基于單片機的電熱針灸治療儀的設(shè)計及應(yīng)用

林育茲 陽 賓 王彥輝

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

針刺與灸療是中醫(yī)針灸療法中相互獨立又互為補充的治療方法，中醫(yī)古典醫(yī)籍《靈樞》的“針?biāo)粸?，灸之所宜”和《醫(yī)學(xué)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(guān)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(tǒng)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(tǒng)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(xiàn)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(shù),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(dǎo)裝置代替?zhèn)鹘y(tǒng)的艾條燃燒等方式的加熱器，以及應(yīng)用微振蕩電動針灸代替?zhèn)鹘y(tǒng)的人工捻針，不僅可以克服傳統(tǒng)溫針?biāo)嬖诘膯栴}，而且使用安全簡便，通過恒溫治療的效果更明顯。

1 系統(tǒng)方案設(shè)計

1.1 系統(tǒng)設(shè)計要求

根據(jù)中醫(yī)針灸的臨床實踐需求，電熱針灸治療儀應(yīng)滿足以下基本要求：

1）溫度控制范圍：30～60℃，連續(xù)可調(diào)，用4位數(shù)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(diào)節(jié)0.5Hz。

4）預(yù)定時間：5 檔分別設(shè)置為5min、10min、15min、25min、30min，到達(dá)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(yù)留有多路擴展功能。

1.2 系統(tǒng)方案選定

根據(jù)電熱針灸治療儀的主要技術(shù)指標(biāo)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(yīng)的外圍電路結(jié)構(gòu)[1-2]，選定的系統(tǒng)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(tǒng)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(jié)構(gòu)

在圖1中，單片機產(chǎn)生可調(diào)節(jié)的PWM 脈沖，經(jīng)光電隔離輸出12V 接到加熱器進(jìn)行加熱，由加熱器將設(shè)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(huán)調(diào)節(jié)控制[3]。單片機根據(jù)實際溫度與設(shè)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(shè)定的恒溫數(shù)值，以對人體進(jìn)行持續(xù)的溫針治療。另一路的PWM 脈沖也經(jīng)過光電隔離后，輸出給微電機調(diào)速，使銀針按設(shè)定的頻率進(jìn)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(shè)定和顯示、按鍵調(diào)節(jié)時間和調(diào)節(jié)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(jìn)行有效的熱傳導(dǎo)。

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(guān)，當(dāng)加熱器達(dá)到設(shè)定的熱敏開關(guān)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(xiàn)故障后加熱器還繼續(xù)加熱。

2 系統(tǒng)的程序設(shè)計

主程序的控制流程如圖2所示。當(dāng)上電時為了保證系統(tǒng)運行時進(jìn)入初始化，采用了上電復(fù)位。首先進(jìn)行復(fù)位定時器模塊、顯示模塊、溫度采集模塊（即DS18B20）的復(fù)位，最后開啟中斷和定時器。當(dāng)系統(tǒng)初始化正常后，自動進(jìn)入循環(huán)運行的工作狀態(tài)，直至復(fù)位按鈕按下退出為止。系統(tǒng)首先讀取18B20 溫度傳感器中的數(shù)值，經(jīng)過運算處理后顯示在液晶數(shù)碼管上，此時為當(dāng)前環(huán)境溫度。按下溫度調(diào)節(jié)按鍵K2 則可調(diào)入溫度設(shè)置子程序運行，當(dāng)溫度設(shè)置完畢后再次調(diào)回主程序。執(zhí)行運算控制模塊（實際是一個溫度比較指令），其作用是根據(jù)當(dāng)前設(shè)置溫度與當(dāng)前環(huán)境溫度比較值，改變PWM 脈沖的占空比，直到設(shè)置溫度與實際測量的溫度相同為止。若系統(tǒng)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(shù)碼管的顯示采用動態(tài)掃描，其程序流程如圖3所示。每位數(shù)碼顯示的時間間隔可通過調(diào)整延時程序調(diào)節(jié)，以避免顯示時間間隔對數(shù)碼管的亮度和產(chǎn)生閃爍的影響。

圖3 溫度掃描顯示流程

ds18B20 數(shù)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(zhuǎn)換為相應(yīng)的數(shù)值，存入到溫度數(shù)據(jù)寄存器，供顯示模塊和運算控制模塊調(diào)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(chǎn)生，并通過定時器執(zhí)行對PWM 占空比進(jìn)行調(diào)節(jié)。系統(tǒng)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(guān)EA、內(nèi)部定時器/計數(shù)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(shè)置流程如圖5所示。

運算控制模塊通過分析設(shè)定溫度與當(dāng)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(shè)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(dāng)前溫度與設(shè)定溫度進(jìn)行比較分析，其程序流程[3]如圖6所示。若當(dāng)前溫度大于設(shè)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(dāng)前溫度小于設(shè)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(tǒng)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(shè)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(yīng)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(diào)節(jié)。占空比與對應(yīng)溫度的階梯統(tǒng)計，經(jīng)過實驗測試結(jié)果見表1。由此，系統(tǒng)對于PWM 的占空比限定在700‰～200‰之間。

表1 占空比與對應(yīng)溫度的統(tǒng)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(jìn)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(jié)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(tǒng)設(shè)計后，經(jīng)過硬件和軟件調(diào)試，總體達(dá)到了設(shè)計的技術(shù)指標(biāo)。正常輸出溫度為連續(xù)可調(diào)的30～60℃；當(dāng)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(dāng)溫度超過加熱器熱敏開關(guān)的設(shè)定溫度時，電路自動斷開，以防單片機和溫度傳感器出現(xiàn)故障后加熱器還繼續(xù)加熱的現(xiàn)象發(fā)生。

在初步進(jìn)行臨床實驗的基礎(chǔ)上，廈門大學(xué)醫(yī)院對多種疾病進(jìn)一步進(jìn)行了后續(xù)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(wěn)定地運行。試驗結(jié)果表明，該儀器技術(shù)先進(jìn)、療效明顯、操作方便,可廣泛臨床應(yīng)用于中醫(yī)針灸治療。但對于不同個體、不同病癥，應(yīng)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(jié)。

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