苗医火罐电加热创新改造的温度控制系统设计

潘承毅 李正鹏 汪大显

摘  要：苗医是中医的一个重要分支，苗医火罐在传统苗医领域里占据重要角色。针对传统苗医拔火罐加热温度不能度量、不能控制以及没有持续稳定温灸等方面的问题，文章提出将传统苗医拔火罐统一采用酒精点火加热或内置燃烧木炭加热的方式改为电加热。火罐底部内置电热丝，火罐口内壁增加温度传感器，通过PID算法对电热丝进行加热，精准地控制火罐口内测气体温度，实现了拔火罐长时间持续恒定的温灸功能。实验表明，采用电加热方式的火罐进行拔罐，温灸持续时间长，温度恒定且安全可控，提升拔罐治疗效果，简化了拔罐操作，为医学火罐的改进和发展提供了借鉴，为苗医火罐的继承和发扬提供了一种新的思路。

关键词：苗医火罐；温度控制；PID算法；拔火罐

中图分类号：TP273    文献标识码：A  文章编号：2096-4706（2023）03-0172-03

Design of Temperature Control System for Innovative Retrofitting of Electric Heating of Miao Medicine Cupping

PAN Chengyi， LI Zhengpeng， WANG Daxian

（School of Intelligent Science and Engineering， Yunnan Technology and Business University， Kunming  651700， China）

Abstract： Miao medicine is an important branch of Chinese medicine， and Miao medicine cupping plays an important role in the field of traditional Miao medicine. In view of the problems of traditional Miao medicine cupping that the heating temperature cannot be measured and controlled as well as the lack of continuous and stable warm moxibustion， this paper proposes to change the traditional Miao medicine cupping unified with alcohol ignition heating or built-in burning charcoal heating to electric heating. The electric wire is built in the bottom of the cupping jar， and the temperature sensor is added to the inner wall of the cupping jar mouth. It heats the electric wire by the PID algorithm to precisely control the gas temperature inside the cupping jar mouth， so that the warm moxibustion function of the cupping jar can be continuously and constantly for a long time. The experiment shows that the cupping with cupping jar of electric heating method provides a long duration of warm moxibustion， constant and safe controlled temperature， and it enhances the cupping treatment effect， simplifies the cupping operation， provides a reference for the improvement and development of medicine cupping， and provides a new idea for the inheritance and development of Miao medicine cupping.

Keywords： Miao medicine cupping; temperature control; PID algorithm; cupping

0  引  言

苗医火罐是中医火罐的一个重要分支，火罐在治疗寒湿型多种疾病治疗中有积极的辅助治疗作用[1-3]。苗医的拔火罐是我国民间的一种医疗方法，至今已有一千多年的历史。近几年在国外出现的气压疗法，其治疗原理与此相同。 拔火罐能治病是缘于罐内燃火消耗氧气，致使罐内空气稀薄，火罐内气压低外部气压，使机体局部形成负壓，产生的吸力很强，皮肤与肌肉组织都被吸进，而罐内的大力吸入而引起机体血管扩张、血流加快、新陈代谢增强，组织营养得到改善，从而改善人体机体功能。

火罐是拔罐疗法的常用工具，利用燃烧、抽吸、挤压等方法排除罐内空气，造成负压，使罐吸附于体表特定部位，产生广泛刺激，形成局部充血或淤血现象，而达到防病治病，强壮身体的一种治疗方法。传统的苗医火罐，是将烧红的木炭用铁丝网固定在竹罐或陶瓷罐底部，然后将火罐口扣在人体治疗部位，之后木炭熄灭温度降低形成负压吸附在人体皮肤上。由于传统火罐的温度高，难以控制，通常中医院的拔火罐采用玻璃罐闪火法进行治疗，即将点燃的酒精棒的火焰插入玻璃罐后迅速拔出，趁玻璃罐内温度处于高温时将火罐口扣在病人治疗部位上，随着罐内温度降低形成负压吸附在人体皮肤上。

拔火罐疗法中，需要火罐保持一定的温度达到温灸的效果，如果温度太高容易灼伤皮肤，如果温度太低，温灸效果不明显。传统的苗医火罐疗法，其温度高，热温持续时间长，治疗效果比较好，但是传统拔火罐中放入烧红的木炭温度不可预先控制，在拔罐的开始的前2分钟内温度比较高，容易伤到病人的皮肤[4]。而玻璃罐闪火治疗法，温度可控，操作安全，但玻璃罐内的热温消散很快，温灸的有效时间不长，降低了火罐的温灸疗效。

