小型化拋棄型醫療藥盒上電子計數方案設計

捷普/耐普羅公司（上海） 王哲恒

0 引言

計數——也就是數數，是算術的基本概念之一。從小我們就被教著用手指來數“1.2.3…”用于對應相應的事情或物體。這也許就是大多數人從小一開始認識到的計數方法。不僅在中國古代，而且在古代歐洲，很早就有“結繩計數”的方法，古老的方法后來發展成刻印計數，并逐漸演變成數字符號，這是一項光輝的成就。

隨著近代和現代電子工業的發展和進步，越來越多的計數器和計數方法的出現，極大豐富了這一領域的技術。同時各種各樣的產品的涌現和各種各樣的使用場合的要求，也從另一方面刺激了電子計數方法的技術的發展。

1 電子計數方法在醫療產品上的運用

自從人類誕生，疾病就開始困惱的人類，影響著人們的生活，為了提升人類的生活品質，醫療產品，醫療器械就孕育而生。它們都是為了滿足特定的功能和需要而設計，服務于各式各樣的人類群體。尤其是近代科技飛躍進步后，小型化的醫療產品越來越多地出現在人們的生活中，而且有很多一部分是可拋棄型的一次性的小型化產品。它們的出現極大地滿足了人們的方便攜帶和簡單易用的使用需求，占據了目前醫療產品領域一塊非常大的份額。

方便，簡單，易用是人們對該類產品的要求，同時作為醫療產品，安全，有效也是衡量產品的重要標桿。因此讓產品智能化是實現這些目標的重要方法。在如何實現產品智能化的道理上，精準的計數功能的實現是很多醫療產品需要滿足的重要基石。

很多特殊疾病如哮喘，心臟，癲癇等疾病的患者需要在日常生活中時刻帶著藥，以便在突發狀況下能夠及時服藥以控制或者緩解病情癥狀，更好的融入正常人的生活。一種方便攜帶的小型化的藥盒非常常見，公司開發出一套智能的計數裝置能很好的集成到小型藥盒上，可以實現產品自動監測病人用藥的狀況，藥盒所剩余的藥量，控制藥盒內的安全的藥量，實現及時，提前提醒病人的功能。

2 智能電子計數方案

2.1 磁感應計數法

磁場是自然界中最常見的一種物理場，它雖然是看不見，摸不著的特殊物質，但是它是客觀存在的。同時磁場具有波粒的輻射特性，這使得磁鐵之間不需要相互接觸也能發生相互作用。和電場相似，磁鐵周圍的磁場是一定空間區域內聯系分布的向量場。

霍爾效應是一種應用很廣的電磁效應，當電流垂直于外磁場通過導體時，載流子發生偏轉，垂直于電流和磁場的方向會產生一附加電場，從而在導體的兩端產生電勢差，這一現象就是霍爾效應，這個電勢差也被稱為霍爾電勢差。霍爾傳感器就是用這個原理做成的一種磁電相互關聯的傳感器。當外界的磁場發生變化時，霍爾傳感器能偵測出磁場的微弱變化。

公司目前設計的小型藥盒中有一系列旋轉的齒輪零件，當藥盒的主動齒輪在外界的旋轉推力的作用下旋轉運動后，通過一系列的齒輪傳動帶動，將固定在藥帶上的藥粉顆粒旋轉帶出。基于這樣的基本運動原理，配合選擇磁體產生變化磁場的原理，于是設計誕生了磁感應方案。

圖1

圖2 磁場圖

圖3

具體設計思路，如圖1所示在一個旋轉的齒輪上，根據設計要安裝四個圓柱形小磁鐵（紅色箭頭所指），在對應的磁鐵旋轉運動規矩的上方有一霍爾傳感器（藍色零件）。每個磁體都會形成如圖2所示的磁場，當該磁輪旋轉一周，并展開成平面時，就形成圖2中的磁場平面分布圖。對于固定在磁鐵上方的某一位置的霍爾傳感器，就可以得到圖3所示的磁場強度變化曲線，從而通過計算電路回路中電壓的變化，對應得出磁場的變化，從而感知齒輪零件的旋轉角度。

