要實(shí)現(xiàn)艾灸溫度閉環(huán)自動(dòng)控制，當(dāng)病人施灸部位的溫度與預(yù)設(shè)溫度不符時(shí)，能夠自動(dòng)調(diào)整，不僅可以防止造成病人燙傷，而且可使艾灸產(chǎn)生最大的療效。

1.2 硬件設(shè)計(jì)

電子艾灸盒硬件結(jié)構(gòu)，見(jiàn)圖1。電子艾灸盒由電源、MSP430 F149單片機(jī)、LCD1602液晶屏、DS18B20數(shù)字溫度傳感器、鍵盤、步進(jìn)電機(jī)組成。在硬件設(shè)計(jì)的過(guò)程中，重點(diǎn)考慮了硬件電路布局的合理性，盡量減少各個(gè)電路模塊之間的干擾。

圖1 硬件結(jié)構(gòu)

（1）電源電路。將220 V交流電源轉(zhuǎn)化為5 V及12 V的直流電源，其中12 V為步進(jìn)電機(jī)供電，5 V為MSP430 F149單片機(jī)、LCD1602液晶屏、鍵盤供電。

（2）溫度釆集電路。DS18B20數(shù)字溫度傳感器與單片機(jī)P3.6口連接，單片機(jī)控制DS18B20把模擬溫度信號(hào)直接轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，讀取數(shù)據(jù)。所需的3.3 V由單片機(jī)直接提供，無(wú)需外部電源[13-15]。

（3）步進(jìn)電機(jī)控制電路。步進(jìn)電機(jī)控制電路由步進(jìn)電機(jī)、滾珠絲桿、篩網(wǎng)3部分組成。溫度控制部分結(jié)構(gòu)，見(jiàn)圖2。滾珠絲桿可將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為直線運(yùn)動(dòng)。通過(guò)MSP430F149單片機(jī)控制步進(jìn)電機(jī)的正向或反向轉(zhuǎn)動(dòng)。滾珠絲桿將步進(jìn)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為篩網(wǎng)的上下運(yùn)動(dòng)從而調(diào)節(jié)艾絨燃燒的高度，實(shí)現(xiàn)控制艾灸溫度的目的。

圖2 溫度控制部分結(jié)構(gòu)

（4）顯示電路。采用LCD1602液晶屏，顯示當(dāng)前病人皮膚表面溫度以及預(yù)設(shè)溫度。

（5）鍵盤輸入電路。鍵盤輸入電路由3個(gè)獨(dú)立式按鍵組成，分別為增加鍵，減少鍵和重置鍵。重置鍵用于重置溫度為初始溫度，增加鍵和減少鍵用于設(shè)置治療預(yù)設(shè)溫度。MSP430F149的P1.0、P1.1、P1.2引腳分別3個(gè)按鍵連接。鍵盤原理圖，見(jiàn)圖3。

圖3 鍵盤原理圖

1.3 軟件設(shè)計(jì)

在軟件設(shè)計(jì)過(guò)程中，重點(diǎn)考慮了不同軟件模塊的獨(dú)立性，保證系統(tǒng)互相之間不受影響，可以高效的工作。整個(gè)系統(tǒng)被分成主程序、溫度采集模塊、步進(jìn)電機(jī)控制模塊、數(shù)碼顯示模塊、鍵盤輸入模塊等部分。程序的主要?jiǎng)幽苁穷A(yù)設(shè)治療溫度，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)病人皮膚表面溫度并與預(yù)設(shè)溫度比較，根據(jù)比較結(jié)果調(diào)節(jié)步進(jìn)電機(jī)的正向或反向轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)閉環(huán)監(jiān)測(cè)調(diào)節(jié)溫度的目的。系統(tǒng)流程圖，見(jiàn)圖4。

圖4 系統(tǒng)流程圖

電子艾灸盒上電后就進(jìn)入了準(zhǔn)備工作狀態(tài)，各器件進(jìn)行初始化操作。用戶通過(guò)按鍵預(yù)設(shè)治療溫度并顯示。臨床或?qū)嶒?yàn)研究表明＞43℃的艾灸溫度具有較好的艾灸療效，在臨床患者能夠耐受的原則下，本研究選擇43～69℃作為最佳艾灸溫度[16]，設(shè)置重置溫度為56℃，下限溫度為43℃，上限溫度為69℃。程序如下：

if ( ( P1IN & 0x07 ) == 0x05)

{

delay1(50);

if ( ( P1IN & 0x07 ) == 0x05)

{

temp=56;//初始值

}

while ( ( P1IN & 0x07 ) == 0x07 ); //恢復(fù)鍵彈起

delay1(50);

}

if ( ( P1IN & 0x07 ) == 0x03)

{

delay1(50);

if ( ( P1IN & 0x07 ) == 0x03)

{

if ( temp ＜ 69)

temp = temp + 1;

}

while ( ( P1IN & 0x07 ) == 0x07 ); //溫度加鍵彈起

delay1(50);

