CN103479508B

CN103479508B - 脉冲式中药熏蒸控制系统

Info

Publication number: CN103479508B
Application number: CN201310460559.8A
Authority: CN
Inventors: 李向阳; 田联房
Original assignee: South China University of Technology SCUT
Current assignee: South China University of Technology SCUT
Priority date: 2013-09-29
Filing date: 2013-09-29
Publication date: 2016-01-06
Anticipated expiration: 2033-09-29
Also published as: CN103479508A

Abstract

本发明公开了一种脉冲式中药熏蒸控制系统，包括单片机电路、温度测量电路、电流测量电路、短路检测电路、加热控制驱动电路、声音报警电路、熏蒸强度设置电路以及用于实现人机界面的按键输入电路与显示电路，所述电流测量电路、短路检测电路和加热控制驱动电路依次连接；所述温度测量电路、电流测量电路、加热控制驱动电路、短路检测电路、声音报警电路、熏蒸强度设置电路、按键输入电路以及显示电路分别与单片机电路连接。本发明的中药熏蒸控制系统通过单片机电路可实现脉冲式熏蒸，熏蒸强度均匀，在不增加用药量和用电量时，提高了熏蒸温度，延长了有效熏蒸时间，而且增强了人体对中药的吸收效果。

Description

脉冲式中药熏蒸控制系统

技术领域

本发明涉及一种中药熏蒸控制系统，尤其是一种脉冲式中药熏蒸控制系统，属于医疗器械领域。

背景技术

中药熏蒸是一种重要的中医理疗方法，通过药物蒸汽作用于人体体表，达到疏通经络、扩张末梢毛细血管、改善血液循环和排毒等功效。治疗效果与蒸汽温度关系密切，较高的温度具有较好的效果，但是持续的高温容易烫伤皮肤和增加药物用量。如何保证熏蒸安全和提高药效一直是中药熏蒸面临的一种重要问题。目前，所采用中药熏蒸方法多为持续熏蒸方法，熏蒸开始时蒸汽量较大，到中后期蒸汽量就很小，总熏蒸时间不足，人体对药物的吸收往往不充分，治疗效果有待提高。

发明内容

本发明的目的是为了解决上述现有技术的缺陷，提供一种可以实现脉冲式熏蒸，熏蒸强度均匀，而且使用安全的脉冲式中药熏蒸控制系统。

本发明的目的可以通过采取如下技术方案达到：

脉冲式中药熏蒸控制系统，其特征在于：包括单片机电路、温度测量电路、电流测量电路、短路检测电路、加热控制驱动电路、声音报警电路、熏蒸强度设置电路以及用于实现人机界面的按键输入电路与显示电路，所述电流测量电路、短路检测电路和加热控制驱动电路依次连接；所述温度测量电路、电流测量电路、加热控制驱动电路、短路检测电路、声音报警电路、熏蒸强度设置电路、按键输入电路以及显示电路分别与单片机电路连接。

作为一种优选方案，所述单片机电路内置有I/O端口、3线SPI接口、计时器、定时器、EEPROM存储器以及ADC转换器。

作为一种优选方案，所述系统还包括直流电源电路，所述直流电源电路包括：

用于将220V交流市电变为7V低压交流电源的变压器；

用于将7V低压交流电源变为5V直流电源的整流器、滤波器与稳压器，所述5V直流电源供温度测量电路、电流测量电路、加热控制驱动电路、短路检测电路、声音报警电路、熏蒸强度设置电路、按键输入电路以及显示电路工作；

以及用于将5V直流电源转换为3.3V直流电源的LDO稳压器，所述3.3V直流电源供单片机电路工作。

作为一种优选方案，所述电流测量电路与单片机电路的ADC转换器连接；所述短路检测电路与单片机电路的2个I/O端口连接，该短路检测电路包括2个比较器和1个D触发器，所述2个比较器分别与所述D触发器连接；所述加热控制驱动电路与单片机电路的2个I/O端口连接，该加热控制驱动电路包括光继电器和过零光电驱动器。

作为一种优选方案，所述系统还包括加热器执行电路，所述加热器执行电路包括大功率继电器、大功率可控硅以及加热器，所述大功率继电器由光继电器驱动，所述大功率可控硅由过零光电驱动器驱动，所述大功率继电器与大功率可控硅串联，所述大功率可控硅与加热器连接，所述加热器与电流测量电路连接；所述电流测量电路、短路检测电路、加热控制驱动电路和加热器执行电路构成加热器检测与控制单元。

