梁敏琦　黎先強(qiáng)　姚飛翔　崔更申　陳榕煒

【摘 要】本文將傳統(tǒng)的秘方火炙技術(shù)與現(xiàn)在先進(jìn)的嵌入式系統(tǒng)技術(shù)結(jié)合起來(lái)，采用了電加熱的方法，研究基于STM32制作的電仿秘方火炙技術(shù)，使得測(cè)量的數(shù)值更加精確，設(shè)備控制的溫度更準(zhǔn)確。在整個(gè)控制系統(tǒng)中，主控芯片STM32F103C8T6通過(guò)分析反饋回來(lái)的溫度信息來(lái)輸出相應(yīng)的PWM值給電機(jī)驅(qū)動(dòng)，從而間接地控制加熱模塊的輸出功率，同時(shí)會(huì)將溫度值顯示到OLED上。同時(shí)，主控芯片還可以接收紅外遙控信號(hào)，從而確定輸入的遙控器鍵值，進(jìn)而設(shè)定相應(yīng)的溫度。

【關(guān)鍵詞】電加熱；秘方火炙；STM32F103C8T6；紅外遙控信號(hào)

0 引言

隨著人們生活水平的提高，人們?nèi)找嬲J(rèn)識(shí)到健康的重要性。在科技快速發(fā)展的今天，實(shí)現(xiàn)將智能科學(xué)和數(shù)據(jù)化處理融合入醫(yī)療設(shè)備當(dāng)中，使得治療過(guò)程更精確化，減少醫(yī)患之間的矛盾變得尤其重要。

前期我們也略為了解了一下市場(chǎng)，發(fā)現(xiàn)沉寂多年的中醫(yī)術(shù)漸漸地又被人們重視。越來(lái)越多的病患長(zhǎng)期服用西成藥物，身體機(jī)能出現(xiàn)毒副作用。中醫(yī)以其治標(biāo)治本的理念，不僅治好了頑疾而且對(duì)身體不會(huì)產(chǎn)生副作用?，F(xiàn)在越來(lái)越多的醫(yī)院開(kāi)始重視火療這種傳統(tǒng)的治療手段。越來(lái)越多的人依靠開(kāi)理療會(huì)所而發(fā)家致富。在這種情形下，減少實(shí)行中醫(yī)術(shù)的危險(xiǎn)性變得十分重要。如果將電仿火炙技術(shù)推廣，那么就會(huì)有更多人受益。

電仿火炙是根據(jù)傳統(tǒng)秘方火炙的作用原理，結(jié)合現(xiàn)代電子技術(shù)，開(kāi)發(fā)出的一種能夠代替?zhèn)鹘y(tǒng)火炙的新型治療儀器。使用STM32F103C8T6作為主控芯片，控制加熱片在8v以上的電壓下進(jìn)行加熱。溫度傳感器感知溫度變化，將溫度傳回到主控芯片當(dāng)中，主控芯片將相應(yīng)的參數(shù)傳輸?shù)絆LED顯示屏上，并且調(diào)節(jié)加熱片加熱情況，實(shí)現(xiàn)加熱片的溫度在一個(gè)可調(diào)節(jié)的溫度上下小額度的波動(dòng)，直到趨于穩(wěn)定。

1 電仿火炙原理

電仿秘方火炙儀器是在傳統(tǒng)火炙儀器的基礎(chǔ)上，結(jié)合現(xiàn)代醫(yī)療器械的發(fā)展趨勢(shì)，改良而來(lái)的新型理療器械。電仿秘方火炙儀器的治療原理與傳統(tǒng)火療器械相同，都是采用多種名貴通經(jīng)活絡(luò)藥酒，結(jié)合人體全身的穴位特點(diǎn)來(lái)打通經(jīng)絡(luò)。使用電熱來(lái)驅(qū)使人體表面的溫度升高，加速藥水滲入體內(nèi)，促進(jìn)體內(nèi)氣的流動(dòng)，進(jìn)而達(dá)到人體內(nèi)的氣流正常運(yùn)轉(zhuǎn)，人體內(nèi)的經(jīng)絡(luò)正常連通的目的。用陶瓷加熱片作為產(chǎn)熱源，STM32作為核心的控制芯片，通過(guò)溫度傳感器來(lái)檢測(cè)溫度，使得溫度控制在一個(gè)合理的范圍，例如50℃左右。加熱片的溫度由STM32來(lái)控制，STM32對(duì)反饋回來(lái)的溫度進(jìn)行分析，從而控制陶瓷加熱片的輸出功率，進(jìn)而使溫度保持恒定。

