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一勞灸逸-智慧溫控灸療裝置
第十四屆盛群盃HOLTEK MCU創意大賽複賽報告

【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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「灸療」是中國傳統醫療方式的一種,傳統艾條灸透過人工手持艾條,依據經驗調整艾條與穴位距離,使艾條產生之輻射熱刺激人體穴道,此過程除了需要人力負擔之外,產生的煙霧與灰燼也是很大的困擾。


有鑑於此,本作品為一個自動化溫控灸療裝置,導入現今技術來克服上述問題。本裝置使用盛群微控制器作為核心控制晶片,搭配溫度感測器及馬達完成自動控溫的灸療裝置,同時設計三項保護裝置避免誤動作而燙傷肌膚。雖然古中醫云:煙燻火療為之灸,可見煙燻、火燒兩者須兼備才可稱之為「艾灸」,但由於現今環境並非人人可接受煙燻,因此在本裝置側面也設有排煙風扇,使用者可依需求開啟風扇及調整轉速,將煙霧導入過濾系統以淨化空氣,提升灸療的品質。


前言

傳統在進行灸療時,透過人工手持艾條的方式進行,須考量於人為經驗,如操作不慎,可能沒有達到該有的療效,也可能對人體產生燒燙傷疑慮。


為了提升灸療的便利性及安全性,因此開發智慧溫控灸療裝置,提供夾持艾條裝置,免去人工手持,並能自動檢測人體穴位施療區域的溫度,調整艾條與施療區域之間的距離。


工作原理

本自動化灸療裝置已取得發明專利,專利設計如圖一所示,實際裝置的設計如圖二所示,由一個支架來支撐灸療裝置,使用者可以調整高低位置來對準穴位,另有一個使用者操作面板,可依個人體感溫度不同來調整灸療溫度與時間,設定完成後即可開始療程。將欲灸療部位靠上夾持艾條機構前端保護按鈕,以確保使用者靠在正確位置,當使用者離開時可透過保護按鈕得知,並立刻收回艾條停止灸療。


在療程中,透過馬達轉動來調整艾條與施療區域之間的距離,並透過紅外線溫度感應器來檢查施療區域的溫度是否不足或過熱,並且在裝置前端設置一紅外線感測器確保艾條不會超過裝置前端,導致燙傷使用者。


圖一 : 專利設計圖
圖一 : 專利設計圖
圖二 : 實際設計圖
圖二 : 實際設計圖

本作品使用HT66F2390中的I2C、SPI、ADC、計時器及PWM等功能。療程中會先由I2C介面與MLX90614非接觸式紅外線溫度感測器溝通,取得灸療中人體表面的溫度,輸出PWM脈波至H-bridge電路控制馬達正反轉調整艾條與人體間的距離,再由SPI介面輸出序列資料至MAX7219七段顯示器,驅動IC控制七段顯示器顯示目前溫度及療程剩餘的時間。並且使用三個中斷服務為保護裝置,分別是裝置前端的保護按鈕、艾條過短保護以及艾條距離保護,如有異常可立即中斷療程。


作品結構

作品結構分別透過硬體、軟體及機構部份作介紹,其系統方塊圖如圖三所示。以盛群HT66F2390微控制器為主,分別連接溫度感測器、馬達、鍵盤、紅外線感測器、保護開關、LED指示燈及七段顯示器。



圖三 : 系統方塊圖
圖三 : 系統方塊圖

硬體設計

硬體設計部份線路圖如圖四所示,以下對本作品所使用之各項元件及電路作介紹。



圖四 : 線路圖
圖四 : 線路圖

(a)MLX90614溫度感測器


MLX90614系列的非接觸式紅外線溫度感測器提供了醫療級專用款式如圖五所示,在量測人體溫度時有更高的準確度,非常適合灸療的需求。微控制器透過I2C介面取得感測器之溫度,接線如圖六所示。



圖五 : MLX90614溫度感測器
圖五 : MLX90614溫度感測器

圖六 : MLX90614線路圖
圖六 : MLX90614線路圖

(b)MAX7219七段顯示器驅動IC


MAX7219是一個8位元之七段顯示器驅動IC,透過SPI介面給予序列資料以輸出至兩個四位元的七段顯示器,分別用以顯示溫度及時間資訊,接線如圖七所示。



圖七 : 七段顯示器接線圖
圖七 : 七段顯示器接線圖

(c)H-bridge


本裝置透過馬達正反轉調整艾條之位置,由於微控制器本身I/O腳位輸出之電流不足以提供給馬達運轉,因此加入H-bridge電路驅動馬達,線路如圖八所示,由於須要可以控制馬達之轉送,因此在腳位規劃上特別使用兩隻皆有PWM輸出功能之腳位來達成。



