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一劳灸逸━智慧温控灸疗装置
第十四届盛群杯HOLTEK MCU创意大赛复赛报告

【作者: 廖珗洲教授、盧力銘等人】2020年02月13日 星期四

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「灸疗」是中国传统医疗方式的一种,传统艾条灸透过人工手持艾条,依据经验调整艾条与穴位距离,使艾条产生之辐射热刺激人体穴道,此过程除了需要人力负担之外,产生的烟雾与灰烬也是很大的困扰。


有监於此,本作品为一个自动化温控灸疗装置,导入现今技术来克服上述问题。本装置使用盛群微控制器作为核心控制晶片,搭配温度感测器及马达完成自动控温的灸疗装置,同时设计三项保护装置避免误动作而烫伤肌肤。虽然古中医云:烟熏火疗为之灸,可见烟熏、火烧两者须兼备才可称之为「艾灸」,但由於现今环境并非人人可接受烟熏,因此在本装置侧面也设有排烟风扇,使用者可依需求开启风扇及调整转速,将烟雾导入过滤系统以净化空气,提升灸疗的品质。


前言

传统在进行灸疗时,透过人工手持艾条的方式进行,须考量於人为经验,如操作不慎,可能没有达到该有的疗效,也可能对人体产生烧烫伤疑虑。


为了提升灸疗的便利性及安全性,因此开发智慧温控灸疗装置,提供夹持艾条装置,免去人工手持,并能自动检测人体穴位施疗区域的温度,调整艾条与施疗区域之间的距离。


工作原理

本自动化灸疗装置已取得发明专利,专利设计如图一所示,实际装置的设计如图二所示,由一个支架来支撑灸疗装置,使用者可以调整高低位置来对准穴位,另有一个使用者操作面板,可依个人体感温度不同来调整灸疗温度与时间,设定完成後即可开始疗程。将欲灸疗部位靠上夹持艾条机构前端保护按钮,以确保使用者靠在正确位置,当使用者离开时可透过保护按钮得知,并立刻收回艾条停止灸疗。


在疗程中,透过马达转动来调整艾条与施疗区域之间的距离,并透过红外线温度感应器来检查施疗区域的温度是否不足或过热,并且在装置前端设置一红外线感测器确保艾条不会超过装置前端,导致烫伤使用者。


图一 : 专利设计图
图一 : 专利设计图
图二 : 实际设计图
图二 : 实际设计图

本作品使用HT66F2390中的I2C、SPI、ADC、计时器及PWM等功能。疗程中会先由I2C介面与MLX90614非接触式红外线温度感测器沟通,取得灸疗中人体表面的温度,输出PWM脉波至H-bridge电路控制马达正反转调整艾条与人体间的距离,再由SPI介面输出序列资料至MAX7219七段显示器,驱动IC控制七段显示器显示目前温度及疗程剩馀的时间。并且使用三个中断服务为保护装置,分别是装置前端的保护按钮、艾条过短保护以及艾条距离保护,如有异常可立即中断疗程。


作品结构

作品结构分别透过硬体、软体及机构部份作介绍,其系统方块图如图三所示。以盛群HT66F2390微控制器为主,分别连接温度感测器、马达、键盘、红外线感测器、保护开关、LED指示灯及七段显示器。



图三 : 系统方块图
图三 : 系统方块图

硬体设计

硬体设计部份线路图如图四所示,以下对本作品所使用之各项元件及电路作介绍。



图四 : 线路图
图四 : 线路图

(a)MLX90614温度感测器


MLX90614系列的非接触式红外线温度感测器提供了医疗级专用款式如图五所示,在量测人体温度时有更高的准确度,非常适合灸疗的需求。微控制器透过I2C介面取得感测器之温度,接线如图六所示。



图五 : MLX90614温度感测器
图五 : MLX90614温度感测器

图六 : MLX90614线路图
图六 : MLX90614线路图

(b)MAX7219七段显示器驱动IC


MAX7219是一个8位元之七段显示器驱动IC,透过SPI介面给予序列资料以输出至两个四位元的七段显示器,分别用以显示温度及时间资讯,接线如图七所示。



图七 : 七段显示器接线图
图七 : 七段显示器接线图

(c)H-bridge


本装置透过马达正反转调整艾条之位置,由於微控制器本身I/O脚位输出之电流不足以提供给马达运转,因此加入H-bridge电路驱动马达,线路如图八所示,由於须要可以控制马达之转送,因此在脚位规划上特别使用两只皆有PWM输出功能之脚位来达成。



