CN108814956A - 一种艾灸床智能温控***及其方法 - Google Patents

一种艾灸床智能温控***及其方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种艾灸床智能温控***及其方法，***包括MCU控制模块、温度采集模块、目标温度值设定模块、调控模块、排烟模块、艾条加热模块、艾条加热控制模块、过流过压检测模块、开关模块、显示模块以及电源模块；所述温度采集模块、目标温度值设定模块、艾条加热模块、艾条加热控制模块、开关模块、显示模块均与MCU控制模块连接；调控模块和排烟模块与MCU控制模块之间，设有电机驱动板，调控模块和排烟模块均通过该电机驱动板与MCU控制模块连接；电源模块分别与MCU控制模块、温度采集模块、艾条加热模块、电机驱动板连接；过流过压检测模块连接于电机驱动板和电源模块之间。本发明能智能调温，自动排烟，利于艾灸的疗效最大化。

Description

一种艾灸床智能温控***及其方法
技术领域
本发明涉及艾灸床温控的技术领域，尤其涉及到一种艾灸床智能温控***及其方法。
背景技术
灸法，乃是中国最古老的医术之一，属于中医外治法，它源于古代，历时几千年。近几年来温灸养生的方式得到了良好的发展。
目前，流行使用的艾灸床以手动调温为主，没有较为人性化的人机交互界面，产生使用不舒适性，对于艾灸过程中艾条在艾灸床燃烧腔内着火等意外情况没有较为理想的处理方式，没有过压过流等保护装置，无法在合适的时间点排烟。由此可见，上述现有的手动调温的艾灸床仍存在有诸多缺陷，亟待加以改进。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种能智能调温、自动排烟、避免艾灸床燃烧腔内的艾柱出现着火的现象、利于艾灸的疗效最大化、安全性较高的艾灸床智能温控***。
为实现上述目的，本发明所提供的技术方案为：
一种艾灸床智能温控***，包括MCU控制模块、用于采集艾灸床燃烧腔内温度的温度采集模块、用于设定艾灸床燃烧腔内目标温度值的目标温度值设定模块、依据温度采集模块采集到的温度值和通过目标温度值设定模块设定的目标温度值进行艾灸床燃烧腔内温度调控的调控模块、用于排烟的排烟模块、艾条加热模块、艾条加热控制模块、过流过压检测模块、开关模块、显示模块以及电源模块；其中，所述温度采集模块、目标温度值设定模块、艾条加热模块、艾条加热控制模块、开关模块、显示模块均与MCU控制模块连接；所述调控模块和排烟模块与MCU控制模块之间，设有电机驱动板，调控模块和排烟模块均通过该电机驱动板与MCU控制模块连接；所述电源模块分别与MCU控制模块、温度采集模块、艾条加热模块、电机驱动板连接，起供电作用；所述过流过压检测模块连接于电机驱动板和电源模块之间，用于保护调控模块。
进一步地，所述温度采集模块包括第一、二、三温度传感器以及温度采集单元；温度采集单元与电源模块连接，第一、二、三温度传感器通过该温度采集单元与MCU控制模块连接；其中，所述第一、二温度传感器分别置于艾灸床燃烧腔的上半部和下半部；所述第三温度传感器置于艾灸床燃烧腔中间靠近艾条处。
进一步地，所述调控模块包括第一、二电动推杆，分别对应温度采集模块中的第一、二温度传感器，分别依据第一、二温度传感器采集到的温度进行调控。
进一步地，所述排烟模块为排气扇。
进一步地，所述艾条加热模块包括电磁继电器、第一、二加热棒；其中，电磁继电器与电源模块连接，第一、二加热棒通过该电磁继电器与MCU控制模块连接。
进一步地，该***还包括有连接于MCU控制模块和电源模块之间的蜂鸣器。
为了克服现有技术的不足，本发明还另外提供一种用于艾灸床智能温控***的方法，包括以下步骤：