作为一种优选方案，所述按键输入电路包括6个按键，所述6个按键分别与单片机电路的6个I/O端口连接。

作为一种优选方案，所述显示电路包括4个方形LED灯、1个3位7段数码管、1个4位中间带冒号的7段数码管、段驱动电路以及位驱动电路；所述4个方形LED灯和1个3位7段数码管组成1个4位数码管，该4位数码管与4位中间带冒号的7段数码管一起构成2个4位数码管显示电路；所述2个4位数码管显示电路分别与段驱动电路、位驱动电路连接，所述段驱动电路与单片机电路的3线SPI接口连接，所述位驱动电路与单片机电路的4个I/O端口连接。

作为一种优选方案，所述声音报警电路包括三极管以及由三极管驱动的无源蜂鸣器，所述三极管与单片机电路的1个I/O端口连接。

作为一种优选方案，所述熏蒸强度设置电路采用三端电位器构成，该三端电位器的两端与直流电源电路连接，中间端与单片机电路的ADC转换器连接。

作为一种优选方案，所述单片机电路采用STM32L151C8T6芯片构成，该芯片外接有用于作为系统主时钟频率的8MHz晶振。

本发明相对于现有技术具有如下的有益效果：

1、本发明的中药熏蒸控制系统通过单片机电路可实现脉冲式熏蒸，熏蒸强度均匀，在不增加用药量和用电量时，提高了熏蒸温度，延长了有效熏蒸时间，而且增强了人体对中药的吸收效果。

2、本发明的中药熏蒸控制系统的弱电部分和加热器的强电部分使用光继电器进行电气隔离，可以减少大功率电路对弱电电路的干扰，并增强控制系统和操作人员的安全。

3、本发明的中药熏蒸控制系统的单片机电路根据温度测量电路可以实现超温报警，根据电流测量电路可以实现断路报警，根据电流测量电路和短路检测电路可以实现短路报警，且短路检测电路在检测到短路时，可以通过加热控制驱动电路可以使大功率继电器断开和大功率可控硅关闭，具有使用安全的特点。

4、本发明的中药熏蒸控制系统通过按键输入电路和显示电路实现的人机界面简单清晰，便于操作人员使用，修改工作参数后自动保存在单片机电路的EEPROM存储器中，以实现掉电保护功能，在开机后自动恢复上次工作参数，充分利用了单片机电路的片上资源，整个系统的性价比高。

附图说明

图1为本发明中药熏蒸控制系统的结构原理图。

图2为本发明中药熏蒸控制系统的加热器检测与控制单元结构原理示意图。

图3为本发明中药熏蒸控制系统的显示电路结构原理图。

图4为本发明中药熏蒸控制系统的人机界面示意图。

图5为本发明中药熏蒸控制系统的控制流程示意图。

图6为本发明中药熏蒸控制系统熏蒸时脉冲周期的波形图。

具体实施方式

实施例1：

如图1-图3所示，本实施例的中药熏蒸控制系统包括直流电源电路U100、单片机(MCU)电路U101、按键输入电路U102、显示电路U103、温度测量电路U104、加热器检测与控制单元U105、声音报警电路U106和熏蒸强度设置电路U107，所述加热器检测与控制单元U105包括电流测量电路U301、短路检测电路U302、加热控制驱动电路U303和加热器执行电路U304，所述电流测量电路U301、短路检测电路U302、加热控制驱动电路U303依次连接。

所述直流电源电路U100包括变压器、整流器、滤波器、稳压器以及LDO稳压器，所述变压器将220V交流市电变为7V低压交流电源，7V低压交流电源依次经过整流器、滤波器与稳压器后变为5V直流电源，此时可供弱电电路工作(按键输入电路U102、显示电路U103、温度测量电路U104、声音报警电路U106、熏蒸强度设置电路U107、电流测量电路U301、短路检测电路U302、加热控制驱动电路U303)，5V直流电源经过LDO稳压器(即低压差线性稳压器)得到3.3V直流电源供单片机电路U101工作。

所述单片机电路U101采用STM32L151C8T6芯片构成，该芯片内置有I/O端口、3线SPI接口、计时器、定时器、EEPROM存储器以及ADC转换器，外接有8MHz晶振作为系统的主时钟频率。

