基于MSP430单片机的电子艾灸盒设计

王祖铭，严郁，张忆，肖富男，朱伟，邵勤

南京中医药大学附属医院 设备处，江苏 南京 210029

基于MSP430单片机的电子艾灸盒设计

王祖铭，严郁，张忆，肖富男，朱伟，邵勤

南京中医药大学附属医院 设备处，江苏 南京 210029

目的 为解决现有艾灸器具无法实时监测调节温度，易造成病人烫伤，无法获得最佳艾灸疗效等问题，提出了基于MSP430F149单片机的电子艾灸盒的设计。方法 通过键盘输入预设温度，由MSP430 F149单片机控制DS18B20温度传感器读取实时测量温度，根据测量温度与预设温度比较结果控制步进电机旋转以调节筛网的高度，最终达到闭环监测调节温度的目的。结果 根据实际测量艾灸温度，依据相对误差公式，计算相对误差为1.69%，相对误差较小，说明电子艾灸盒可较好的控制艾灸温度。结论 多次实验证明，该设计能够实时监测并有效控制艾灸温度，大大降低病人烫伤的风险。

艾灸；艾灸器具；单片机；温度传感器；自动控制

引言

艾叶性温，以其特有的温热效应及药理性质直接或间接作用于体表的一定部位，可以起到温经通络、除寒祛湿的作用。在我国，对于艾草的使用已经有了几千年的历史，而灸法则是中医传统技术的重要组成部分，由于疗效肯定、适应症广泛，在临床与日常保健中的应用已经十分普遍。艾灸就是融合艾叶和灸法的优势，通过燃烧艾绒产生温热效应从而剌激皮肤感受器来激发人体的机能活动，可以温经通脉、活血止痛、扶正祛[1-3]。大量研究表明，艾灸温度是影响艾灸疗效的关键因素，不同的艾灸温度产生不同的温热效应诱导不同的生物学效应，最终实现不同的艾灸疗效[1-6]。适宜的艾灸温度是取得最佳艾灸疗效的重要前提。然而现有艾灸器具较为简陋，仅仅是在一层耐热筛网上燃烧艾绒进行艾灸治疗，无法控制艾灸温度，影响艾灸疗效，操作不当甚至会引起病人烫伤。这些缺点严重制约了艾灸疗法的普及和推广。因此，改进传统落后的艾灸器具势在必行[7-8]。本文提出了一种基于MSP430单片机的电子艾灸盒，结合了传统中医理论和单片机、传感器技术等现代化技术的电子医疗仪器，具有精确度高，稳定性好，操作简便等优点，弥补了传统艾灸盒的诸多不足，为艾灸疗法的普及和推广创造了有利条件[9-12]。

1 材料与方法

本文提出了一种基于MSP430 F149单片机的电子艾灸盒设计方案，采用MSP430 F149单片机作为主控制器，键盘输入预设温度，LCD1602液晶屏显示，通过数字温度传感器DS18B20采集病人皮肤表面温度并与预设温度比较进而控制步进电机的正反转动，调节筛网的高度，实现达到闭环监测调节温度的目的，取得最佳艾灸疗效，防止病人烫伤。

1.1 需求分析

我院目前正在使用的艾灸盒是由一个固定有一层筛网的木制盒体和一个九孔通风盖子组成。在使用时，打开艾灸盒的盖子，放入艾绒，点燃艾绒盖上盖子并置于施灸部位上方。艾绒燃烧时温度会逐渐升高，当病人感觉到烫时，需要由医护人员抬高艾灸盒的高度，使艾绒远离施灸部位，以此来控制艾灸温度，避免烫伤；当艾灸温度不够的时候，又需要将艾灸盒贴近患处。传统艾灸盒不仅操作极为不便，而且难以控制艾灸温度，无法产生良好的艾灸疗效，尤其对一些温度感知障碍的病人，可能会因未及时发现导致造成烫伤。由于传统艾灸盒在使用中有诸多缺陷和弊端，本文设计的电子艾灸盒在参考了现有艾灸盒的功能和使用现状后，确定了电子艾灸盒应该具有以下功能：

（1）温度设定。电子艾灸盒应具有设置艾灸温度的功能，以满足不同病人、不同病情对艾灸温度的不同需求。

（2）温度监测。电子艾灸盒应具有温度监测的功能，可以实时监测并显示当前病人施灸部位的温度。

（3）温度控制。电子艾灸盒最主要的功能，要实现艾灸温度闭环自动控制，当病人施灸部位的温度与预设温度不符时，能够自动调整，不仅可以防止造成病人烫伤，而且可使艾灸产生最大的疗效。

1.2 硬件设计

电子艾灸盒硬件结构，见图1。电子艾灸盒由电源、MSP430 F149单片机、LCD1602液晶屏、DS18B20数字温度传感器、键盘、步进电机组成。在硬件设计的过程中，重点考虑了硬件电路布局的合理性，尽量减少各个电路模块之间的干扰。