S1：通过开关模块打开***，并进行***初始化；
S2：通过目标温度值设定模块设定艾灸床燃烧腔内的目标温度值；同时，过流过压检测模块检测电压及电流是否超过设定的安全值，若超过设定的安全值，说明温控***中存在故障，此时自动断开电源模块的总电源，以便保护温控***；
S3：通过艾条加热控制模块控制第一、二加热棒点燃艾条；
S4：第一、二、三温度传感器分别采集艾灸床燃烧腔上下半部以及艾条的温度，并将采集到的温度值显示在显示模块上；
S5：MCU控制模块计算目标温度值与第一、二温度传感器采集到的温度值的差值；
若目标温度值与第一温度传感器采集到的温度值的差值等于0，则第一电动推杆以及排气扇的状态不变；若差值大于0，说明还没有到达目标温度值，此时关闭排气扇，MCU控制模块进行模糊算法，控制第一电动推杆的上升的速度；若差值小于0，说明此时的温度已经超过用户设定的目标温度值，需要将第一电动推杆下调，同时开启排气扇，第一电动推杆下降的速度及排气扇的转速均通过模糊算法来控制；
若目标温度值与第二温度传感器采集到的温度值的差值等于0，则第二电动推杆以及排气扇的状态不变；若差值大于0，说明还没有到达目标温度值，此时关闭排气扇，MCU控制模块进行模糊算法，控制第二电动推杆的上升的速度；若差值小于0，说明此时的温度已经超过用户设定的目标温度值，需要将第二电动推杆下调，同时开启排气扇，第二电动推杆下降的速度及排气扇的转速均通过模糊算法来控制；
同时，第三温度传感器一直处于工作状态，若第三温度传感器返回的温度值高于***设置的安全值，说明艾灸床燃烧腔内可能有着火的现象，此时蜂鸣器开始鸣叫，同时将第一、二电动推杆降到最低，随后关闭电源模块，以便保护使用者及温控***；
S6：若开关模块一直没有关，则一直循环步骤S5。
进一步地，所述模糊算法采用模糊量E,EC,U，精确量e,ec,u，被控对象为第一、二电动推杆及排气扇，通过用户设定值Tset与采集到温度的差值控制第一、二电动推杆与排气扇；
具体步骤如下：
1)选择双输入单输出的模糊控制器，并确定输入偏差e的范围、输入偏差变化率ec的范围、电压u的输出范围；
2)定义输入、输出量的模糊分布；
其中，所有的模糊子集均采用三角形隶属度函数：
选择五个模糊子集E＝[NB NS Z PS PB]，用于涵盖输入偏差e的论域；
选择五个模糊子集EC＝[NB NS Z PS PB]，用于涵盖输入偏差变化率ec的论域；
选择五个模糊子集U＝[NB NS Z PS PB]，用于涵盖输出u的论域；
3)建立模糊规则，每条模糊规则中均存在一个模糊关系Ri(i＝1,2,…25)，
该些单个的模糊关系可构成总的模糊关系
4)进行模糊推理和解模糊；通过重心法对模糊量U进行解模糊运算，得到精确量u，再将其作用在电机驱动板上进行对被控对象的控制。
与现有技术相比，本方案原理和优点如下：
1.将第一、二温度传感器分别置于艾灸床燃烧腔的上半部和下半部，通过目标温度值设定模块设定艾灸床燃烧腔内目标温度值，在得到用户设定值与第一、二温度传感器采集到的温度值的差值后，将差值经过模糊算法后输出合理的脉宽调制信号到电机驱动板，进而控制第一、二电动推杆的升降及升降速度，达到智能控温的目的。
2.将第三温度传感器放置在艾灸床燃烧腔中间靠近艾条处，第三温度传感器与温度采集单元相连接，温度采集单元与MCU控制模块相连接。根据第三温度传感器采集的温度信号及MCU控制模块来控制蜂鸣器的通断，同时控制第一、二电动推杆降到最低位置，之后再关闭电源模块，进而保护被施灸者及整个温控***。
3.使用显示模块显示第一、二、三温度传感器采集到的温度，使用户能及时地了解艾灸床燃烧腔内的温度，即使智能控温出现问题，用户也能作出相应的补救措施，避免出现更大的问题。