所述按键输入电路U102包括6个按键，所述6个按键分别与单片机电路U101的6个I/O端口连接。

所述显示电路U103包括4个方形LED灯、1个3位7段数码管、1个4位中间带冒号的7段数码管U202、段驱动电路U203以及位驱动电路U204；所述4个方形LED灯和1个3位7段数码管组成1个4位数码管U201，该4位数码管U201与4位中间带冒号的7段数码管U202一起构成2个4位数码管显示电路，采用共阳极接法；所述2个4位数码管显示电路分别与段驱动电路U203、位驱动电路连接U204；所述段驱动电路U203采用具有16个LED均流驱动能力的CAT4016，与单片机电路U101的3线SPI接口连接，所述位驱动电路U204采用PNP三极管S9012，与单片机电路U101的4个I/O端口连接。

所述温度测量电路U104采用数字温度传感器DS18B20，与单片机电路U101采用I/O口模拟的1-wire总线连接，单片机电路U101根据数字温度传感器DS18B20采集的温度进行判断，若采集的温度大于设定的熏蒸温度值，则系统出现超温故障，单片机电路U101据此控制声音报警电路U106进行报警。

所述加热器检测与控制单元U105中，所述电流测量电路U301采用霍尔交流电流传感器ACS712测量加热器的电流，与单片机电路U101的ADC转换器连接，ACS712输出为以直流2.5V为基准的幅值在2.0V以内的正弦信号，该正弦信号与测量电流成正比，单片机电路U101的ADC转换器连续采集20毫秒(1个工频周期)后，计算出有效值；所述短路检测电路U302与单片机电路U101的2个I/O端口连接，该短路检测电路U302包括2个比较器和1个D触发器，所述2个比较器分别与所述D触发器连接；所述加热控制驱动电路U303与单片机电路U101的2个I/O端口连接，该加热控制驱动电路U303包括光继电器和过零光电驱动器，所述光继电器用于驱动大功率继电器，所述过零光电驱动器用于驱动大功率可控硅，加热控制驱动电路U303将单片机电路U101的控制信号与短路检测电路U302发送的短路状态信号(短路与否)分别进行逻辑与运算后再输出，只有无短路故障时才能闭合大功率继电器和触发大功率可控硅；所述加热器执行电路U304包括大功率继电器、大功率可控硅以及加热器，所述大功率继电器与大功率可控硅串联，所述大功率可控硅与加热器连接，所述加热器与电流测量电路U301连接，所述加热器可以采用电阻式加热器或采用碳电极式加热器。

所述短路检测电路U302的短路检测原理：当用霍尔交流电流传感器ACS712输出超出最大容许变化范围时，判断为短路发生，则至少有1个比较器的输出发生改变，并使与之连接的D触发器改变输出状态，并保留该短路状态，短路状态信号一路发送给加热控制驱动电路U303，使加热控制驱动电路U303断开大功率继电器和关闭大功率可控硅，另一路反馈给单片机电路U101，单片机电路U101控制显示电路U103的其中1个方形LED灯进行短路显示和控制声音报警电路U106进行报警，短路状态要重新开机才能清除。

所述声音报警电路U106包括三极管和无源蜂鸣器，所述无源蜂鸣器由三极管驱动，所述三极管与单片机电路U101的1个I/O端口连接，通过单片机电路U101的PWM(PulseWidthModulation，脉冲宽度调制)输出产生不同频率的音符，通过三极管驱动无源蜂鸣器实现不同乐曲报警。