针对传统的苗医火罐的操作安全性差，而玻璃火罐的温灸效果不足，本文提出采用电热的方式取代传统的苗医火罐的木炭加热方式，利用PID[5-7]控制电路对火罐内部的电热丝进行温度的控制，从而实现安全拔火罐的同时，火罐的温灸效果得到保证。控制电路以STM32F103为核心设计硬件电路，为了安全本文采用稳压电源提供5 V直流电压对火罐电热丝进行加热。实验结果表明，电热火罐能在治疗期间罐口温度能稳定在40 ℃（误差在±0.5 ℃），满足火罐灸疗的温度和人体安全温度的要求，其治疗效过程安全，治疗效果优于苗医传统火罐。

1  电热火罐设计

苗医电热火罐在传统的火罐基础上，采用电加热的方式取代传统的木炭加热或酒精燃烧加热，其原理图如图1所示，其中1是火罐底部的负压吸气孔，负压枪对吸气孔进行吸气后实现罐内负压；2是在火罐电热丝加热电极；3是火罐底部电热丝，电热丝是一个圆形电阻导线；4是DS18B20温度传感器；5是DS18B20引到火罐外的信号线；6是火罐口。拔罐时，先将火罐口放置于病人拔罐部位，然后通过负压枪对罐底的吸气孔进行吸气实现罐内负压，从而实现对火罐的固定。然后对电热丝电极进行通电加热，实现火罐内部温度提升，温度传感器DS18B20将采集到火罐口接近人体皮肤处的温度以数字信号的方式传出来，以便控制器对电热丝进行加热控制。

2  PID控制原理

PID控制模型即为经典的比例-积分-微分控制模型[5-8]，它的稳定性好，原理简单比较方便实现。大量的实验和工程实践表明，PID算法在控制“一阶纯滞后”系统如温控系统达到很理想的效果。系统的设定参数为r（t），实际数值为c（t），通过两者之间的差值e（t）控制输出u（t）的关系为：

（1）

其中Kp为比例系数，TI为系统积分时间系数，TD为系统的微分系数。为了减少控制单元的计算量，增加系统的反应速度和提高系统的鲁棒性，增量PID算法有效地减少了不必要的中间运算量。设计Δu（k）为第k次和第k-1次之间的输出量u的差值经过离散化后为：

（2）

根据式（2）只要测量三次即可计算出Δu（k），然后通过u（k-1）与Δu（k）之间求和计算出u（k），从而以后不需要计算中间过程，很大的节约了计算空间和资源，增强了系统的稳定性和可靠性。

在本系统中，是通过u（k）输出量的大小控制PWM的输出。为了便于计算，同时温度的加热变化有一定的滞后，本系统设置采样温度的时间T为1秒，因为在系统中即使全功率加热，在1秒内系统的温度变化通常也没有超过1摄氏度。为了比较精确地控制电加热的功率，本系统设置u（k）的最高值为100，最低值为0，然后通过u（k）的值控制PWM的占空比，达到控制电热丝的目的。

在PWM的控制中，以1秒的时长为一个控制单位，即PWM的频率是1 Hz，在一个周期内，其占空比的比值由u（k）决定。设Z为输出的占空比值，则Z=u（k）/100，即当u（k）=50时，PWM输出的占空比为50%，当u（k）=0的时候，Z=0，此时PWM相当于没有输出，电热丝供电的线路等价于开路状态。

3  电热火罐控制电路设计

电热火罐的控制系统实现原理图如图2所示，CPU采用STM32F103，CPU通过PWM控制电子开关，电子开关选择IRFP240N通道型MOS管，导通时最大能通过20 A电流，关断时漏极和源极之间能承受最高200 V的电压，完全满足本系统的要求。温度传感器采用DS18B20，因为DS18B20是数字化温度传感器，精度高，在-10 ℃～+85 ℃内误差±0.5 ℃，而本系统火罐温度控制温度范围是40 ℃～45 ℃之间，完全满足本系统的要求，而且其体积小，便于在火罐内进行安装。本系统为了安全，采用5 V电源进行供电，为了让电热丝在开始阶段能快速加热，火罐的电热丝采用铁铬铝合金电热丝，长度为5 cm，内置于火罐内存的底部，其阻值为1.66 Ω。当系统全速加热时候，根据欧姆定律，电热丝发热功率可以达到15 W，电热丝表面温度最高可以到达120 ℃，能确保火罐内部空气快速升温。