}

在預(yù)設(shè)艾灸溫度后，用戶點(diǎn)燃置于篩網(wǎng)上的艾絨，打開步進(jìn)電機(jī)。主控制程序檢測(cè)到步進(jìn)電機(jī)的打開，會(huì)發(fā)出溫度采集的指令，將采集到的病人皮膚溫度與預(yù)設(shè)的治療溫度進(jìn)行比較，根據(jù)比較結(jié)果控制步進(jìn)電機(jī)正向、反向或停止轉(zhuǎn)動(dòng)。程序如下：

if(t＞=temp+2)

motor_turn_ffw(); //正向轉(zhuǎn)動(dòng)

if(t＜=temp-2)

motor_turn_rev(); //反向轉(zhuǎn)動(dòng)

else

motor_stop(); //停止轉(zhuǎn)動(dòng)

依據(jù)步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)狀態(tài)，滾珠螺杠將步進(jìn)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為篩網(wǎng)的上下運(yùn)動(dòng)，調(diào)整施灸距離，最終達(dá)到調(diào)控艾灸溫度的目的。

2 結(jié)果

在軟硬件調(diào)試完成后，對(duì)電子艾灸盒進(jìn)行使用測(cè)試。測(cè)試方法為在篩網(wǎng)上點(diǎn)燃艾絨，設(shè)置8組不同的治療溫度，然后測(cè)量實(shí)際艾灸溫度，測(cè)量結(jié)果，見(jiàn)表1。

表1 電子艾灸盒預(yù)設(shè)及測(cè)量溫度表（℃）

3 討論

《靈樞·官能》中提出“針?biāo)粸椋闹恕保砻骶姆ㄊ侵嗅t(yī)針灸不可或缺的治療方式。但在實(shí)際艾灸過(guò)程中，傳統(tǒng)的艾灸器具都無(wú)法滿足臨床和傳統(tǒng)保健的需求，嚴(yán)重制約了艾灸療法的發(fā)展。本研究在分析傳統(tǒng)中醫(yī)理論與現(xiàn)代應(yīng)用技術(shù)的基礎(chǔ)上，結(jié)合現(xiàn)代傳感器技術(shù)、計(jì)算機(jī)控制技術(shù)，提出一種能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)、控制艾灸溫度的電子艾灸盒，初步解決了現(xiàn)有艾灸器具的艾灸溫度不可監(jiān)測(cè)、調(diào)節(jié)、易造成燙傷等缺點(diǎn)，大大降低病人燙傷的風(fēng)險(xiǎn)。我院針灸康復(fù)科已經(jīng)使用，并在全院推廣。在實(shí)際中發(fā)現(xiàn)，電子艾灸盒仍有需要改進(jìn)和完善的地方，首先本設(shè)計(jì)僅采用了一個(gè)溫度傳感器，對(duì)于艾灸溫度采集單一，無(wú)法完全反映整個(gè)施灸部位的實(shí)際溫度，仍有造成燙傷的可能；其次由于電子艾灸盒的控制面板都是電子元器件，而盒體內(nèi)的艾灸溫度過(guò)高時(shí)，僅靠盒體無(wú)法有效隔熱，長(zhǎng)時(shí)間使用易造成損壞，因此在盒體與控制面板之間加入隔熱層是有必要的。另外由于艾絨不完全燃燒造成煙霧較大，對(duì)醫(yī)務(wù)人員造成上呼吸道不適，也應(yīng)在接下來(lái)的研究中加以控制。

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本文編輯 袁雋玲

Design of the Electronic Moxibustion Apparatus Based on MSP430 Microcontroller Unit

WANG Zu-ming, YAN Yu, ZHANG Yi, XIAO Fu-nan, ZHU Wei, SHAO Qin

Department of Equipment, Affiliated Hospital of Nanjing University of TCM, Nanjing Jiangsu 210029, China

Objective Considering that the current moxibustion apparatus cannot adjust the temperature for the real-time monitoring, which easily lead to patient burns and inadequate moxibustion curative effect, we proposed the design of electronic moxibustion apparatus based on MSP430F149. Methods First of all, we preset the temperature with a keyboard and get a real-time temperature with the DS18B20 temperature sensor controlled by the MSP430 F149. Then, we compared the measured temperature with the preset temperature. In the following, based on the comparison above, we regulated the level of the screen by manipulating the rotation of the stepper motor. Finally, we got the closed-loop temperature control. Results Through calculating the relative error with the relative error formula according to the actual measured moxibustion temperature, we knew that the relative error was 1.69%, which indicating that the electronic moxibustion apparatus could control and adjust the temperature well. Conclusion After a series of experiments, the design has been proved to be able to monitor and control the temperature, and can reduce the risk of burning.

moxibustion; moxibustion apparatus; microcontroller unit; temperature sensor; auto-control

TP273.5

A

10.3969/j.issn.1674-1633.2017.05.011

1674-1633(2017)05-0044-03

2016-06-21

2016-07-20

作者郵箱：yanyucan@126.com