苗醫(yī)火罐電加熱創(chuàng)新改造的溫度控制系統(tǒng)設(shè)計

潘承毅 李正鵬 汪大顯

摘? 要：苗醫(yī)是中醫(yī)的一個重要分支，苗醫(yī)火罐在傳統(tǒng)苗醫(yī)領(lǐng)域里占據(jù)重要角色。針對傳統(tǒng)苗醫(yī)拔火罐加熱溫度不能度量、不能控制以及沒有持續(xù)穩(wěn)定溫灸等方面的問題，文章提出將傳統(tǒng)苗醫(yī)拔火罐統(tǒng)一采用酒精點火加熱或內(nèi)置燃燒木炭加熱的方式改為電加熱?；鸸薜撞績?nèi)置電熱絲，火罐口內(nèi)壁增加溫度傳感器，通過PID算法對電熱絲進行加熱，精準(zhǔn)地控制火罐口內(nèi)測氣體溫度，實現(xiàn)了拔火罐長時間持續(xù)恒定的溫灸功能。實驗表明，采用電加熱方式的火罐進行拔罐，溫灸持續(xù)時間長，溫度恒定且安全可控，提升拔罐治療效果，簡化了拔罐操作，為醫(yī)學(xué)火罐的改進和發(fā)展提供了借鑒，為苗醫(yī)火罐的繼承和發(fā)揚提供了一種新的思路。

關(guān)鍵詞：苗醫(yī)火罐；溫度控制；PID算法；拔火罐

中圖分類號：TP273? ? 文獻標(biāo)識碼：A? 文章編號：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

苗醫(yī)火罐是中醫(yī)火罐的一個重要分支，火罐在治療寒濕型多種疾病治療中有積極的輔助治療作用[1-3]。苗醫(yī)的拔火罐是我國民間的一種醫(yī)療方法，至今已有一千多年的歷史。近幾年在國外出現(xiàn)的氣壓療法，其治療原理與此相同。 拔火罐能治病是緣于罐內(nèi)燃火消耗氧氣，致使罐內(nèi)空氣稀薄，火罐內(nèi)氣壓低外部氣壓，使機體局部形成負(fù)壓，產(chǎn)生的吸力很強，皮膚與肌肉組織都被吸進，而罐內(nèi)的大力吸入而引起機體血管擴張、血流加快、新陳代謝增強，組織營養(yǎng)得到改善，從而改善人體機體功能。

火罐是拔罐療法的常用工具，利用燃燒、抽吸、擠壓等方法排除罐內(nèi)空氣，造成負(fù)壓，使罐吸附于體表特定部位，產(chǎn)生廣泛刺激，形成局部充血或淤血現(xiàn)象，而達到防病治病，強壯身體的一種治療方法。傳統(tǒng)的苗醫(yī)火罐，是將燒紅的木炭用鐵絲網(wǎng)固定在竹罐或陶瓷罐底部，然后將火罐口扣在人體治療部位，之后木炭熄滅溫度降低形成負(fù)壓吸附在人體皮膚上。由于傳統(tǒng)火罐的溫度高，難以控制，通常中醫(yī)院的拔火罐采用玻璃罐閃火法進行治療，即將點燃的酒精棒的火焰插入玻璃罐后迅速拔出，趁玻璃罐內(nèi)溫度處于高溫時將火罐口扣在病人治療部位上，隨著罐內(nèi)溫度降低形成負(fù)壓吸附在人體皮膚上。

拔火罐療法中，需要火罐保持一定的溫度達到溫灸的效果，如果溫度太高容易灼傷皮膚，如果溫度太低，溫灸效果不明顯。傳統(tǒng)的苗醫(yī)火罐療法，其溫度高，熱溫持續(xù)時間長，治療效果比較好，但是傳統(tǒng)拔火罐中放入燒紅的木炭溫度不可預(yù)先控制，在拔罐的開始的前2分鐘內(nèi)溫度比較高，容易傷到病人的皮膚[4]。而玻璃罐閃火治療法，溫度可控，操作安全，但玻璃罐內(nèi)的熱溫消散很快，溫灸的有效時間不長，降低了火罐的溫灸療效。