圖八 : H-bridge線路圖
圖八 : H-bridge線路圖

(d)鍵盤


規劃使用到六個按鍵,分別用來調整療程中的溫度上限高低、療程時間的增減、開始以及重置。設計分壓電路如圖九所示,不同按鍵按下時產生不同電壓輸出利用微控制器中的ADC腳位讀取。



圖九 : 鍵盤電路圖
圖九 : 鍵盤電路圖

(e)保護裝置


保護裝置包含前端保護按鈕及兩組紅外線感測器,前端保護按鈕用來確認使用者是否離開裝置,紅外線感測器分別用來確保艾條不會超過機構前端而燙傷使用者及確認艾條長度是否足夠。三項保護裝置皆使用中斷服務,任一項保護裝置發現異常將立即中斷療程,其中以前端保護按鈕為最高優先權。


(f)鈕扣型震動馬達


艾條燃燒過程中會在前端累積煙灰,若是長時間累積將無法傳遞出燃燒中的熱能,因此在輸送艾條機構上加入鈕扣型震動馬達如圖十所示,定時透過震動將艾條前端之煙灰震下。


圖十 : 鈕扣型震動馬達
圖十 : 鈕扣型震動馬達

(a) 排煙風扇


療程中燃燒的艾條將產生煙,雖艾草燃燒出的煙同樣也帶有療效,但並非每位使用者都可以接受,因此加入開關及可變電阻,讓使用者可依需求開啟風扇,並透過可變電阻調整風扇轉速,並搭配除煙除臭專用濾網過濾燃燒艾草時產生的煙霧及味道。


軟體設計

本作品主程式系統流程如圖十一(a)所示,另三項中斷服務流程如圖十一(b)所示,分別是前端保護按鈕、艾條前端極限位置偵測以及艾條長度不足偵測。



圖十一a : 系統流程圖--主程式
圖十一a : 系統流程圖--主程式

系統一開始時初始化腳位相關暫存器設定,並將馬達回復原點。初始化完成後進入迴圈不斷量測溫度及掃描鍵盤,若是調整療程溫度上限或療程時間等設定,則更新設定值並同時將所有資訊輸出至七段顯示器讓使用者觀看。


開始療程前同樣先初始化相關參數,設定計時器並開啟三項保護裝置的中斷服務,並等待使用者靠上裝置啟動保護按鈕才會開始療程。療程中透過比較量測溫度及使用者設定之溫度上限控制馬達正反轉調整艾條與使用者間距離以改變使用者感受溫度,待療程時間結束時馬達反轉收回艾條,繼續掃描鍵盤等待下次療程開始。



圖十一b : 系統流程圖--中斷服務
圖十一b : 系統流程圖--中斷服務

前端保護按鈕在裝置前端開口下方如圖十二所示,使用者在療程中必須將施療部位確實靠在前端開口處,同時將按下保護按鈕。在療程開始前初始化會先將療程開始旗標歸零,再開啟中斷服務並設定為負緣觸發,按下保護按鈕時觸發中斷將旗標設定為1並開始倒數時間,再將此中斷服務設為正緣觸發,當療程中使用者離開保護按鈕則療程暫停旗標歸零,以此類推。



圖十二 : 前端保護按鈕
圖十二 : 前端保護按鈕

艾條前端極限位置偵測為避免感測器異常或艾條燃燒不完全等不可預期因素導致感測器偵測之溫度達不到使用者設定之溫度,而不斷命令馬達向前送料,可能導致艾條過於貼近甚至觸碰到使用者而造成燙傷的可能,因此在距離開口處約一公分處放置一紅外線感測器如圖十三所示,當有物體遮住紅外線訊號時則觸發此中斷服務,控制馬達反轉將艾條向後收回。


由於艾條會隨著燃燒時間而逐漸變短,因此在裝置送料口前放置一紅外線感測器如圖十四所示,當送料裝置遮住此紅外線感測器時則代表送料裝置無法再向前進,需更換艾條才可重新進行療程。當中斷服務開始時先暫停倒數計時器,並等待使用者更換艾條後按下重新開始按鍵才可進行療程。