图八 : H-bridge线路图
图八 : H-bridge线路图

(d)键盘


规划使用到六个按键,分别用来调整疗程中的温度上限高低、疗程时间的增减、开始以及重置。设计分压电路如图九所示,不同按键按下时产生不同电压输出利用微控制器中的ADC脚位读取。



图九 : 键盘电路图
图九 : 键盘电路图

(e)保护装置


保护装置包含前端保护按钮及两组红外线感测器,前端保护按钮用来确认使用者是否离开装置,红外线感测器分别用来确保艾条不会超过机构前端而烫伤使用者及确认艾条长度是否足够。三项保护装置皆使用中断服务,任一项保护装置发现异常将立即中断疗程,其中以前端保护按钮为最高优先权。


(f)钮扣型震动马达


艾条燃烧过程中会在前端累积烟灰,若是长时间累积将无法传递出燃烧中的热能,因此在输送艾条机构上加入钮扣型震动马达如图十所示,定时透过震动将艾条前端之烟灰震下。


图十 : 钮扣型震动马达
图十 : 钮扣型震动马达

(a) 排烟风扇


疗程中燃烧的艾条将产生烟,虽艾草燃烧出的烟同样也带有疗效,但并非每位使用者都可以接受,因此加入开关及可变电阻,让使用者可依需求开启风扇,并透过可变电阻调整风扇转速,并搭配除烟除臭专用滤网过滤燃烧艾草时产生的烟雾及味道。


软体设计

本作品主程式系统流程如图十一(a)所示,另三项中断服务流程如图十一(b)所示,分别是前端保护按钮、艾条前端极限位置侦测以及艾条长度不足侦测。



图十一a : 系统流程图--主程式
图十一a : 系统流程图--主程式

系统一开始时初始化脚位相关暂存器设定,并将马达回复原点。初始化完成後进入??圈不断量测温度及扫描键盘,若是调整疗程温度上限或疗程时间等设定,则更新设定值并同时将所有资讯输出至七段显示器让使用者观看。


开始疗程前同样先初始化相关叁数,设定计时器并开启三项保护装置的中断服务,并等待使用者靠上装置启动保护按钮才会开始疗程。疗程中透过比较量测温度及使用者设定之温度上限控制马达正反转调整艾条与使用者间距离以改变使用者感受温度,待疗程时间结束时马达反转收回艾条,继续扫描键盘等待下次疗程开始。



图十一b : 系统流程图--中断服务
图十一b : 系统流程图--中断服务

前端保护按钮在装置前端开囗下方如图十二所示,使用者在疗程中必须将施疗部位确实靠在前端开囗处,同时将按下保护按钮。在疗程开始前初始化会先将疗程开始旗标归零,再开启中断服务并设定为负缘触发,按下保护按钮时触发中断将旗标设定为1并开始倒数时间,再将此中断服务设为正缘触发,当疗程中使用者离开保护按钮则疗程暂停旗标归零,以此类推。



图十二 : 前端保护按钮
图十二 : 前端保护按钮

艾条前端极限位置侦测为避免感测器异常或艾条燃烧不完全等不可预期因素导致感测器侦测之温度达不到使用者设定之温度,而不断命令马达向前送料,可能导致艾条过於贴近甚至触碰到使用者而造成烫伤的可能,因此在距离开囗处约一公分处放置一红外线感测器如图十三所示,当有物体遮住红外线讯号时则触发此中断服务,控制马达反转将艾条向後收回。


由於艾条会随着燃烧时间而逐渐变短,因此在装置送料囗前放置一红外线感测器如图十四所示,当送料装置遮住此红外线感测器时则代表送料装置无法再向前进,需更换艾条才可重新进行疗程。当中断服务开始时先暂停倒数计时器,并等待使用者更换艾条後按下重新开始按键才可进行疗程。


