脈沖式中藥熏蒸控制系統的制作方法
【專利摘要】本實用新型公開了一種脈沖式中藥熏蒸控制系統，包括單片機電路、溫度測量電路、電流測量電路、短路檢測電路、加熱控制驅動電路、聲音報警電路、熏蒸強度設置電路以及用于實現人機界面的按鍵輸入電路與顯示電路，所述電流測量電路、短路檢測電路和加熱控制驅動電路依次連接；所述溫度測量電路、電流測量電路、加熱控制驅動電路、短路檢測電路、聲音報警電路、熏蒸強度設置電路、按鍵輸入電路以及顯示電路分別與單片機電路連接。本實用新型的中藥熏蒸控制系統通過單片機電路可實現脈沖式熏蒸，熏蒸強度均勻，在不增加用藥量和用電量時，提高了熏蒸溫度，延長了有效熏蒸時間，而且增強了人體對中藥的吸收效果。
【專利說明】脈沖式中藥熏蒸控制系統
【技術領域】
[0001]本實用新型涉及一種中藥熏蒸控制系統，尤其是一種脈沖式中藥熏蒸控制系統，屬于醫療器械領域。
【背景技術】
[0002]中藥熏蒸是一種重要的中醫理療方法，通過藥物蒸汽作用于人體體表，達到疏通經絡、擴張末梢毛細血管、改善血液循環和排毒等功效。治療效果與蒸汽溫度關系密切，較高的溫度具有較好的效果，但是持續的高溫容易燙傷皮膚和增加藥物用量。如何保證熏蒸安全和提高藥效一直是中藥熏蒸面臨的一種重要問題。目前，所采用中藥熏蒸方法多為持續熏蒸方法，熏蒸開始時蒸汽量較大，到中后期蒸汽量就很小，總熏蒸時間不足，人體對藥物的吸收往往不充分，治療效果有待提高。
實用新型內容
[0003]本實用新型的目的是為了解決上述現有技術的缺陷，提供一種可以實現脈沖式熏蒸，熏蒸強度均勻，而且使用安全的脈沖式中藥熏蒸控制系統。
[0004]本實用新型的目的可以通過采取如下技術方案達到:
[0005]脈沖式中藥熏蒸控制系統，其特征在于:包括單片機電路、溫度測量電路、電流測量電路、短路檢測電路、加熱控制驅動電路、聲音報警電路、熏蒸強度設置電路以及用于實現人機界面的按鍵輸入電路與顯示電路，所述電流測量電路、短路檢測電路和加熱控制驅動電路依次連接；所述溫度測量電路、電流測量電路、加熱控制驅動電路、短路檢測電路、聲音報警電路、熏蒸強度設置電路、按鍵輸入電路以及顯示電路分別與單片機電路連接。
[0006]作為一種優選方案，所述單片機電路內置有I / O端口、3線SPI接口、計時器、定時器、EEPROM存儲器以及ADC轉換器。
[0007]作為一種優選方案，所述系統還包括直流電源電路，所述直流電源電路包括:
[0008]用于將220V交流市電變為7V低壓交流電源的變壓器；
[0009]用于將7V低壓交流電源變為5V直流電源的整流器、濾波器與穩壓器，所述5V直流電源供溫度測量電路、電流測量電路、加熱控制驅動電路、短路檢測電路、聲音報警電路、熏蒸強度設置電路、按鍵輸入電路以及顯示電路工作；
[0010]以及用于將5V直流電源轉換為3.3V直流電源的LDO穩壓器，所述3.3V直流電源供單片機電路工作。
[0011]作為一種優選方案，所述電流測量電路與單片機電路的ADC轉換器連接；所述短路檢測電路與單片機電路的2個I / O端口連接，該短路檢測電路包括2個比較器和I個D觸發器，所述2個比較器分別與所述D觸發器連接；所述加熱控制驅動電路與單片機電路的2個I / O端口連接，該加熱控制驅動電路包括光繼電器和過零光電驅動器。