圖十四 : 艾條長度不足偵測
圖十四 : 艾條長度不足偵測

機構設計

本作品之機構設計圖如圖十五所示,以下分別對各部份元件作介紹。



圖十五 : 機構設計圖
圖十五 : 機構設計圖

(a)艾條夾持器


透過馬達帶動夾持器將艾條往前輸送進入蓄熱艙,調整艾條與皮膚間距離,以達到溫度控制的效果。


(b)蓄熱艙


隔絕艾條燃燒產生的熱能向其他方向散失,使蓄熱艙可以維持在一定溫度,達到灸療效果。


(c)抽風扇


抽風扇前可放置除煙除臭濾網,藉由風扇帶動氣流將蓄熱艙中的煙霧與氣味濾除。


(d)護蓋


護蓋中設有鐵網,可預防艾條的煙灰掉落造成使用者燙傷,當煙灰累積一段時間後可取下清理。


(e)控制面板


控制面板上有兩個顯示器可顯示溫度與時間,另有六顆按鈕可設定時間與溫度。


(f)立柱


立柱上設有調整旋鈕,可用以調整高度,讓使用者能調整至需灸療的位置。


測試方法

本作品測試主要分為兩部份,硬體軟體整合測試及機構測試,整合測試方面先利用麵包板按照硬體設計中的線路圖連接各個元件,並透過盛群開發板燒入程式,初步測試系統流程,及各項元件之功能。


機構測試方面主要測試的部份是輸送艾條的機構是否可以正確運行、溫度感測器是否可以量測到正確位置之溫度以及三項保護裝置安裝的位置是否能正確觸發。


硬體軟體整合測試

硬體測試接線圖如十六所示,先將各元件透過麵包板連接上規劃之腳位,並使用盛群提供通用型開發環境HT-IDE3000編寫程式後燒入至開發板上,測試各個元件之功能及系統流程。



圖十六 : 硬體測試接線圖
圖十六 : 硬體測試接線圖

機構測試

機構測試分為三個部份,輸送艾條、溫度感測器安裝位置以及三項保護裝置安裝位置。輸送艾條部份實際安裝上馬達及轉軸後測試確實可帶動艾條由最尾端至前端如圖十七所示。



圖十七 : 艾條輸送測試
圖十七 : 艾條輸送測試

溫度感測器為整個裝置中最重要之元件,若不能正確取得人體表面之溫度,則整個裝置將無法正確做動,經過實際測試使用者尚未靠上裝置前端時感測器量測到環境溫度28度,而將手部貼近時量測到皮膚表面溫度31度,如圖十八所示。



圖十八 : 溫度感測器測試
圖十八 : 溫度感測器測試

療程中使用者需將欲灸療之部位靠在裝置前端,且必須完整包覆前端開口才能按下安全開關,經實際測試發現,由於考量到艾條燃燒時之通風性及受熱面積,因此開口設計較大,若是如手臂等較細部位則較難完整包覆開口,但若是腿部、背部等面積較大之部位時,能確實完整依靠在開口處,並且按住安全開關如圖十九所示。



圖十九 : 前端保護開關測試
圖十九 : 前端保護開關測試

艾條前端極限位置透過紅外線發射器及接收器偵測,經實際安裝測試,在艾條前端移動至發射器及接收器中間時會使接收器無接收到訊號,使系統進入中斷服務,控制馬達反轉將艾條向後收回,如圖二十所示。


圖二十 : 前端極限位置測試
圖二十 : 前端極限位置測試

艾條長度不足同樣使用紅外線發射器及接收器偵測,經實際安裝測試,在艾條夾持裝置移動至發射器及接收器中間時會使接收器無接收到訊號,使系統進入中斷服務,暫停療程並等待更換艾條,如圖二十所示。



圖二十一 : 艾條長度不足測試
圖二十一 : 艾條長度不足測試

(作者廖珗洲1、盧力銘2、黃傑2、Sebastian Heiden (海思安)2為朝陽科技大學資訊工程系1教授、2學生;本文為第十四屆盛群盃HOLTEK MCU創意大賽複賽報告)


參考文獻

[1] 鍾啟仁,HT66Fxx Flash MCU 原理與實務-C語言篇,全華圖書股份有限公司,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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