針對傳統(tǒng)的苗醫(yī)火罐的操作安全性差，而玻璃火罐的溫灸效果不足，本文提出采用電熱的方式取代傳統(tǒng)的苗醫(yī)火罐的木炭加熱方式，利用PID[5-7]控制電路對火罐內(nèi)部的電熱絲進行溫度的控制，從而實現(xiàn)安全拔火罐的同時，火罐的溫灸效果得到保證。控制電路以STM32F103為核心設(shè)計硬件電路，為了安全本文采用穩(wěn)壓電源提供5 V直流電壓對火罐電熱絲進行加熱。實驗結(jié)果表明，電熱火罐能在治療期間罐口溫度能穩(wěn)定在40 ℃（誤差在±0.5 ℃），滿足火罐灸療的溫度和人體安全溫度的要求，其治療效過程安全，治療效果優(yōu)于苗醫(yī)傳統(tǒng)火罐。

1? 電熱火罐設(shè)計

苗醫(yī)電熱火罐在傳統(tǒng)的火罐基礎(chǔ)上，采用電加熱的方式取代傳統(tǒng)的木炭加熱或酒精燃燒加熱，其原理圖如圖1所示，其中1是火罐底部的負(fù)壓吸氣孔，負(fù)壓槍對吸氣孔進行吸氣后實現(xiàn)罐內(nèi)負(fù)壓；2是在火罐電熱絲加熱電極；3是火罐底部電熱絲，電熱絲是一個圓形電阻導(dǎo)線；4是DS18B20溫度傳感器；5是DS18B20引到火罐外的信號線；6是火罐口。拔罐時，先將火罐口放置于病人拔罐部位，然后通過負(fù)壓槍對罐底的吸氣孔進行吸氣實現(xiàn)罐內(nèi)負(fù)壓，從而實現(xiàn)對火罐的固定。然后對電熱絲電極進行通電加熱，實現(xiàn)火罐內(nèi)部溫度提升，溫度傳感器DS18B20將采集到火罐口接近人體皮膚處的溫度以數(shù)字信號的方式傳出來，以便控制器對電熱絲進行加熱控制。

2? PID控制原理

PID控制模型即為經(jīng)典的比例-積分-微分控制模型[5-8]，它的穩(wěn)定性好，原理簡單比較方便實現(xiàn)。大量的實驗和工程實踐表明，PID算法在控制“一階純滯后”系統(tǒng)如溫控系統(tǒng)達到很理想的效果。系統(tǒng)的設(shè)定參數(shù)為r（t），實際數(shù)值為c（t），通過兩者之間的差值e（t）控制輸出u（t）的關(guān)系為：

（1）

其中Kp為比例系數(shù)，TI為系統(tǒng)積分時間系數(shù)，TD為系統(tǒng)的微分系數(shù)。為了減少控制單元的計算量，增加系統(tǒng)的反應(yīng)速度和提高系統(tǒng)的魯棒性，增量PID算法有效地減少了不必要的中間運算量。設(shè)計Δu（k）為第k次和第k-1次之間的輸出量u的差值經(jīng)過離散化后為：

（2）

根據(jù)式（2）只要測量三次即可計算出Δu（k），然后通過u（k-1）與Δu（k）之間求和計算出u（k），從而以后不需要計算中間過程，很大的節(jié)約了計算空間和資源，增強了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。

在本系統(tǒng)中，是通過u（k）輸出量的大小控制PWM的輸出。為了便于計算，同時溫度的加熱變化有一定的滯后，本系統(tǒng)設(shè)置采樣溫度的時間T為1秒，因為在系統(tǒng)中即使全功率加熱，在1秒內(nèi)系統(tǒng)的溫度變化通常也沒有超過1攝氏度。為了比較精確地控制電加熱的功率，本系統(tǒng)設(shè)置u（k）的最高值為100，最低值為0，然后通過u（k）的值控制PWM的占空比，達到控制電熱絲的目的。