所述熏蒸强度设置电路U107采用三端电位器构成，该三端电位器的两端与直流电源电路U100连接，中间端与单片机电路U101的ADC转换器连接。

如图1和图4所示，为所述按键输入电路U102和显示电路U103实现的人机界面，可以看到该界面包括4个方形LED灯、1个3位7段数码管、1个4位中间带冒号的7段数码管和6个按键；所述3位7段数码管设置在界面左上方，用于显示温度，单位为1℃；4位中间带冒号的7段数码管设置在界面的右上方，用于显示时间，前两位为分钟，后两位为秒，中间的冒号每秒闪烁一次；所述4个方形LED灯位于3位7段数码管和4位中间带冒号的7段数码管的下方，4个方形LED灯由左至右分别用于显示工作状态、短路状态、断路状态和结束状态；6个按键均位于4个方形LED灯的下方，分别为消声按键、启动/暂停按键、设置按键、增加按键、减少按键和确认按键，所述消声按键用于有声音报警时去声，但报警状态依然保留，相关的报警LED灯(如显示短路状态的LED灯和显示断路状态的LED灯)依然亮，要彻底消除报警状态只能关总电源后，再重新开启系统，这样可以保证真正消除了报警原因后才重新工作；所述启动/暂停按键用于在开启系统后启动加热器工作，当按下启动/暂停按键，显示工作状态的LED灯亮，4位数码管开始倒计时，若在工作过程中，需要暂停，可以再次按该键，则停止倒计时；暂停后若需要继续工作，则再次按该键，倒计时重新开始；倒计时到“00：00”时，完成熏蒸，显示结束状态的LED灯亮，并通过单片机电路U101控制声音报警电路U106进行结束报警；所述设置按键、增加按键、减少按键和确认按键用于设置熏蒸时间和熏蒸温度工作参数，按下设置按键，显示温度的3位7段数码管闪烁，表示处于修改熏蒸温度设定值状态，显示内容为温度设定值，若再次按下设置按键，将熏蒸温度设置切换为熏蒸时间设置，显示时间的4位中间带冒号的7段数码管闪烁，表示处于修改熏蒸时间设定值状态；当处于熏蒸温度/熏蒸时间设定状态时，按增加或者减少将增加或者减少温度/时间设定值，按确认按键则修改值有效，将保存在单片机电路U101的EEPROM存储器中，以实现掉电保护功能，若不按确认按键，该修改的数值无效，15秒钟无键按下将退出设定值修改状态，数码管不再闪烁。

如图1、图4和图5所示，本实施例的中药熏蒸控制系统的控制流程如下：

步骤S501：在单片机电路U101上电后先进行初始化，包括配置外设、清除故障状态；启动计时器SysTick，每0.1秒进行定时中断，在SysTick中断中系统工作计时和根据熏蒸状态完成熏蒸时间更新；启动显示扫描定时器Timer2，每2.5毫秒定时中断，在Timer2中断中完成每位数码管的显示内容更新和轮流点亮，实现100Hz的动态恒流显示；

步骤S502：从单片机电路U101的EEPROM存储器中读取熏蒸温度和熏蒸时间工作参数；

步骤S503，读按键，经过去抖动后得到键码；在步骤S504中判断是否有按键按下，若有按键按下，则在步骤S505中根据按下的按键类型，找到相对应的键码，并进行处理，包括步骤S506的消声处理、步骤S507的启动/暂停处理和S508的工作参数设置处理；

步骤S509，当按下启动/暂停按键，读入单片机电路U101的ADC转换器采集的熏蒸强度(即脉冲蒸汽量)和加热器工作电流值，根据加热器启动时的工作电流判断是否为断路状态，对于电阻式加热器，当熏蒸药水不能覆盖加热器时，加热器电阻上升，电流减少，当电流减少到正常工作电流的一半时判断为断路状态；对于碳电极式加热器，碳电极直接泡入熏蒸药水中，利用熏蒸药水的体电阻加热，当熏蒸药水减少时，碳电极与熏蒸药水的接触面减少，电流减少，当电流减少到0.5A时判断为断路状态；当加热器开启时的工作电流为断路状态时，单片机电路U101控制显示断路状态的LED灯亮，并控制所述声音报警电路U106进行报警。

如图6所示的熏蒸时脉冲周期的波形，熏蒸蒸汽喷发周期为8秒，喷5秒，停3秒，喷5秒时的熏蒸强度通过熏蒸强度设置电路U107，即通过三端电位器调节，为30％～100％的相对值，采用单片机电路U101输出的PWM，实现稳定的熏蒸强度控制。PWM的开和关时间的计算如式(1)和式(2)所示，PWM_T为50毫秒，由于可控硅采用过零光电驱动器驱动，可控硅的开关最小周期为10毫秒，PWM_T_on的实际值为10、20、30、40和50毫秒共5挡，式(1)中10A电流是根据整个加热器的额定功率为2.2KW来设置的，这样在采用碳电极式加热器时，可以减少不同熏蒸中药类型的不同电阻率对加热功率的影响；通过式(1)可以计算出恒熏蒸强度控制的占空比。

PWM_T_off＝PWM_T-PWM_T_off(2)