4.在得到用户设定值与第一、二温度传感器采集到的温度值的差值后，将差值经过模糊算法后输出合理的脉宽调制信号到电机驱动板，进而控制排气扇的开度，使不再需要凭借施灸者的意识及被施灸者的感觉来控制排气扇的关闭或者开启，有利于艾灸的疗效最大化。
5.在电机驱动板和电源模块之间安装过流过压检测模块，以便保护温控***。
附图说明
图1为本发明中一种艾灸床智能温控***的结构示意图；
图2为本发明中用于艾灸床智能温控***的方法的流程图；
图3为本发明中模糊算法的流程框图；
图4为本发明模糊算法中五个模糊子集E的三角形隶属度函数图像；
图5为本发明模糊算法中五个模糊子集EC的三角形隶属度函数图像；
图6为本发明模糊算法中五个模糊子集U的三角形隶属度函数图像。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步说明：
参见附图1所示，本实施例所述的一种艾灸床智能温控***，包括MCU控制模块1、用于采集艾灸床燃烧腔内温度的温度采集模块2、用于设定艾灸床燃烧腔内目标温度值的目标温度值设定模块3、依据温度采集模块2采集到的温度值和通过目标温度值设定模块3设定的目标温度值进行艾灸床燃烧腔内温度调控的调控模块4、用于排烟的排烟模块5、艾条加热模块6、艾条加热控制模块13、过流过压检测模块7、开关模块8、显示模块9、电源模块10以及蜂鸣器12；其中，所述温度采集模块2、目标温度值设定模块3、艾条加热模块6、艾条加热控制模块13、开关模块8、显示模块9均与MCU控制模块1连接；所述调控模块4和排烟模块5与MCU控制模块1之间，设有电机驱动板11，调控模块4和排烟模块5均通过该电机驱动板11与MCU控制模块1连接；所述电源模块10分别与MCU控制模块1、温度采集模块2、艾条加热模块6、电机驱动板11连接，起供电作用；所述过流过压检测模块7连接于电机驱动板11和电源模块10之间，用于保护调控模块4；蜂鸣器12连接于MCU控制模块1和电源模块10之间。
具体地，温度采集模块2包括第一、二、三温度传感器2-1、2-2、2-3以及温度采集单元2-4；温度采集单元2-4与电源模块10连接，第一、二、三温度传感器2-1、2-2、2-3通过该温度采集单元2-4与MCU控制模块1连接；其中，所述第一、二温度传感器2-1、2-2分别置于艾灸床燃烧腔的上半部和下半部；所述第三温度传感器2-3置于艾灸床燃烧腔中间靠近艾条处；
第一、二、三温度传感器2-1、2-2、2-3均为K型热电偶式温度传感器，温度采集单元2-4为热电偶单元。
调控模块4包括第一、二电动推杆4-1、4-2，分别对应温度采集模块2中的第一、二温度传感器2-1、2-2，分别依据第一、二温度传感器2-1、2-2采集到的温度进行调控；且该第一、二电动推杆4-1、4-2均为采用直流24V有刷电机式的电动推杆，而与第一、二电动推杆4-1、4-2配合的电机驱动板11采用MOSFET及IR2104搭建的H桥电路。
排烟模块5为排气扇。
艾条加热模块6包括电磁继电器6-1、第一、二加热棒6-2、6-3；其中，电磁继电器6-1与电源模块10连接，第一、二加热棒6-2、6-3通过该电磁继电器6-1与MCU控制模块1连接。
如图2所示，艾灸床智能温控***的工作原理如下：
S1：通过开关模块10打开***，并进行***初始化；
S2：通过目标温度值设定模块3设定艾灸床燃烧腔内的目标温度值；同时，过流过压检测模块7检测电压及电流是否超过设定的安全值，若超过设定的安全值，说明温控***中存在故障，此时自动断开电源模块10的总电源，以便保护温控***；