2 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

2.1 主要模塊介紹

本電仿秘方火炙技術(shù)的溫度控制系統(tǒng)是由許多模塊組成的，它們之間的相互作用使得整個(gè)系統(tǒng)有條不紊的運(yùn)行，分別為：主要芯片控制模塊、紅外遙控模塊、溫度檢測(cè)模塊、加熱模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、顯示模塊和供電模塊。

在這些模塊當(dāng)中，主要芯片STM32控制模塊是整個(gè)系統(tǒng)的核心。供電模塊主要是給STM32和加熱模塊供電，而其它模塊都是受STM32驅(qū)動(dòng)與控制，紅外遙控模塊將脈沖電平信號(hào)傳回STM32，溫度檢測(cè)模塊將當(dāng)前溫度反饋到STM32，電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊將占空比電壓提供給加熱模塊。它們之間的關(guān)系如下圖1所示

圖1

2.2 主要模塊選擇

在該溫度控制系統(tǒng)中選擇的器件如下：主控芯片選擇STM32F103C8T6，溫度傳感器選擇DS18B20，加熱片選擇陶瓷加熱片，顯示模塊選擇OLED液晶顯示屏，紅外模塊選擇NEC協(xié)議的紅外遙控器，電機(jī)驅(qū)動(dòng)選擇MOS管驅(qū)動(dòng)，供電模塊由3節(jié)18650電芯組成。

2.2.1 主要芯片控制模塊

在主要芯片控制模塊當(dāng)中使用的芯片是STM32F103C8T6，該模塊主要是驅(qū)動(dòng)和控制其他模塊，并且接收其他模塊給它提供的信息。

STM32F103C8T6是F1系列中資源相對(duì)較少的一塊芯片，但是其體積小，并且其所擁有的資源已足夠提供整個(gè)控制系統(tǒng)的使用，故選擇該型號(hào)芯片作為整個(gè)系統(tǒng)的主控芯片。

2.2.2 紅外遙控模塊

本模塊的功能是通過(guò)遙控器鍵入鍵值，然后通過(guò)紅外發(fā)射管將信號(hào)發(fā)射給紅外接收管，之后再由主要芯片控制模塊處理。

這次設(shè)計(jì)選擇的紅外遙控模塊使用的是NEC協(xié)議的紅外遙控器。由于STM32所有型號(hào)都具有PWM，故選擇NEC協(xié)議的遙控器。

2.2.3 溫度檢測(cè)模塊DS18B20

該模塊的功能是檢測(cè)加熱片的溫度，然后將溫度信息傳回給主要芯片控制模塊，而溫度檢測(cè)的頻率是受主要芯片控制模塊控制的。

溫度傳感器采用DS18B20，具有體積小，硬件成本低，抗干擾能力強(qiáng)，精度高的特點(diǎn)。DS18B20是直接傳回?cái)?shù)字?jǐn)?shù)據(jù)，STM32所要做的工作就是采集，所以這樣的溫度檢測(cè)大大地提高了其穩(wěn)定性，所以使用DS18B20溫度傳感器作為穩(wěn)定檢測(cè)。

2.2.4 加熱模塊

該模塊的功能是加熱，而加熱所需要的電能是由電機(jī)驅(qū)動(dòng)提供，而電機(jī)驅(qū)動(dòng)的輸出電壓與主要芯片控制模塊的PWM值成正比。加熱部分選擇方形陶瓷加熱片，壽命長(zhǎng)、熱響應(yīng)時(shí)間短、加熱均勻、高效節(jié)能。