由于圓柱形磁體的制作和安裝有其尺寸和長度的要求，如上述方案，磁場的最小變化精度為四分之一圓周，即90度。當如果遇到需要更加精密的角度控制偵測時，即需要更加緊密的磁極排布，因此環形磁片式方案可以滿足這樣的需求，

圖4

圖5

如圖4所示，環形的磁極片緊密排布了更多的磁極，下方的霍爾傳感器就能偵測到更小的角度旋轉量。對應于實際產品齒輪，設計了如圖5所示的淡紅色的變化磁環來達到使用要求。

具體的設計實踐中，選擇合適的磁鐵的型號和尺寸以配合現有的齒輪零件是設計的關鍵，設計團隊使用分析軟件對磁場的空間分布進行模擬，量化取得磁場強度的空間分布圖，同時配合藥盒的結構，找到合適的霍爾傳感器的安裝固定位置，配合相關的放大電路及完成了磁感應計數的方案設計

2.2 微動撥桿開關計數法

在同樣的藥盒產品中，由于使用到一系列的齒輪傳動，齒輪的每個齒距是均勻分布的，因此齒輪的每一次旋轉都意味著有相對應數量的輪齒經過。根據這樣的基本原則，如果能準確地計算出在一次連續運動中有多少齒數通過某一固定參照點，就可以計算出該齒輪旋轉的角度，進而實現對藥品用量的計數功能。

圖6

如圖6所示，當綠色的齒輪逆時針方向旋轉時，每一個齒輪輪齒經過撥桿開關的位置時，輪齒會推動和按壓開關的推桿并激發開關。開關的一次開閉即代表一個輪齒通過。配合相應的電路設計檢測出對應的電路上的通斷次數，既可以準確的計算齒輪的選擇角度和對應的用藥狀況。

圖7

圖8

撥桿式微動開關是一種非常常見的電子器件，市面上的類型和樣式成千上萬種，考慮到在藥盒產品中使用，體積尺寸，準確性是零件選型的重點，對于一款拋棄型產品，開關行業零件本身的壽命是遠遠大于藥盒內藥量所需要計量的使用次數，但是對于零件的成本價格卻提出了苛刻的要求。因此如何開發出有競爭性的開關零件是這個計數方案能否運用于拋棄型醫療產品的關鍵。

微動開關的基本組成包括：驅動桿，觸點，可動片，端子，外殼這幾大部分（圖7所示）。其中外殼體一般都采用工程塑料制作，驅動桿配合外部的驅動機構會有不同的長度，形狀。零件內部的可動片和觸電及連接端子的設計是零件的關鍵，很大程度上決定了零件的成本和品質。設計過程中，通過計算齒輪的大小直徑和每個輪齒旋轉的角度，進而計算出能夠撥動開關驅動片的形變位移。經零件的簡化設計，定制出圖8所示的簡易開關。撥桿位于中間，兩端有觸點，在正常情況下，開關零件處于短路位置，零件安裝到位后，中間的長撥桿嵌入到輪齒中間，當齒輪轉動后，中間的撥桿在外力作用下向左或向右變形，和旁邊的觸點接觸，回路接通，完成一次激發，即完成一次計數。

3 系統整合集成

有了成熟可行的技術方案，在具體的設計實現過程中，仍需要多方面的考慮才能實現技術與產品的完美整合，如，針對一次性藥盒類的醫療產品，如何實現大規模的自動化量產要求，如何確保產品的穩定可靠，如何對新增加的新零件進行消毒處理，確保安全，等等。

在具體的產品設計中，工程設計人員通過多方面合作，設計研究了磁體本體與塑膠齒輪的一體模具成型工藝，自動點膠安裝工藝，塑膠和磁鐵成型后的后充磁工藝，配合電路板器件的防水涂布工藝等，為技術方案的準確實施奠定了基礎。

4 結語與討論

隨著產品設計的不斷進步，越來越多的方便可靠的醫療產品走入人們的視野，一項項實用的功能背后是很多扎實的基礎技術的累計。如在本文中提到的，磁電轉換技術是成熟的方案，在很多領域都被廣泛運用，微動開關更是非常普遍的電子元件，如何使的成熟的技術，普通的電子元件成功移植到新的產品，使得產品煥發新的生命，技術得到進一步的拓展需要每個設計人仔細，周到和心中的執著。