[0012]作為一種優選方案，所述系統還包括加熱器執行電路，所述加熱器執行電路包括大功率繼電器、大功率可控硅以及加熱器，所述大功率繼電器由光繼電器驅動，所述大功率可控硅由過零光電驅動器驅動，所述大功率繼電器與大功率可控硅串聯，所述大功率可控硅與加熱器連接，所述加熱器與電流測量電路連接；所述電流測量電路、短路檢測電路、力口熱控制驅動電路和加熱器執行電路構成加熱器檢測與控制單元。
[0013]作為一種優選方案，所述按鍵輸入電路包括6個按鍵，所述6個按鍵分別與單片機電路的6個I / O端口連接。
[0014]作為一種優選方案，所述顯示電路包括4個方形LED燈、I個3位7段數碼管、I個4位中間帶冒號的7段數碼管、段驅動電路以及位驅動電路；所述4個方形LED燈和I個3位7段數碼管組成I個4位數碼管，該4位數碼管與4位中間帶冒號的7段數碼管一起構成2個4位數碼管顯示電路；所述2個4位數碼管顯示電路分別與段驅動電路、位驅動電路連接，所述段驅動電路與單片機電路的3線SPI接口連接，所述位驅動電路與單片機電路的4個I / O端口連接。
[0015]作為一種優選方案，所述聲音報警電路包括三極管以及由三極管驅動的無源蜂鳴器，所述三極管與單片機電路的I個I / O端口連接。
[0016]作為一種優選方案，所述熏蒸強度設置電路采用三端電位器構成，該三端電位器的兩端與直流電源電路連接，中間端與單片機電路的ADC轉換器連接。
[0017]作為一種優選方案，所述單片機電路采用STM32L151C8T6芯片構成，該芯片外接有用于作為系統主時鐘頻率的8MHz晶振。
[0018]本實用新型相對于現有技術具有如下的有益效果:
[0019]1、本實用新型的中藥熏蒸控制系統通過單片機電路可實現脈沖式熏蒸，熏蒸強度均勻，在不增加用藥量和用電量時，提高了熏蒸溫度，延長了有效熏蒸時間，而且增強了人體對中藥的吸收效果。
[0020]2、本實用新型的中藥熏蒸控制系統的弱電部分和加熱器的強電部分使用光繼電器進行電氣隔離，可以減少大功率電路對弱電電路的干擾，并增強控制系統和操作人員的安全。
[0021]3、本實用新型的中藥熏蒸控制系統的單片機電路根據溫度測量電路可以實現超溫報警，根據電流測量電路可以實現斷路報警，根據電流測量電路和短路檢測電路可以實現短路報警，且短路檢測電路在檢測到短路時，可以通過加熱控制驅動電路可以使大功率繼電器斷開和大功率可控硅關閉，具有使用安全的特點。
[0022]4、本實用新型的中藥熏蒸控制系統通過按鍵輸入電路和顯示電路實現的人機界面簡單清晰，便于操作人員使用，修改工作參數后自動保存在單片機電路的EEPROM存儲器中，以實現掉電保護功能，在開機后自動恢復上次工作參數，充分利用了單片機電路的片上資源，整個系統的性價比高。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0023]圖1為本實用新型中藥熏蒸控制系統的結構原理圖。
[0024]圖2為本實用新型中藥熏蒸控制系統的加熱器檢測與控制單元結構原理示意圖。
[0025]圖3為本實用新型中藥熏蒸控制系統的顯示電路結構原理圖。
[0026]圖4為本實用新型中藥熏蒸控制系統的人機界面示意圖。
[0027]圖5為本實用新型中藥熏蒸控制系統的控制流程示意圖。[0028]圖6為本實用新型中藥熏蒸控制系統熏蒸時脈沖周期的波形圖。
【具體實施方式】
[0029]實施例1:
[0030]如圖1-圖3所示，本實施例的中藥熏蒸控制系統包括直流電源電路UlOO、單片機(MCU)電路U101、按鍵輸入電路U102、顯示電路U103、溫度測量電路U104、加熱器檢測與控制單元U105、聲音報警電路U106和熏蒸強度設置電路U107，所述加熱器檢測與控制單元U105包括電流測量電路U301、短路檢測電路U302、加熱控制驅動電路U303和加熱器執行電路U304，所述電流測量電路U301、短路檢測電路U302、加熱控制驅動電路U303依次連接。[0031 ] 所述直流電源電路UlOO包括變壓器、整流器、濾波器、穩壓器以及LDO穩壓器，所述變壓器將220V交流市電變為7V低壓交流電源，7V低壓交流電源依次經過整流器、濾波器與穩壓器后變為5V直流電源，此時可供弱電電路工作(按鍵輸入電路U102、顯示電路U103、溫度測量電路U104、聲音報警電路U106、熏蒸強度設置電路U107、電流測量電路U301、短路檢測電路U302、加熱控制驅動電路U303)，5V直流電源經過LDO穩壓器(即低壓差線性穩壓器)得到3.3V直流電源供單片機電路UlOl工作。
[0032]所述單片機電路UlOl采用STM32L151C8T6芯片構成，該芯片內置有I / O端口、3線SPI接口、計時器、定時器、EEPROM存儲器以及ADC轉換器，外接有8MHz晶振作為系統的主時鐘頻率。
[0033]所述按鍵輸入電路U102包括6個按鍵，所述6個按鍵分別與單片機電路UlOl的6個I / O端口連接。
[0034]所述顯示電路U103包括4個方形LED燈、I個3位7段數碼管、I個4位中間帶冒號的7段數碼管U202、段驅動電路U203以及位驅動電路U204 ;所述4個方形LED燈和I個3位7段數碼管組成I個4位數碼管U201，該4位數碼管U201與4位中間帶冒號的7段數碼管U202 —起構成2個4位數碼管顯示電路，采用共陽極接法；所述2個4位數碼管顯示電路分別與段驅動電路U203、位驅動電路連接U204 ;所述段驅動電路U203采用具有16個LED均流驅動能力的CAT4016，與單片機電路UlOl的3線SPI接口連接，所述位驅動電路U204采用PNP三極管S9012，與單片機電路UlOl的4個I / O端口連接。
[0035]所述溫度測量電路U104采用數字溫度傳感器DS18820，與單片機電路UlOl采用I / O 口模擬的1-Wire總線連接，單片機電路UlOl根據數字溫度傳感器DS18820采集的溫度進行判斷，若采集的溫度大于設定的熏蒸溫度值，則系統出現超溫故障，單片機電路UlOl據此控制聲音報警電路U106進行報警。
[0036]所述加熱器檢測與控制單元U105中，所述電流測量電路U301采用霍爾交流電流傳感器ACS712測量加熱器的電流，與單片機電路UIOI的ADC轉換器連接，ACS712輸出為以直流2.5V為基準的幅值在2.0V以內的正弦信號，該正弦信號與測量電流成正比，單片機電路UlOl的ADC轉換器連續采集20毫秒(I個工頻周期)后，計算出有效值；所述短路檢測電路U302與單片機電路UlOl的2個I / O端口連接，該短路檢測電路U302包括2個比較器和I個D觸發器，所述2個比較器分別與所述D觸發器連接；所述加熱控制驅動電路U303與單片機電路UlOl的2個I / O端口連接，該加熱控制驅動電路U303包括光繼電器和過零光電驅動器，所述光繼電器用于驅動大功率繼電器，所述過零光電驅動器用于驅動大功率可控硅，加熱控制驅動電路U303將單片機電路UlOl的控制信號與短路檢測電路U302發送的短路狀態信號(短路與否)分別進行邏輯與運算后再輸出，只有無短路故障時才能閉合大功率繼電器和觸發大功率可控硅；所述加熱器執行電路U304包括大功率繼電器、大功率可控硅以及加熱器，所述大功率繼電器與大功率可控硅串聯，所述大功率可控硅與加熱器連接，所述加熱器與電流測量電路U301連接，所述加熱器可以采用電阻式加熱器或采用碳電極式加熱器。