系统启动后，CPU获取设定的温度值，默认为40 ℃，当检测到火罐温度低于设定温度的时候，即进行温度采样，并且采样次数满足三次以上即开始进行PID运算。PID运算结束后，以1秒钟为周期对CPU的PWM输出进行设置，从而实现改变PWM的输出。PWM输出引脚通过推挽电路对电子开关IRFP240 N进行开关控制，从而实现改变电热丝的发热功率。

为了保证系统实现快速加热，在系统程序设计的时候，当设定温度为40 ℃，火罐内的温度低于38 ℃的时候，u（k）直接等于100，即低于38 ℃的时候不做PID运算控制，直接进行全功率加热。当检测到温度等于或大于38 ℃的时候才开始进行PID运算。提升系统响应的速度同时，又能很好的控制火罐内的溫度。

为避开异常情况，本系统还考虑到，当u（k）计算出的结果大于100时候，u（k）最大取值也只能是100，防止系统异常操作。

4  实验与分析

电热火罐的温控实验是在室内温度为20 ℃的环境进行，因为这个温度比较接近实际的拔罐治疗的环境温度。供电电源采用5 V的功率稳压电源，最大能提供30 A电流。用于加热的电热丝为1.66 Ω，在没有控制的电流的情况下，电热丝最大的功率可达到15 W的功率，能保证电热丝加热的温度最高可以达到120 ℃，电热丝加热的火罐内部空气温度可以达到80 ℃，电热丝温度和功率满足火罐的加热要求。为了安全，火罐控制其内测接触人体部分的空气温度最高不超过42 ℃，稳定在40 ℃。因此本次实验40 ℃为系统的设定温度。

PID的温度采样，为了减少震荡和系统不稳定，考虑到温度加热的延时等因素，本系统的实验的温度采样频率为1秒一次。在PID算法中，将1秒钟分为100等分，每段为0.01秒。PID运算后输出的是0到100的数值u（k），然后通过u（k）控制PWM来实现控制电子开关的占空比，实现对电热丝不同温度的控制，从而完成火罐温度的控制。

本系统的实验是在20 ℃的室内进行，并将测试的火罐吸附在模拟硅胶人的皮肤上，并在硅胶人皮内安置高精度的温度计UT325的测温探头。UT325是接触式高精度测温仪，其测量的温度范围是-200 ℃到1 372 ℃之间，测温分辨率为0.1 ℃，其测量范围和精度完全满足本系统的要求。图3为实验过程中，UT325测量到火罐口内测与模拟人体表皮肤与火罐口接触处的温度变化图。

从实验的结果看，本文将PID温度控与苗医火罐相互结合成功地实现了温度的稳定控制。當温度在室温20 ℃开始加热的时候，到温度上升到40 ℃，前后共经理15秒左右。系统运行平稳，能有效快速度提升系统的温度，并最终稳定在40.0±0.5 ℃内，完全满足火罐拔罐过程中的要求，而且其超调最高温度为42 ℃，也是在人体表能承受的安全温度范围内。实验表明，本文将PID算法结合苗医火罐进行电子化改造证明了其理论的安全性和可行性。

5  结  论

基于PID温度控制的苗医火罐，用电热丝对火罐内温度进行加热，取代传统的燃烧酒精或木炭火进行加热，其操作简单方便。利用PID算法对火罐的电加热丝进行精确的温度控制，避免了传统火罐在使用过程中因初始温度不可控的情况而灼烧患者皮肤的情况。改为电加热的苗医火罐，其温度能在电子电路的控制下加热温度在安全的范围内，一般控制在人体皮肤比较容易耐受和舒适的40 ℃，使用比较安全。由于电热火罐的升温快，从室内常温20 ℃升到设定温度后保持恒温就在15秒左右，在常规的拔火罐15分钟时长的治疗中，98%的时间都在舒适的温灸中治疗，治疗效果相对传统苗医火罐开始温度很高最后降到常温的治疗效果好。电加热火罐比传统的苗医火罐的操作安全，其初始温度是常温，负压吸气后固定在人体表面上才开始加热，没有出现传统火罐温度过高烧灼人体皮肤的情况，不需要专业训练也可以操作。此外，电加热改造后的苗医火罐，其安全性、舒适性和方便性也为苗族医药的传承与进步、创新和发展提供了一种新思路。

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作者简介：潘承毅（1981.08—），男，苗族，贵州剑河人，讲师，硕士，研究方向：计算机应用、人工智能。

收稿日期：2022-10-08

基金项目：云南省教育厅科学研究基金项目（2022J1243）