2.2.5 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊

因?yàn)镾TM32引腳的最大輸出電壓為3.3V，3.3V的電壓是無(wú)法驅(qū)動(dòng)加熱模塊的，所以通過(guò)電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊來(lái)間接給加熱片供電。

電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊選擇MOS管驅(qū)動(dòng)，能承受電流的很大。MOS驅(qū)動(dòng)具備開(kāi)關(guān)速度快、易并聯(lián)、所需驅(qū)動(dòng)功率低等優(yōu)點(diǎn)。

2.2.6 顯示模塊

該模塊主要是顯示設(shè)定溫度和當(dāng)前溫度，而顯示的相關(guān)信息是由STM32提供。顯示模塊選擇0.96寸的OLED液晶顯示屏，能夠漢字，其要求顯示的區(qū)域大小剛好適合設(shè)計(jì)要求。

2.2.7 供電模塊endprint

該模塊主要是給STM32（3.3V或5V）和電機(jī)驅(qū)動(dòng)供電（5V和12V）。供電模塊由3節(jié)18650電池串聯(lián)成12V電壓組成。

3 性能指標(biāo)

（1）溫度控制范圍：50℃左右，控制精度：±0.2℃；

（2）溫度給定跳變2℃時(shí)，調(diào)節(jié)時(shí)間≤60S，超頻≤0.5℃；

（3）對(duì)給定溫度、實(shí)測(cè)溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示；

（4）利用紅外遙控器進(jìn)行溫度設(shè)定；

（5）擁有斷電記憶，在控制過(guò)程中突然斷電，重新上電后原來(lái)的控制過(guò)程不受影響。

4 硬件設(shè)計(jì)

核心控制芯片電路設(shè)計(jì)如下圖2所示

圖2

4.2 紅外遙控模塊

紅外接收用的是NEC協(xié)議，脈沖寬度調(diào)制。NEC碼的位定義：一個(gè)脈沖對(duì)應(yīng)560us的連續(xù)載波，一個(gè)邏輯1傳輸需要2.25ms（560us脈沖+1680us低電平），一個(gè)邏輯0的傳輸需要1.125ms（560us脈沖+560us低電平）。而遙控接收頭在收到脈沖的時(shí)候?yàn)榈碗娖?，在沒(méi)有脈沖的時(shí)候?yàn)楦唠娖剑@樣，我們?cè)诮邮疹^端收到的信號(hào)為：邏輯1應(yīng)該是560us低+1680us高，邏輯0應(yīng)該是560us低+560us高。

4.3 BOOT模式選擇

圖3

表4

在電路設(shè)計(jì)上無(wú)SRAM存儲(chǔ)，顧將BOOT1連接于GND，由BOOT0來(lái)選擇程序啟動(dòng)與程序下載。如圖4.3所示，用跳帽將2與3連接即可開(kāi)串口下載模式，將2與1連接即可讓程序啟動(dòng)。

4.3 溫度檢測(cè)模塊

DS18B2是一種“一線總線”接口的溫度傳感器，其數(shù)據(jù)是以數(shù)字方式傳輸，直接讀出被測(cè)溫度。

4.4 OLED顯示模塊

OLED采用的數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議為IIC，IIC總線是一種兩線式的串行總線，它由數(shù)據(jù)線SDA和時(shí)鐘線SCL構(gòu)成串行數(shù)據(jù)，可發(fā)送和接收數(shù)據(jù)。

5 總結(jié)

本文所介紹的與傳統(tǒng)的火炙技術(shù)相比，具有溫度讀數(shù)準(zhǔn)確，控制加熱片加熱溫度精確，紅外遙控等特點(diǎn)，其輸出溫度采用數(shù)字顯示。醫(yī)生就可以根據(jù)不同的病人的病癥，采用不同的治療手段，并且通過(guò)客觀的溫度變化來(lái)識(shí)別病癥，使得火炙技術(shù)更為科學(xué)和客觀性，減少醫(yī)患糾紛和降低醫(yī)學(xué)失誤的幾率。這樣就可以為現(xiàn)代人工作、科研、生活、提供更方便的火炙設(shè)施，讓數(shù)字化和智能化更好地為人類服務(wù)。

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