一种创新型贴身灸的设计与实现

杨春杰，柯 奇，陈 俊，高 臣，陈 微

(湖北理工学院 机电工程学院，湖北 黄石 435003)

艾草燃烧后产生的近红外光谱与人体细胞的光谱最为接近，可以激活细胞的新陈代谢[1]。随着人们的健康意识不断增强，艾灸在保健和养生领域越来越受欢迎。目前，市场上销售的艾灸仪不仅操作不方便、熏蒸效果不好，而且对环境不太友好，在一定程度上制约了艾灸的使用范围。因此，设计一款自动控温、环境友好、安全可靠，适合广大保健理疗人群的创新型艾灸贴，具有十分重要的意义。

1 基本组成

创新型贴身灸主要由硬件和软件两部分组成，可以实现自动温控调节、除烟和防烫功能。硬件系统主要由 AT89C51单片机、ZMQ-2714报警扬声器、JGY-370减速电机、DS18B20温度传感器、液晶数显表、外部结构滚珠丝杠等组成。软件部分主要包括温控系统电路和单片机控制程序。

2 整体布局及设计思路

创新型贴身灸是一种结合电子与机械的机电一体化产品，主要由艾柱调节系统、智能控温系统、挡灰装置、吸烟除烟装置四部分组成。创新型贴身灸的整体结构如图1所示。

图1 创新型贴身灸的整体结构

2.1 艾柱调节系统设计

采用“减速电机—滚珠丝杠—固定柱—活动板”的方式调节艾柱。将艾柱夹持在活动板上，由减速电机带动滚珠一起旋转，滚珠螺母和活动板固定在一起，把滚珠丝杠的旋转运功转化成滚珠螺母和活动板的径向运动，同时固定柱能保证活动板在上下运动的时候不会发生横向旋转。该调节方式具有小巧轻便、噪音小、精度高、能耗小等优点。艾柱的电控调节结构如图2所示。

图2 艾柱的电控调节结构

选取蕲春千年艾科技有限公司生产的高级五年陈艾条，对其10次燃烧情况进行统计，发现艾条的燃烧速度[2]为0.015～0.043 mm/s。系统通过AT89C51单片机对减速电机进行粗调速，在艾柱和人体穴位附近的皮肤处放置DS18B20温度传感器，实时反馈温度变化，对电机进行动态精准控制，保证艾柱燃烧点与皮肤的距离，精确控制艾灸时的最适温度，保证安全可靠。

2.2 智能控温系统设计

创新型贴身灸的智能控温系统主要分为温度监测与反馈部分、艾柱高度调节机构、数字显示部分和单片机控制单元。其中，数字显示部分包含操作过程的温度显示、故障报警、温度报警等。温度监测是利用DS18B20温度传感器对艾灸时艾柱的燃烧点进行实时温度监测，并反馈给单片机进行数据处理。该温度传感器具有精度高(测温精度可达0.062 5 ℃)、体积小、测温范围大(-55～125 ℃)、可编程等优点。皮肤损害的温度阈值仅比正常体温高7～8 °C，且随着温度升高，损害逐渐加剧，因此艾柱高度调节机构是实现温度控制的关键。当作用温度高于设定温度时，单片机控制电机转动带动艾柱上升，增大艾柱燃烧点与人体穴位的距离，使作用温度降低；当作用温度低于设定温度时，单片机控制电机反向转动带动艾柱下降，使作用温度上升。考虑人体温度为37 ℃左右，故将艾灸温度控制为37～45 ℃。假设客户设定温度为X(37 ℃≤X≤45 ℃)，温度控制流程如图3所示。

图3 温度控制流程

2.3 挡灰设计

艾柱燃烧会产生一定的艾灰，如果不及时清理，会阻碍红外热量传递，影响理疗效果，同时掉落的艾灰可能会烫伤皮肤。因此，设计安装长为100 mm、宽为45 mm、高为20 mm的抽屉式挡灰网，接住掉落的艾灰，当艾灰堆积到一定程度后，将灰弹落。挡灰网底部设有防烫棉，能进一步防止烫伤。可拆卸抽屉式挡灰网结构如图4所示。

图4 可拆卸抽屉式挡灰网结构

2.4 除烟设计

艾柱燃烧产生的烟雾会损伤呼吸系统，导致咽喉出现不同程度的不适[3]。若长时间吸入艾烟，可能会增加人体对烟雾的敏感度，严重时会出现呼吸急促、胸闷发热和急躁等现象[4]。艾柱连续燃烧后，室内空气中的CO，NO2，PM10和PM2.5的浓度将都超过国家安全标准[5-6]。因此，创新型环保贴身灸设计了吸烟除烟装置。吸烟装置由3个反装风扇组成，利用风扇产生的负压，将艾灸烟雾吸入除烟装置内进行净化处理。除烟装置由不锈钢过滤网、活性炭、吸油棉组成，分别吸收烟雾中的有害物质、大颗粒物质和焦油物质。吸烟除烟装置为一个整体，具有可拆卸、易清洗的优点。吸烟除烟装置如图5所示。

图5 吸烟除烟装置

3 模型验证

3.1 模型制作

施灸距离因个人对温度的敏感度不同而有较大的差异，即使同一个人，在不同的身体状况下，灸感也会不同。艾灸时，施灸部位的温度是艾灸疗程体感的关键因素：温度过低，说明灸头与皮肤距离较远，影响疗效；温度过高，则容易烫伤皮肤。艾灸燃烧的近红外线可以穿透人体30～50 mm的深度。一般情况下，灸头距离人体20 mm左右，热度体感舒适度最宜。

为了验证创新型贴身灸的温控性能，根据设计方案制作样机。创新型贴身灸验证模型如图6所示。

图6 创新型贴身灸验证模型

3.2 实验数据分析

采用蕲春千年艾科技有限公司生产的五年陈艾条和三年陈艾条为实验样本，将2种艾灸条切为8 cm左右的艾柱，点燃后放置在装置上，待装置稳定运行后每隔1 min测量1次实时温度，共测量6次，根据艾柱的燃烧速度，在空气温度为25 ℃，空气湿度为45%的环境下，分别测量3组目标温度下(37 ℃，42 ℃，47 ℃)的实时温度。艾灸实时温度测量结果见表1。

由表1可知，测量的实时温度与目标温度的平均误差为±0.061 ℃，说明创新型贴身灸模型能够实现温控功能，运作良好，能够满足设计要求。

表1 艾灸实时温度测量结果 ℃

4 结论

创新型贴身灸具有方便携带、温度控制精确和污染小的优点，可以根据不同人群对艾灸温度的差异性进行精确地温度控制和针对性治疗。 在保持传统艾灸治疗效果的同时，解决了传统艾灸易灼伤、污染严重、操作不便的问题，具有广泛的应用与发展前景。