S3：通过艾条加热控制模块13控制第一、二加热棒6-2、6-3点燃艾条；
S4：第一、二、三温度传感器2-1、2-2、2-3分别采集艾灸床燃烧腔上下半部以及艾条的温度，并将采集到的温度值显示在显示模块9上；
S5：MCU控制模块1计算目标温度值与第一、二温度传感器采集到的温度值的差值；
若目标温度值与第一温度传感器2-1采集到的温度值的差值等于0，则第一电动推杆4-1以及排气扇5的状态不变；若差值大于0，说明还没有到达目标温度值，此时关闭排气扇5，MCU控制模块1进行模糊算法，控制第一电动推杆4-1的上升的速度；若差值小于0，说明此时的温度已经超过用户设定的目标温度值，需要将第一电动推杆4-1下调，同时开启排气扇5，第一电动推杆4-1下降的速度及排气扇5的转速均通过模糊算法来控制；
若目标温度值与第二温度传感器2-2采集到的温度值的差值等于0，则第二电动推杆4-2以及排气扇5的状态不变；若差值大于0，说明还没有到达目标温度值，此时关闭排气扇5，MCU控制模块1进行模糊算法，控制第二电动推杆4-2的上升的速度；若差值小于0，说明此时的温度已经超过用户设定的目标温度值，需要将第二电动推杆4-2下调，同时开启排气扇5，第二电动推杆4-2下降的速度及排气扇5的转速均通过模糊算法来控制；
同时，第三温度传感器2-3一直处于工作状态，若第三温度传感器2-3返回的温度值高于***设置的安全值，说明艾灸床燃烧腔内可能有着火的现象，此时蜂鸣器12开始鸣叫，同时将第一、二电动推杆4-1、4-2降到最低，随后关闭电源模块10，以便保护使用者及温控***；
S6：若开关模块8一直没有关，则一直循环步骤S5。
如图3所示，采用模糊算法控制第一、二电动推杆4-1、4-2和排气扇5的原理如下：
采用模糊量E,EC,U，精确量e,ec,u，被控对象为第一、二电动推杆及排气扇，通过用户设定值Tset与采集到温度的差值控制第一、二电动推杆与排气扇；具体步骤如下：
1)选择双输入单输出的模糊控制器，并确定输入偏差e的范围为[-20,20]℃、输入偏差变化率ec的范围为[-10,10]℃、电压u的输出范围为[0,20]V；
2)定义输入、输出量的模糊分布；
为了增强***的灵敏性，所有的模糊子集均采用三角形隶属度函数：
选择五个模糊子集E＝[NB NS Z PS PB]，用于涵盖输入偏差e的论域[-20,20]；其三角形隶属度函数图像如图4所示；
选择五个模糊子集EC＝[NB NS Z PS PB]，用于涵盖输入偏差变化率ec的论域[-10,10]；其三角形隶属度函数图像如图5所示；
选择五个模糊子集U＝[NB NS Z PS PB]，用于涵盖输出u的论域[0,24]；其三角形隶属度函数图像如图6所示；
3)建立模糊规则，得到下表1所示的规则表：
表1
每条模糊规则中均存在一个模糊关系Ri(i＝1,2,…25)，该些单个的模糊关系可构成总的模糊关系
4)进行模糊推理和解模糊；
总结出的模糊规则有25条，而输入的偏差e和偏差变化率ec并不能够每次都激活所有的规则，为了减少计算量，可以每次只计算激活的模糊规则。
例如，某时刻K型热电偶采集到的清晰量为e＝-15，ec＝-8。根据E和EC的隶属度函数图像知，清晰量e模糊化后映射到的模糊子集为NB和NS。根据EC的隶属度函数图像知，清晰量ec模糊化后映射到的模糊子集为NB和NS。从模糊控制规则表中可以看出，一般只能激活四条模糊规则，写出相应的蕴涵关系：
if e is NB and ec is NB then U is NB；
if e is NB and ec is NS then U is NB；
if e is NS and ec is NB then U is NB；