在PWM的控制中，以1秒的時長為一個控制單位，即PWM的頻率是1 Hz，在一個周期內(nèi)，其占空比的比值由u（k）決定。設(shè)Z為輸出的占空比值，則Z=u（k）/100，即當(dāng)u（k）=50時，PWM輸出的占空比為50%，當(dāng)u（k）=0的時候，Z=0，此時PWM相當(dāng)于沒有輸出，電熱絲供電的線路等價于開路狀態(tài)。

3? 電熱火罐控制電路設(shè)計

電熱火罐的控制系統(tǒng)實現(xiàn)原理圖如圖2所示，CPU采用STM32F103，CPU通過PWM控制電子開關(guān)，電子開關(guān)選擇IRFP240N通道型MOS管，導(dǎo)通時最大能通過20 A電流，關(guān)斷時漏極和源極之間能承受最高200 V的電壓，完全滿足本系統(tǒng)的要求。溫度傳感器采用DS18B20，因為DS18B20是數(shù)字化溫度傳感器，精度高，在-10 ℃～+85 ℃內(nèi)誤差±0.5 ℃，而本系統(tǒng)火罐溫度控制溫度范圍是40 ℃～45 ℃之間，完全滿足本系統(tǒng)的要求，而且其體積小，便于在火罐內(nèi)進行安裝。本系統(tǒng)為了安全，采用5 V電源進行供電，為了讓電熱絲在開始階段能快速加熱，火罐的電熱絲采用鐵鉻鋁合金電熱絲，長度為5 cm，內(nèi)置于火罐內(nèi)存的底部，其阻值為1.66 Ω。當(dāng)系統(tǒng)全速加熱時候，根據(jù)歐姆定律，電熱絲發(fā)熱功率可以達到15 W，電熱絲表面溫度最高可以到達120 ℃，能確?；鸸迌?nèi)部空氣快速升溫。

系統(tǒng)啟動后，CPU獲取設(shè)定的溫度值，默認(rèn)為40 ℃，當(dāng)檢測到火罐溫度低于設(shè)定溫度的時候，即進行溫度采樣，并且采樣次數(shù)滿足三次以上即開始進行PID運算。PID運算結(jié)束后，以1秒鐘為周期對CPU的PWM輸出進行設(shè)置，從而實現(xiàn)改變PWM的輸出。PWM輸出引腳通過推挽電路對電子開關(guān)IRFP240 N進行開關(guān)控制，從而實現(xiàn)改變電熱絲的發(fā)熱功率。

為了保證系統(tǒng)實現(xiàn)快速加熱，在系統(tǒng)程序設(shè)計的時候，當(dāng)設(shè)定溫度為40 ℃，火罐內(nèi)的溫度低于38 ℃的時候，u（k）直接等于100，即低于38 ℃的時候不做PID運算控制，直接進行全功率加熱。當(dāng)檢測到溫度等于或大于38 ℃的時候才開始進行PID運算。提升系統(tǒng)響應(yīng)的速度同時，又能很好的控制火罐內(nèi)的溫度。

為避開異常情況，本系統(tǒng)還考慮到，當(dāng)u（k）計算出的結(jié)果大于100時候，u（k）最大取值也只能是100，防止系統(tǒng)異常操作。

4? 實驗與分析

電熱火罐的溫控實驗是在室內(nèi)溫度為20 ℃的環(huán)境進行，因為這個溫度比較接近實際的拔罐治療的環(huán)境溫度。供電電源采用5 V的功率穩(wěn)壓電源，最大能提供30 A電流。用于加熱的電熱絲為1.66 Ω，在沒有控制的電流的情況下，電熱絲最大的功率可達到15 W的功率，能保證電熱絲加熱的溫度最高可以達到120 ℃，電熱絲加熱的火罐內(nèi)部空氣溫度可以達到80 ℃，電熱絲溫度和功率滿足火罐的加熱要求。為了安全，火罐控制其內(nèi)測接觸人體部分的空氣溫度最高不超過42 ℃，穩(wěn)定在40 ℃。因此本次實驗40 ℃為系統(tǒng)的設(shè)定溫度。