[0037]所述短路檢測電路U302的短路檢測原理:當用霍爾交流電流傳感器ACS712輸出超出最大容許變化范圍時，判斷為短路發生，則至少有I個比較器的輸出發生改變，并使與之連接的D觸發器改變輸出狀態，并保留該短路狀態，短路狀態信號一路發送給加熱控制驅動電路U303，使加熱控制驅動電路U303斷開大功率繼電器和關閉大功率可控硅，另一路反饋給單片機電路U101，單片機電路UlOl控制顯示電路U103的其中I個方形LED燈進行短路顯示和控制聲音報警電路U106進行報警，短路狀態要重新開機才能清除。
[0038]所述聲音報警電路U106包括三極管和無源蜂鳴器，所述無源蜂鳴器由三極管驅動，所述三極管與單片機電路UlOl的I個I / O端口連接，通過單片機電路UlOl的PWM(Pulse Width Modulation，脈沖寬度調制)輸出產生不同頻率的音符，通過三極管驅動無源蜂鳴器實現不同樂曲報警。
[0039]所述熏蒸強度設置電路U107采用三端電位器構成，該三端電位器的兩端與直流電源電路UlOO連接，中間端與單片機電路UlOl的ADC轉換器連接。
[0040]如圖1和圖4所示，為所述按鍵輸入電路U102和顯示電路U103實現的人機界面，可以看到該界面包括4個方形LED燈、I個3位7段數碼管、I個4位中間帶冒號的7段數碼管和6個按鍵；所述3位7段數碼管設置在界面左上方，用于顯示溫度，單位為1°C ;4位中間帶冒號的7段數碼管設置在界面的右上方，用于顯示時間，前兩位為分鐘，后兩位為秒，中間的冒號每秒閃爍一次；所述4個方形LED燈位于3位7段數碼管和4位中間帶冒號的7段數碼管的下方，4個方形LED燈由左至右分別用于顯示工作狀態、短路狀態、斷路狀態和結束狀態；6個按鍵均位于4個方形LED燈的下方，分別為消聲按鍵、啟動/暫停按鍵、設置按鍵、增加按鍵、減少按鍵和確認按鍵，所述消聲按鍵用于有聲音報警時去聲，但報警狀態依然保留，相關的報警LED燈(如顯示短路狀態的LED燈和顯示斷路狀態的LED燈)依然亮，要徹底消除報警狀態只能關總電源后，再重新開啟系統，這樣可以保證真正消除了報警原因后才重新工作；所述啟動/暫停按鍵用于在開啟系統后啟動加熱器工作，當按下啟動/暫停按鍵，顯示工作狀態的LED燈亮，4位數碼管開始倒計時，若在工作過程中，需要暫停，可以再次按該鍵，則停止倒計時；暫停后若需要繼續工作，則再次按該鍵，倒計時重新開始；倒計時到“00:00”時，完成熏蒸，顯示結束狀態的LED燈亮，并通過單片機電路UlOl控制聲音報警電路U106進行結束報警；所述設置按鍵、增加按鍵、減少按鍵和確認按鍵用于設置熏蒸時間和熏蒸溫度工作參數，按下設置按鍵，顯示溫度的3位7段數碼管閃爍，表示處于修改熏蒸溫度設定值狀態，顯示內容為溫度設定值，若再次按下設置按鍵，將熏蒸溫度設置切換為熏蒸時間設置，顯示時間的4位中間帶冒號的7段數碼管閃爍，表示處于修改熏蒸時間設定值狀態；當處于熏蒸溫度/熏蒸時間設定狀態時，按增加或者減少將增加或者減少溫度/時間設定值，按確認按鍵則修改值有效，將保存在單片機電路UlOl的EEPROM存儲器中，以實現掉電保護功能，若不按確認按鍵，該修改的數值無效，15秒鐘無鍵按下將退出設定值修改狀態，數碼管不再閃爍。
[0041]如圖1、圖4和圖5所示，本實施例的中藥熏蒸控制系統的控制流程如下:
[0042]步驟S501:在單片機電路UlOl上電后先進行初始化，包括配置外設、清除故障狀態；啟動計時器SysTick，每0.1秒進行定時中斷，在SysTick中斷中系統工作計時和根據熏蒸狀態完成熏蒸時間更新；啟動顯示掃描定時器Timer2，每2.5毫秒定時中斷，在Timer2中斷中完成每位數碼管的顯示內容更新和輪流點亮，實現IOOHz的動態恒流顯示；
[0043]步驟S502:從單片機電路UlOl的EEPROM存儲器中讀取熏蒸溫度和熏蒸時間工作參數；
[0044]步驟S503，讀按鍵，經過去抖動后得到鍵碼；在步驟S504中判斷是否有按鍵按下，若有按鍵按下，則在步驟S505中根據按下的按鍵類型，找到相對應的鍵碼，并進行處理，包括步驟S506的消聲處理、步驟S507的啟動/暫停處理和S508的工作參數設置處理；
[0045]步驟S509，當按下啟動/暫停按鍵，讀入單片機電路UlOl的ADC轉換器采集的熏蒸強度(即脈沖蒸汽量)和加熱器工作電流值，根據加熱器啟動時的工作電流判斷是否為斷路狀態，對于電阻式加熱器，當熏蒸藥水不能覆蓋加熱器時，加熱器電阻上升，電流減少，當電流減少到正常工作電流的一半時判斷為斷路狀態；對于碳電極式加熱器，碳電極直接泡入熏蒸藥水中，利用熏蒸藥水的體電阻加熱，當熏蒸藥水減少時，碳電極與熏蒸藥水的接觸面減少，電流減少，當電流減少到0.5A時判斷為斷路狀態；當加熱器開啟時的工作電流為斷路狀態時，單片機電路UlOl控制顯示斷路狀態的LED燈亮，并控制所述聲音報警電路U106進行報警。
[0046]如圖6所示的 熏蒸時脈沖周期的波形，熏蒸蒸汽噴發周期為8秒，噴5秒，停3秒，噴5秒時的熏蒸強度通過熏蒸強度設置電路U107，即通過三端電位器調節，為30%~100%的相對值，采用單片機電路UlOl輸出的PWM，實現穩定的熏蒸強度控制。PWM的開和關時間的計算如式⑴和式⑵所示，PWM T為50毫秒，由于可控硅采用過零光電驅動器驅動，可控硅的開關最小周期為10毫秒，PWM T0 η的實際值為10、20、30、40和50毫秒共5擋，式
(I)中IOA電流是根據整個加熱器的額定功率為2.2KW來設置的，這樣在采用碳電極式加熱器時，可以減少不同熏蒸中藥類型的不同電阻率對加熱功率的影響；通過式(I)可以計算出恒熏蒸強度控制的占空比。
[0047]
PWM Ton=PWM Tx...M、x設定熏蒸強度(I)
-°n- 加熱器工作電流(A)
[0048]PWM_Toff = PWM_T-PWM_Toff(2)
[0049]步驟S510，根據S509設置的工作狀態進行輸出控制，啟動加熱器時，先閉合大功率繼電器，0.5秒后,再開啟大功率可控娃；關閉加熱器時，先關閉大功率可控娃，0.5秒后，再斷開大功率繼電器；暫停時，只關閉大功率可控硅，大功率繼電器仍然處于閉合狀態；恒熏蒸強度控制時，通過單片機電路UlOl對可控硅進行PWM控制來完成。
[0050]以上所述，僅為本實用新型專利優選的實施例，但本實用新型專利的保護范圍并不局限于此，任何熟悉本【技術領域】的技術人員在本實用新型專利所公開的范圍內，根據本實用新型專利的技術方案及其實用新型專利構思加以等同替換或改變，都屬于本實用新型專利的保護范圍。
【權利要求】
1.脈沖式中藥熏蒸控制系統，其特征在于:包括單片機電路、溫度測量電路、電流測量電路、短路檢測電路、加熱控制驅動電路、聲音報警電路、熏蒸強度設置電路以及用于實現人機界面的按鍵輸入電路與顯示電路，所述電流測量電路、短路檢測電路和加熱控制驅動電路依次連接；所述溫度測量電路、電流測量電路、加熱控制驅動電路、短路檢測電路、聲音報警電路、熏蒸強度設置電路、按鍵輸入電路以及顯示電路分別與單片機電路連接。
