邱帥，嚴榮國，張智豪，王成，王艷

(上海理工大學(xué)醫(yī)療器械與食品學(xué)院，上海 200093)

1 引 言

一次性使用子母式集尿袋是國家I類醫(yī)療用品，與導(dǎo)尿管配合，供患者收集、貯存尿液和檢驗采樣使用，也可與其他器械配合用于傷口引流液的收集[1]。集尿袋在搶救危重病患者、手術(shù)和疾病診斷、治療中發(fā)揮著重要作用[2],可以幫助排尿困難患者引流出尿液，還有助于記錄患者每小時尿量，方便觀察患者出入量是否平衡，為患者病情變化提供有效的依據(jù)，不僅降低了泌尿系統(tǒng)感染的發(fā)生率，同時減輕護士的工作量，值得臨床推廣應(yīng)用[3]。

目前市場上流通和醫(yī)院使用的很多集尿袋只具備簡單的尿液收集功能，需要護士不定時的檢查集尿袋的尿液量，防止集尿袋內(nèi)尿液過多感染患者尿路[4]，尤其是晚上，對護士或者陪護人員更是一種體力和精神的雙重考驗；而且現(xiàn)存的報警檢測裝置容易污染尿液，影響后續(xù)尿液檢測[5]的準確性。對于一次性集尿袋使用多長時間、更換的時限，目前尚無統(tǒng)一的標準[6]。為此，本研究擬根據(jù)陳維英主編的《基礎(chǔ)護理學(xué)》中1天更換1次集尿袋的要求[7]，借助一顆3V CR2032紐扣電池、單片機系統(tǒng)、紅外對管和電壓比較器，采用非接觸式檢測方法檢測集尿袋子袋是否集夠報警高度尿液。

2 設(shè)計原理與實現(xiàn)方法

2.1 液位檢測器設(shè)計要求及原理

目前應(yīng)用到各個領(lǐng)域的液位檢測傳感技術(shù)已經(jīng)十分成熟，液位檢測所用到的傳感器也各式各樣[8],按原理分為浮子式、壓力式、電容式、光纖式等[9]?？紤]到子母式集尿袋(見圖1)報警裝置的實際工作環(huán)境與功能要求，一方面要求保證不污染已收集尿液，另一方面要求可以改善本集尿袋報警裝置的工作環(huán)境，增強其穩(wěn)定性，減輕醫(yī)務(wù)人員工作量。基于以上兩點考慮，以上幾種液位檢測方法均不適用于本集尿袋的檢測，本設(shè)計選用的是非接觸式紅外對管檢測法。紅外對管是一種利用紅外線為介質(zhì)的測量系統(tǒng)，安裝在集尿袋子帶外，不污染已收集尿液，不影響后續(xù)尿檢。紅外對管法檢測液位原理見圖2。我們選取的是市場上普遍使用，厚度為1.5 mm的透明醫(yī)用級PVC制成的子母式集尿袋。

圖1 子母式集尿袋

尿液通過輸尿管進入到集尿袋子袋，在子袋報警高度的兩側(cè)分別放置紅外發(fā)光二極管和光敏二極管。單片機產(chǎn)生脈沖寬度調(diào)制波(pulse width modulation，PWM)控制紅外發(fā)光二極管工作，當子袋中的尿液高度達到報警高度時，光敏二極管接收到的紅外光變少，其兩端壓降增大，然后濾波穩(wěn)壓，將此電壓與電壓比較器設(shè)定的參考電壓進行比較，電壓比較器將會在高低電壓間轉(zhuǎn)化(即單電機可識別的1或0)，如果比設(shè)定的電壓高，輸出高電平(信號1)，否則輸出低電平(信號0)，單片機系統(tǒng)分析此信號后，控制蜂鳴器報警和時間，從而實現(xiàn)報警功能。

圖3(a)為本裝置原理框圖，實物裝置見圖3(b),裝置電路板原理圖見圖3(c)。

圖2 紅外對管法檢測液位原理圖

圖3 設(shè)計原理圖

2.2 紅外對管

紅外對管是紅外發(fā)光二極管和光敏二極管的統(tǒng)稱，它是一種在自動化檢測和控制中常用的光電傳感器[10]。

紅外發(fā)光二極管較常用的波段主要有三個：850、875和940 nm。根據(jù)波長的特性規(guī)律，940 nm波長主要應(yīng)用于醫(yī)療設(shè)備[11]。通過查閱資料和多次對比試驗，本設(shè)計選用的紅外發(fā)光二極管型號為：TKIRA3012C2，單只額定電壓3 V，額定電流20 mA，直徑3 mm，波長940 nm。光敏二極管的型號為：PT3012F-T, 單只額定電壓3 V，額定電流20 mA，直徑3 mm。安裝紅外對管時，應(yīng)將紅外發(fā)光二極管的發(fā)光面與光敏二極管的光敏面對準，即光敏面與發(fā)光面置于同一主軸線上。