步骤S510，根据S509设置的工作状态进行输出控制，启动加热器时，先闭合大功率继电器，0.5秒后，再开启大功率可控硅；关闭加热器时，先关闭大功率可控硅，0.5秒后，再断开大功率继电器；暂停时，只关闭大功率可控硅，大功率继电器仍然处于闭合状态；恒熏蒸强度控制时，通过单片机电路U101对可控硅进行PWM控制来完成。

以上所述，仅为本发明专利优选的实施例，但本发明专利的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明专利所公开的范围内，根据本发明专利的技术方案及其发明专利构思加以等同替换或改变，都属于本发明专利的保护范围。

Claims

1.脉冲式中药熏蒸控制系统，其特征在于：包括单片机电路、温度测量电路、电流测量电路、短路检测电路、加热控制驱动电路、声音报警电路、熏蒸强度设置电路以及用于实现人机界面的按键输入电路与显示电路，所述电流测量电路、短路检测电路和加热控制驱动电路依次连接；所述温度测量电路、电流测量电路、加热控制驱动电路、短路检测电路、声音报警电路、熏蒸强度设置电路、按键输入电路以及显示电路分别与单片机电路连接；所述单片机电路采用STM32L151C8T6芯片构成，通过该单片机电路输出的脉冲宽度调制，实现脉冲式熏蒸和稳定的熏蒸强度控制，在不增加用药量和用电量时，通过脉冲式熏蒸提高熏蒸温度；所述电流测量电路采用霍尔交流电流传感器ACS712，所述短路检测电路包括2个比较器和1个D触发器，所述2个比较器分别与所述D触发器连接。

2.根据权利要求1所述的脉冲式中药熏蒸控制系统，其特征在于：所述单片机电路内置有I/O端口、3线SPI接口、计时器、定时器、EEPROM存储器以及ADC转换器。

3.根据权利要求2所述的脉冲式中药熏蒸控制系统，其特征在于：所述系统还包括直流电源电路，所述直流电源电路包括：

用于将220V交流市电变为7V低压交流电源的变压器；

4.根据权利要求2所述的脉冲式中药熏蒸控制系统，其特征在于：所述电流测量电路与单片机电路的ADC转换器连接；所述短路检测电路与单片机电路的2个I/O端口连接；所述加热控制驱动电路与单片机电路的2个I/O端口连接，该加热控制驱动电路包括光继电器和过零光电驱动器。

5.根据权利要求4所述的脉冲式中药熏蒸控制系统，其特征在于：所述系统还包括加热器执行电路，所述加热器执行电路包括大功率继电器、大功率可控硅以及加热器，所述大功率继电器由光继电器驱动，所述大功率可控硅由过零光电驱动器驱动，所述大功率继电器与大功率可控硅串联，所述大功率可控硅与加热器连接，所述加热器与电流测量电路连接；所述电流测量电路、短路检测电路、加热控制驱动电路和加热器执行电路构成加热器检测与控制单元。

6.根据权利要求2所述的脉冲式中药熏蒸控制系统，其特征在于：所述按键输入电路包括6个按键，所述6个按键分别与单片机电路的6个I/O端口连接。

7.根据权利要求2所述的脉冲式中药熏蒸控制系统，其特征在于：所述显示电路包括4个方形LED灯、1个3位7段数码管、1个4位中间带冒号的7段数码管、段驱动电路以及位驱动电路；所述4个方形LED灯和1个3位7段数码管组成1个4位数码管，该4位数码管与4位中间带冒号的7段数码管一起构成2个4位数码管显示电路；所述2个4位数码管显示电路分别与段驱动电路、位驱动电路连接，所述段驱动电路与单片机电路的3线SPI接口连接，所述位驱动电路与单片机电路的4个I/O端口连接。

8.根据权利要求2所述的脉冲式中药熏蒸控制系统，其特征在于：所述声音报警电路包括三极管以及由三极管驱动的无源蜂鸣器，所述三极管与单片机电路的1个I/O端口连接。

9.根据权利要求3所述的脉冲式中药熏蒸控制系统，其特征在于：所述熏蒸强度设置电路采用三端电位器构成，该三端电位器的两端与直流电源电路连接，中间端与单片机电路的ADC转换器连接。

10.根据权利要求1-9任一项所述的脉冲式中药熏蒸控制系统，其特征在于：所述STM32L151C8T6芯片外接有用于作为系统主时钟频率的8MHz晶振。