if e is NS and ec is NS then U is NM；
对于模糊规则if e is NB and ec is NB then U is NB，定义其输出为U1，NB(-15)＝0.5，NB(-8)＝0.6。则U1＝0.5NB，这里进行的是取小运算；
对于模糊规则if e is NB and ec is NS then U is NB，定义其输出为U2，NB(-15)＝0.5，NS(-8)＝0.38。则U2＝0.38NB，这里进行的是取小运算；
对于模糊规则if e is NS and ec is NB then U is NB，定义其输出为U3，NB(-15)＝0.5，NB(-8)＝0.6。则U2＝0.5NB，这里进行的是取小运算；
对于模糊规则if e is NS and ec is NS then U is NM，定义其输出为U4，NB(-15)＝0.5，NS(-8)＝0.38。则U4＝0.38NM，这里进行的是取小运算；
通过对模糊量U进行去模糊化，可以得到精确量u，可以作用在驱动机构上进行直接控制。主要采用重心法进行解模糊运算。
根据上述公式可得u＝1.08。
本实施例具有能智能调温、自动排烟、避免艾灸床燃烧腔内的艾柱出现着火的现象、利于艾灸的疗效最大化、安全性较高等优点。
以上所述之实施例子只为本发明之较佳实施例，并非以此限制本发明的实施范围，故凡依本发明之形状、原理所作的变化，均应涵盖在本发明的保护范围内。

Claims (8)

1.一种艾灸床智能温控***，其特征在于：包括MCU控制模块(1)、用于采集艾灸床燃烧腔内温度的温度采集模块(2)、用于设定艾灸床燃烧腔内目标温度值的目标温度值设定模块(3)、依据温度采集模块(2)采集到的温度值和通过目标温度值设定模块(3)设定的目标温度值进行艾灸床燃烧腔内温度调控的调控模块(4)、用于排烟的排烟模块(5)、艾条加热模块(6)、艾条加热控制模块(13)、过流过压检测模块(7)、开关模块(8)、显示模块(9)以及电源模块(10)；其中，所述温度采集模块(2)、目标温度值设定模块(3)、艾条加热模块(6)、艾条加热控制模块(13)、开关模块(8)、显示模块(9)均与MCU控制模块(1)连接；所述调控模块(4)和排烟模块(5)与MCU控制模块(1)之间，设有电机驱动板(11)，调控模块(4)和排烟模块(5)均通过该电机驱动板(11)与MCU控制模块(1)连接；所述电源模块(10)分别与MCU控制模块(1)、温度采集模块(2)、艾条加热模块(6)、电机驱动板(11)连接，起供电作用；所述过流过压检测模块(7)连接于电机驱动板(11)和电源模块(10)之间，用于保护调控模块(4)。
2.根据权利要求1所述的一种艾灸床智能温控***,其特征在于：所述温度采集模块(2)包括第一、二、三温度传感器(2-1、2-2、2-3)以及温度采集单元(2-4)；温度采集单元(2-4)与电源模块(10)连接，第一、二、三温度传感器(2-1、2-2、2-3)通过该温度采集单元(2-4)与MCU控制模块(1)连接；其中，所述第一、二温度传感器(2-1、2-2)分别置于艾灸床燃烧腔的上半部和下半部；所述第三温度传感器(2-3)置于艾灸床燃烧腔中间靠近艾条处。
3.根据权利要求2所述的一种艾灸床智能温控***,其特征在于：所述调控模块(4)包括第一、二电动推杆(4-1、4-2)，分别对应温度采集模块(2)中的第一、二温度传感器(2-1、2-2)，分别依据第一、二温度传感器(2-1、2-2)采集到的温度进行调控。
4.根据权利要求3所述的一种艾灸床智能温控***,其特征在于：所述排烟模块(5)为排气扇。