图十四 : 艾条长度不足侦测
图十四 : 艾条长度不足侦测

机构设计

本作品之机构设计图如图十五所示,以下分别对各部份元件作介绍。



图十五 : 机构设计图
图十五 : 机构设计图

(a)艾条夹持器


透过马达带动夹持器将艾条往前输送进入蓄热舱,调整艾条与皮肤间距离,以达到温度控制的效果。


(b)蓄热舱


隔绝艾条燃烧产生的热能向其他方向散失,使蓄热舱可以维持在一定温度,达到灸疗效果。


(c)抽风扇


抽风扇前可放置除烟除臭滤网,藉由风扇带动气流将蓄热舱中的烟雾与气味滤除。


(d)护盖


护盖中设有铁网,可预防艾条的烟灰掉落造成使用者烫伤,当烟灰累积一段时间後可取下清理。


(e)控制面板


控制面板上有两个显示器可显示温度与时间,另有六颗按钮可设定时间与温度。


(f)立柱


立柱上设有调整旋钮,可用以调整高度,让使用者能调整至需灸疗的位置。


测试方法

本作品测试主要分为两部份,硬体软体整合测试及机构测试,整合测试方面先利用面包板按照硬体设计中的线路图连接各个元件,并透过盛群开发板烧入程式,初步测试系统流程,及各项元件之功能。


机构测试方面主要测试的部份是输送艾条的机构是否可以正确运行、温度感测器是否可以量测到正确位置之温度以及三项保护装置安装的位置是否能正确触发。


硬体软体整合测试

硬体测试接线图如十六所示,先将各元件透过面包板连接上规划之脚位,并使用盛群提供通用型开发环境HT-IDE3000编写程式後烧入至开发板上,测试各个元件之功能及系统流程。



图十六 : 硬体测试接线图
图十六 : 硬体测试接线图

机构测试

机构测试分为三个部份,输送艾条、温度感测器安装位置以及三项保护装置安装位置。输送艾条部份实际安装上马达及转轴後测试确实可带动艾条由最尾端至前端如图十七所示。



图十七 : 艾条输送测试
图十七 : 艾条输送测试

温度感测器为整个装置中最重要之元件,若不能正确取得人体表面之温度,则整个装置将无法正确做动,经过实际测试使用者尚未靠上装置前端时感测器量测到环境温度28度,而将手部贴近时量测到皮肤表面温度31度,如图十八所示。



图十八 : 温度感测器测试
图十八 : 温度感测器测试

疗程中使用者需将欲灸疗之部位靠在装置前端,且必须完整包覆前端开囗才能按下安全开关,经实际测试发现,由於考量到艾条燃烧时之通风性及受热面积,因此开囗设计较大,若是如手臂等较细部位则较难完整包覆开囗,但若是腿部、背部等面积较大之部位时,能确实完整依靠在开囗处,并且按住安全开关如图十九所示。



图十九 : 前端保护开关测试
图十九 : 前端保护开关测试

艾条前端极限位置透过红外线发射器及接收器侦测,经实际安装测试,在艾条前端移动至发射器及接收器中间时会使接收器无接收到讯号,使系统进入中断服务,控制马达反转将艾条向後收回,如图二十所示。


图二十 : 前端极限位置测试
图二十 : 前端极限位置测试

艾条长度不足同样使用红外线发射器及接收器侦测,经实际安装测试,在艾条夹持装置移动至发射器及接收器中间时会使接收器无接收到讯号,使系统进入中断服务,暂停疗程并等待更换艾条,如图二十所示。



图二十一 : 艾条长度不足测试
图二十一 : 艾条长度不足测试

(作者廖??洲1、卢力铭2、黄杰2、Sebastian Heiden (海思安)2为朝阳科技大学资讯工程系1教授、2学生;本文为第十四届盛群杯HOLTEK MCU创意大赛复赛报告)


叁考文献

[1] 锺启仁,HT66Fxx Flash MCU 原理与实务-C语言篇,全华图书股份有限公司,第二版。


[2] Holtek, HT66F2390 DataSheet, http://www.holtek.com/documents/10179/116711/HT66F23x0v130.pdf


[3] Melexis, MLX90614 DataSheet, https://www.melexis.com/en/documents/documentation/datasheets/datasheet-mlx90614


[4] Maxim Integrated, MAX7219 DataSheet,


https://datasheets.maximintegrated.com/en/ds/MAX7219-MAX7221.pdf


[5] EVERLIGHT, EL817 DataSheet, https://everlightamericas.com/index.php?controller=attachment&id_attachment=4121


[6] VISHAY, Si2304DS DataSheet, http://www.vishay.com/doc?70756


[7] VISHAY, Si2301DS DataSheet, http://www.vishay.com/doc?70627


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