2.根據權利要求1所述的脈沖式中藥熏蒸控制系統，其特征在于:所述單片機電路內置有I / O端口、3線SPI接口、計時器、定時器、EEPROM存儲器以及ADC轉換器。
3.根據權利要求2所述的脈沖式中藥熏蒸控制系統，其特征在于:所述系統還包括直流電源電路，所述直流電源電路包括: 用于將220V交流市電變為7V低壓交流電源的變壓器； 用于將7V低壓交流電源變為5V直流電源的整流器、濾波器與穩壓器，所述5V直流電源供溫度測量電路、電流測量電路、加熱控制驅動電路、短路檢測電路、聲音報警電路、熏蒸強度設置電路、按鍵輸入電路以及顯示電路工作； 以及用于將5V直流電源轉換為3.3V直流電源的LDO穩壓器，所述3.3V直流電源供單片機電路工作。
4.根據權利要求2所述的脈沖式中藥熏蒸控制系統，其特征在于:所述電流測量電路與單片機電路的ADC轉換器連接；所述短路檢測電路與單片機電路的2個I / O端口連接，該短路檢測電路包括2個比較器和I個D觸發器，所述2個比較器分別與所述D觸發器連接；所述加熱控制驅動電路與單片機電路的2個I / O端口連接，該加熱控制驅動電路包括光繼電器和過零光電驅動器。
5.根據權利要求4所述的脈 沖式中藥熏蒸控制系統，其特征在于:所述系統還包括加熱器執行電路，所述加熱器執行電路包括大功率繼電器、大功率可控硅以及加熱器，所述大功率繼電器由光繼電器驅動，所述大功率可控硅由過零光電驅動器驅動，所述大功率繼電器與大功率可控硅串聯，所述大功率可控硅與加熱器連接，所述加熱器與電流測量電路連接；所述電流測量電路、短路檢測電路、加熱控制驅動電路和加熱器執行電路構成加熱器檢測與控制單元。
6.根據權利要求2所述的脈沖式中藥熏蒸控制系統，其特征在于:所述按鍵輸入電路包括6個按鍵，所述6個按鍵分別與單片機電路的6個I / O端口連接。
7.根據權利要求2所述的脈沖式中藥熏蒸控制系統，其特征在于:所述顯示電路包括4個方形LED燈、I個3位7段數碼管、I個4位中間帶冒號的7段數碼管、段驅動電路以及位驅動電路；所述4個方形LED燈和I個3位7段數碼管組成I個4位數碼管，該4位數碼管與4位中間帶冒號的7段數碼管一起構成2個4位數碼管顯示電路；所述2個4位數碼管顯示電路分別與段驅動電路、位驅動電路連接，所述段驅動電路與單片機電路的3線SPI接口連接，所述位驅動電路與單片機電路的4個I / O端口連接。
8.根據權利要求2所述的脈沖式中藥熏蒸控制系統，其特征在于:所述聲音報警電路包括三極管以及由三極管驅動的無源蜂鳴器，所述三極管與單片機電路的I個I / O端口連接。
9.根據權利要求3所述的脈沖式中藥熏蒸控制系統，其特征在于:所述熏蒸強度設置電路采用三端電位器構成，該三端電位器的兩端與直流電源電路連接，中間端與單片機電路的ADC轉換器連接。
10.根據權 利要求1-9任一項所述的脈沖式中藥熏蒸控制系統，其特征在于:所述單片機電路采用STM32L151C8T6芯片構成，該芯片外接有用于作為系統主時鐘頻率的8MHz晶振。
【文檔編號】A61H33/06GK203507100SQ201320613128
【公開日】2014年4月2日 申請日期:2013年9月29日 優先權日:2013年9月29日
【發明者】李向陽, 田聯房 申請人:華南理工大學