5.根据权利要求4所述的一种艾灸床智能温控***,其特征在于：所述艾条加热模块(6)包括电磁继电器(6-1)、第一、二加热棒(6-2、6-3)；其中，电磁继电器(6-1)与电源模块(10)连接，第一、二加热棒(6-2、6-3)通过该电磁继电器(6-1)与MCU控制模块(1)连接。
6.根据权利要求5所述的一种艾灸床智能温控***,其特征在于：还包括有连接于MCU控制模块(1)和电源模块(10)之间的蜂鸣器(12)。
7.一种用于权利要求6所述艾灸床智能温控***的方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：通过开关模块打开***，并进行***初始化；
S2：通过目标温度值设定模块设定艾灸床燃烧腔内的目标温度值；同时，过流过压检测模块检测电压及电流是否超过设定的安全值，若超过设定的安全值，说明温控***中存在故障，此时自动断开电源模块的总电源，以便保护温控***；
S3：通过艾条加热控制模块控制第一、二加热棒点燃艾条；
S4：第一、二、三温度传感器分别采集艾灸床燃烧腔上下半部以及艾条的温度，并将采集到的温度值显示在显示模块上；
S5：MCU控制模块计算目标温度值与第一、二温度传感器采集到的温度值的差值；
若目标温度值与第一温度传感器采集到的温度值的差值等于0，则第一电动推杆以及排气扇的状态不变；若差值大于0，说明还没有到达目标温度值，此时关闭排气扇，MCU控制模块进行模糊算法，控制第一电动推杆的上升的速度；若差值小于0，说明此时的温度已经超过用户设定的目标温度值，需要将第一电动推杆下调，同时开启排气扇，第一电动推杆下降的速度及排气扇的转速均通过模糊算法来控制；
若目标温度值与第二温度传感器采集到的温度值的差值等于0，则第二电动推杆以及排气扇的状态不变；若差值大于0，说明还没有到达目标温度值，此时关闭排气扇，MCU控制模块进行模糊算法，控制第二电动推杆的上升的速度；若差值小于0，说明此时的温度已经超过用户设定的目标温度值，需要将第二电动推杆下调，同时开启排气扇，第二电动推杆下降的速度及排气扇的转速均通过模糊算法来控制；
同时，第三温度传感器一直处于工作状态，若第三温度传感器返回的温度值高于***设置的安全值，说明艾灸床燃烧腔内可能有着火的现象，此时蜂鸣器开始鸣叫，同时将第一、二电动推杆降到最低，随后关闭电源模块，以便保护使用者及温控***；
S6：若开关模块一直没有关，则一直循环步骤S5。
8.根据权利要求7所述的一种用于艾灸床智能温控***的方法，其特征在于：所述模糊算法采用模糊量E,EC,U，精确量e,ec,u，被控对象为第一、二电动推杆及排气扇，通过用户设定值Tset与采集到温度的差值控制第一、二电动推杆与排气扇；
具体步骤如下：
1)选择双输入单输出的模糊控制器，并确定输入偏差e的范围、输入偏差变化率ec的范围、电压u的输出范围；
2)定义输入、输出量的模糊分布；
其中，所有的模糊子集均采用三角形隶属度函数：
选择五个模糊子集E＝[NB NS Z PS PB]，用于涵盖输入偏差e的论域；
选择五个模糊子集EC＝[NB NS Z PS PB]，用于涵盖输入偏差变化率ec的论域；
选择五个模糊子集U＝[NB NS Z PS PB]，用于涵盖输出u的论域；
3)建立模糊规则，每条模糊规则中均存在一个模糊关系Ri(i＝1,2,…25)，该些单个的模糊关系可构成总的模糊关系
4)进行模糊推理和解模糊；通过重心法对模糊量U进行解模糊运算，得到精确量u，再将其作用在电机驱动板上进行对被控对象的控制。
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