2.3 單片機系統(tǒng)與PWM技術(shù)

本設(shè)計使用的單片機—ATtiny13A，是高性能、低功耗的8位AVR微處理器， ATtiny13A片內(nèi)集成豐富的硬件資源，可大大簡化系統(tǒng)外圍電路，提高系統(tǒng)可靠性，減少系統(tǒng)體積[12-13]。ATtiny13A十分適合體積小的節(jié)能或控制器。

PWM技術(shù)目前廣泛應(yīng)用于電機驅(qū)動和電源等系統(tǒng)中[14]。通常PWM信號在數(shù)字系統(tǒng)中通過構(gòu)造隨系統(tǒng)時鐘遞增/遞減的數(shù)據(jù)模擬鋸齒波(載波)信號，輸出為0/1(即占空比數(shù)據(jù))，只存在兩種狀態(tài)(高電平和低電平)，PWM非常適合二進制系統(tǒng)。

2.4 電路分析與仿真

電路分為三個部分，第一部分為穩(wěn)壓輸入電路，第二部分為光電轉(zhuǎn)換與電壓處理電路，第三部分為蜂鳴器報警電路。

本設(shè)計為電池供電，在使用過程中電池電壓會降低，因此，本電路需要一個穩(wěn)定的電壓源，電壓源用XC6206P202MR穩(wěn)壓芯片將從紐扣電池輸入到電路的電壓穩(wěn)定在2.1 V左右。

光電轉(zhuǎn)換與電壓處理電路是本設(shè)計的重點電路，此部分用來判斷子袋是否集滿報警高度的尿液，并處理收集到的信號，方便后面的電路使用。首先，根據(jù)工程運用特點并為了直觀了解本電路實際電壓情況，先進行數(shù)值估算。

當光敏二極管接收到紅外光時，三極管作為開關(guān)導(dǎo)通，因此，三極管可以近似等效電路見圖4。

圖4 三極管導(dǎo)通等效電路

圖5 等效電路

因此，整個接收到紅外光的電路可以近似等效為如圖5所示。

在圖5等效電路中，根據(jù)戴維南定理可知：

I1+I2+I6=I3+I4+I5

(1)

在工程中，取UBE=0.7 V,UCE=0.4 V半導(dǎo)體二極管1N4148的電壓值UD=0.45 V。

所以

I1=(VCC-UBE-UD-U0)/RD2

(2)

I2=(VCC-UCE-UD-U0)/R2

(3)

I3≈0

(4)

I4≈U0/R3

(5)

I5≈U0/R4

(6)

I6=(VCC-U0)/R5

(7)

其中，VCC=2.1 V,RD2=50 KΩ，R3=R4=100 KΩ,R5=33 KΩ,將公式(2)、(3)、(4)、(5)、(6)和(7)代入公式(1)，解得U0≈1.33 V。

當光敏二極管接收不到紅外光截止時，三極管Q2也進入截止狀態(tài)，相當于開關(guān)斷開，因此，三極管可以近似等效電路，見圖7。

同時紅外光接收電路等效電路見圖7。

圖6 三極管截止等效電路

圖7 等效電路

在圖7等效電路中，根據(jù)戴維南定理，公式(5)同樣成立，由于三級截止，所以I1≈I2≈0，將公式(4)、(5)、(6)和(7)代入公式(1)，解得U0≈0.42 V。

由以上兩個結(jié)果可知，兩種情況下，經(jīng)光電轉(zhuǎn)換與電壓處理電路輸出的電壓值有很大差別，說明本文設(shè)計的電路可以清晰的區(qū)分光敏二極管被遮住與否的情況。

為了更加直觀的了解電路各個重要節(jié)點的電壓變化情況，本設(shè)計借助電子軟件進行仿真。首先，仿真光敏二極管可以接收到紅外光的情況，在Multisim 12.0[15-16]電路工作區(qū)搭載起如圖8仿真電路。仿真結(jié)果見圖9。

圖8 仿真電路

圖9 仿真結(jié)果

光敏二極管接收不到紅外光時，可用一個普通PN結(jié)二極管代替光敏二極管進行仿真。搭載如圖10的電路，用來檢測此電路的電壓信號變化情況。仿真結(jié)果見圖11。

圖10 仿真電路

由圖9、圖11的仿真結(jié)果可知，在光敏二極管接收到紅外光與接收不到紅外光的兩種情況下，經(jīng)光敏二極管的波形L2不同，但是兩個信號存在波峰波谷交叉的情況，不利于電壓比較器區(qū)分。經(jīng)過電壓處理電路之后，圖9電壓信號L4的波谷值大于圖11的波峰值，這樣就便于電壓比較器區(qū)分兩種情況的電壓值，同時說明本部分電路設(shè)計的可行性。