图1 硬件结构

（1）电源电路。将220 V交流电源转化为5 V及12 V的直流电源，其中12 V为步进电机供电，5 V为MSP430 F149单片机、LCD1602液晶屏、键盘供电。

（2）温度釆集电路。DS18B20数字温度传感器与单片机P3.6口连接，单片机控制DS18B20把模拟温度信号直接转换成数字信号，读取数据。所需的3.3 V由单片机直接提供，无需外部电源[13-15]。

（3）步进电机控制电路。步进电机控制电路由步进电机、滚珠丝杆、筛网3部分组成。温度控制部分结构，见图2。滚珠丝杆可将旋转运动转化为直线运动。通过MSP430F149单片机控制步进电机的正向或反向转动。滚珠丝杆将步进电机的旋转运动转化为筛网的上下运动从而调节艾绒燃烧的高度，实现控制艾灸温度的目的。

图2 温度控制部分结构

（4）显示电路。采用LCD1602液晶屏，显示当前病人皮肤表面温度以及预设温度。

（5）键盘输入电路。键盘输入电路由3个独立式按键组成，分别为增加键，减少键和重置键。重置键用于重置温度为初始温度，增加键和减少键用于设置治疗预设温度。MSP430F149的P1.0、P1.1、P1.2引脚分别3个按键连接。键盘原理图，见图3。

图3 键盘原理图

1.3 软件设计

在软件设计过程中，重点考虑了不同软件模块的独立性，保证系统互相之间不受影响，可以高效的工作。整个系统被分成主程序、温度采集模块、步进电机控制模块、数码显示模块、键盘输入模块等部分。程序的主要动能是预设治疗温度，实时监测病人皮肤表面温度并与预设温度比较，根据比较结果调节步进电机的正向或反向转动，实现闭环监测调节温度的目的。系统流程图，见图4。

图4 系统流程图

电子艾灸盒上电后就进入了准备工作状态，各器件进行初始化操作。用户通过按键预设治疗温度并显示。临床或实验研究表明＞43℃的艾灸温度具有较好的艾灸疗效，在临床患者能够耐受的原则下，本研究选择43～69℃作为最佳艾灸温度[16]，设置重置温度为56℃，下限温度为43℃，上限温度为69℃。程序如下：

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

{

delay1(50);

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

{

temp=56;//初始值

}

while ( ( P1IN & 0x07 ) == 0x07 ); //恢复键弹起

delay1(50);

}

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

{

delay1(50);

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

{

if ( temp ＜ 69)

temp = temp + 1;

}

while ( ( P1IN & 0x07 ) == 0x07 ); //温度加键弹起

delay1(50);

}

在预设艾灸温度后，用户点燃置于筛网上的艾绒，打开步进电机。主控制程序检测到步进电机的打开，会发出温度采集的指令，将采集到的病人皮肤温度与预设的治疗温度进行比较，根据比较结果控制步进电机正向、反向或停止转动。程序如下：

if(t＞=temp+2)

motor_turn_ffw(); //正向转动

if(t＜=temp-2)

motor_turn_rev(); //反向转动

else

motor_stop(); //停止转动

依据步进电机的转动状态，滚珠螺杠将步进电机的旋转运动转化为筛网的上下运动，调整施灸距离，最终达到调控艾灸温度的目的。

2 结果

在软硬件调试完成后，对电子艾灸盒进行使用测试。测试方法为在筛网上点燃艾绒，设置8组不同的治疗温度，然后测量实际艾灸温度，测量结果，见表1。

表1 电子艾灸盒预设及测量温度表（℃）

3 讨论

《灵枢·官能》中提出“针所不为，灸之所宜”，表明灸法是中医针灸不可或缺的治疗方式。但在实际艾灸过程中，传统的艾灸器具都无法满足临床和传统保健的需求，严重制约了艾灸疗法的发展。本研究在分析传统中医理论与现代应用技术的基础上，结合现代传感器技术、计算机控制技术，提出一种能够实时监测、控制艾灸温度的电子艾灸盒，初步解决了现有艾灸器具的艾灸温度不可监测、调节、易造成烫伤等缺点，大大降低病人烫伤的风险。我院针灸康复科已经使用，并在全院推广。在实际中发现，电子艾灸盒仍有需要改进和完善的地方，首先本设计仅采用了一个温度传感器，对于艾灸温度采集单一，无法完全反映整个施灸部位的实际温度，仍有造成烫伤的可能；其次由于电子艾灸盒的控制面板都是电子元器件，而盒体内的艾灸温度过高时，仅靠盒体无法有效隔热，长时间使用易造成损坏，因此在盒体与控制面板之间加入隔热层是有必要的。另外由于艾绒不完全燃烧造成烟雾较大，对医务人员造成上呼吸道不适，也应在接下来的研究中加以控制。

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本文编辑 袁隽玲

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

作者邮箱：yanyucan@126.com