PID的溫度采樣，為了減少震蕩和系統(tǒng)不穩(wěn)定，考慮到溫度加熱的延時等因素，本系統(tǒng)的實驗的溫度采樣頻率為1秒一次。在PID算法中，將1秒鐘分為100等分，每段為0.01秒。PID運算后輸出的是0到100的數(shù)值u（k），然后通過u（k）控制PWM來實現(xiàn)控制電子開關(guān)的占空比，實現(xiàn)對電熱絲不同溫度的控制，從而完成火罐溫度的控制。

本系統(tǒng)的實驗是在20 ℃的室內(nèi)進行，并將測試的火罐吸附在模擬硅膠人的皮膚上，并在硅膠人皮內(nèi)安置高精度的溫度計UT325的測溫探頭。UT325是接觸式高精度測溫儀，其測量的溫度范圍是-200 ℃到1 372 ℃之間，測溫分辨率為0.1 ℃，其測量范圍和精度完全滿足本系統(tǒng)的要求。圖3為實驗過程中，UT325測量到火罐口內(nèi)測與模擬人體表皮膚與火罐口接觸處的溫度變化圖。

從實驗的結(jié)果看，本文將PID溫度控與苗醫(yī)火罐相互結(jié)合成功地實現(xiàn)了溫度的穩(wěn)定控制。當(dāng)溫度在室溫20 ℃開始加熱的時候，到溫度上升到40 ℃，前后共經(jīng)理15秒左右。系統(tǒng)運行平穩(wěn)，能有效快速度提升系統(tǒng)的溫度，并最終穩(wěn)定在40.0±0.5 ℃內(nèi)，完全滿足火罐拔罐過程中的要求，而且其超調(diào)最高溫度為42 ℃，也是在人體表能承受的安全溫度范圍內(nèi)。實驗表明，本文將PID算法結(jié)合苗醫(yī)火罐進行電子化改造證明了其理論的安全性和可行性。

5? 結(jié)? 論

基于PID溫度控制的苗醫(yī)火罐，用電熱絲對火罐內(nèi)溫度進行加熱，取代傳統(tǒng)的燃燒酒精或木炭火進行加熱，其操作簡單方便。利用PID算法對火罐的電加熱絲進行精確的溫度控制，避免了傳統(tǒng)火罐在使用過程中因初始溫度不可控的情況而灼燒患者皮膚的情況。改為電加熱的苗醫(yī)火罐，其溫度能在電子電路的控制下加熱溫度在安全的范圍內(nèi)，一般控制在人體皮膚比較容易耐受和舒適的40 ℃，使用比較安全。由于電熱火罐的升溫快，從室內(nèi)常溫20 ℃升到設(shè)定溫度后保持恒溫就在15秒左右，在常規(guī)的拔火罐15分鐘時長的治療中，98%的時間都在舒適的溫灸中治療，治療效果相對傳統(tǒng)苗醫(yī)火罐開始溫度很高最后降到常溫的治療效果好。電加熱火罐比傳統(tǒng)的苗醫(yī)火罐的操作安全，其初始溫度是常溫，負(fù)壓吸氣后固定在人體表面上才開始加熱，沒有出現(xiàn)傳統(tǒng)火罐溫度過高燒灼人體皮膚的情況，不需要專業(yè)訓(xùn)練也可以操作。此外，電加熱改造后的苗醫(yī)火罐，其安全性、舒適性和方便性也為苗族醫(yī)藥的傳承與進步、創(chuàng)新和發(fā)展提供了一種新思路。

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作者簡介：潘承毅（1981.08—），男，苗族，貴州劍河人，講師，碩士，研究方向：計算機應(yīng)用、人工智能。

收稿日期：2022-10-08

基金項目：云南省教育廳科學(xué)研究基金項目（2022J1243）