圖11 仿真結(jié)果

2.5 單片機的軟件流程

單片機中的軟件流程圖見圖12。

圖12 軟件流程圖

單片機使用前需要系統(tǒng)初始化。本裝置是電池供電，為減少功耗并保證使用時長，初始化時應(yīng)關(guān)閉單片機在本設(shè)計中不需要的其它功能。單片機由MOSI引腳產(chǎn)生頻率為120 Hz、占空比為49.22%的PWM方波脈沖信號控制紅外發(fā)光二極管工作方式。單片機一直讀取并判斷PB3引腳(連接SOUT)的電壓，如果為低電平，則延時進行“消抖”處理，再次判斷PB3引腳是否為低電平，如果PB3仍為低電平，則PB4輸出高電平，三極管導(dǎo)通，蜂鳴器進入報警模式，報警模式為：先報警30 s，然后暫停報警30 s，再報警30 s，依次循環(huán)3次。否則，如果PB3兩次判斷中不全為低電平，則進行重新判斷，直至符合條件，蜂鳴器進入報警模式。

3 實驗結(jié)果與分析

3.1 實驗結(jié)果測量

我們設(shè)計PCB板外形尺寸為：43 mm×25 mm×1.5 mm，焊接后高度為10.5 mm，見圖3(b)。

焊接電路板后安裝紅外對管，調(diào)整校正電位器值，為更加準確的觀察電路電壓變化情況，采用了Tektronix公司生產(chǎn)的MDO3012型示波器進行觀測。觀測時，同樣選取了單片機MOSI引腳、光敏二極管被擋住和未被擋住時Q2發(fā)射極處、LM393引腳INA+處的波形圖。見圖13。

3.2 實驗結(jié)果與分析

通過比較圖13實驗結(jié)果波形圖可知，在光敏二極管被遮住和未被遮住的情況下，Q2基極處波形已有很大的區(qū)分，再次經(jīng)過濾波穩(wěn)壓電路之后，兩種情況下的波形具有了很高的區(qū)分度，可以觀察到圖13(d)波形的波谷明顯高于圖13(e)的波峰。

雙電壓比較器LM393設(shè)置的參考基準電壓是0.7 V，大于圖13(e)的波峰值，小于圖13(d)的波谷值。理論上大于0.7 V時輸出高電平，小于0.7 V時輸出低電平。經(jīng)過測量，低電平為0.1 V，高電平為2.0 V。

在此情況下，只要集尿袋內(nèi)的尿液高度達到或者超過報警高度線，蜂鳴器就會啟動報警模式。

由表1可知，經(jīng)過10次試驗，本裝置在使用中24 h(一天一夜)之后，電池剩余電量仍在2.20 V以上，大于穩(wěn)壓芯片的電壓(2.10 V)，所以一顆3 V CR2032紐扣電池可以滿足電量消耗。

3.3 誤差分析

由于光敏二極管對光照很敏感，所以，使用時本設(shè)計會受到環(huán)境光照的影響，例如在黑暗中或在強烈燈光下，光敏二極管接收紅外光的量會發(fā)生變化。使用時要在紅外發(fā)光二極管和光敏二極管外部套一個Φ4 mm×5 mm的黑色紙環(huán)，根據(jù)尿液外觀透明度，選取清晰透明、微混、渾濁、明顯渾濁四種尿液[17]，選擇病房8:00、14：00、16:00與22:00四個時間點，經(jīng)過三天12組實驗對比發(fā)現(xiàn)，加裝紙環(huán)后，光照影響可以忽略不計，報警裝置可以正常工作。

子母式集尿袋內(nèi)尿液在上升過程中，是逐漸遮擋住光敏二極管接收到的紅外光，換句話說，光敏二極管接收到紅外光是逐漸減少到零的，因此，開啟報警時間會有一定滯后?？紤]到本裝置的目的是為了提高臨床自動化水平與提醒醫(yī)務(wù)工作者更換集尿袋，對時間的精度要求不高，因此，滯后時間是可以忽略不計的。

(a)

(c)

(d)

(e)

表1 使用24h后電壓值(單位：V)

4 討論

我們設(shè)計的子母式集尿袋聲光報警裝置可以順利實現(xiàn)檢測子袋內(nèi)尿液是否達到報警高度并報警的功能。與市場上現(xiàn)有集尿袋對比，能夠提高臨床自動化水平，減少醫(yī)務(wù)工作者的工作量。本研究還需設(shè)計一套將報警裝置安裝在子母式集尿袋上的殼體，其內(nèi)部設(shè)計專門卡槽固定電路板、紅外對管、電池底座和電線，開關(guān)安裝在殼體外部，方便醫(yī)務(wù)人員操作。后續(xù)工作應(yīng)集中在探尋更好的方法延長使用時間，提高循環(huán)利用率，建立多套集尿袋的實時檢測系統(tǒng)站等。