子母式集尿袋聲光報警技術的設計

邱帥，嚴榮國，張智豪，王成，王艷

(上海理工大學醫療器械與食品學院，上海 200093)

1 引 言

一次性使用子母式集尿袋是國家I類醫療用品，與導尿管配合，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、手術和疾病診斷、治療中發揮著重要作用[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，不僅降低了泌尿系統感染的發生率，同時減輕護士的工作量，值得臨床推廣應用[3]。

目前市場上流通和醫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；而且現存的報警檢測裝置容易污染尿液，影響后續尿液檢測[5]的準確性。對于一次性集尿袋使用多長時間、更換的時限，目前尚無統一的標準[6]。為此，本研究擬根據陳維英主編的《基礎護理學》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、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 設計原理與實現方法

2.1 液位檢測器設計要求及原理

目前應用到各個領域的液位檢測傳感技術已經十分成熟，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]。考慮到子母式集尿袋(見圖1)報警裝置的實際工作環境與功能要求，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境，增強其穩定性，減輕醫務人員工作量。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的測量系統，安裝在集尿袋子帶外，不污染已收集尿液，不影響后續尿檢。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分別放置紅外發光二極管和光敏二極管。單片機產生脈沖寬度調制波(pulse width modulation，PWM)控制紅外發光二極管工作，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，然后濾波穩壓，將此電壓與電壓比較器設定的參考電壓進行比較，電壓比較器將會在高低電壓間轉化(即單電機可識別的1或0)，如果比設定的電壓高，輸出高電平(信號1)，否則輸出低電平(信號0)，單片機系統分析此信號后，控制蜂鳴器報警和時間，從而實現報警功能。

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 設計原理圖

2.2 紅外對管

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

紅外發光二極管較常用的波段主要有三個：850、875和940 nm。根據波長的特性規律，940 nm波長主要應用于醫療設備[11]。通過查閱資料和多次對比試驗，本設計選用的紅外發光二極管型號為：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，應將紅外發光二極管的發光面與光敏二極管的光敏面對準，即光敏面與發光面置于同一主軸線上。

2.3 單片機系統與PWM技術

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

PWM技術目前廣泛應用于電機驅動和電源等系統中[14]。通常PWM信號在數字系統中通過構造隨系統時鐘遞增/遞減的數據模擬鋸齒波(載波)信號，輸出為0/1(即占空比數據)，只存在兩種狀態(高電平和低電平)，PWM非常適合二進制系統。

2.4 電路分析與仿真

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

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

光電轉換與電壓處理電路是本設計的重點電路，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，先進行數值估算。

當光敏二極管接收到紅外光時，三極管作為開關導通，因此，三極管可以近似等效電路見圖4。

圖4 三極管導通等效電路

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，相當于開關斷開，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。

由以上兩個結果可知，兩種情況下，經光電轉換與電壓處理電路輸出的電壓值有很大差別，說明本文設計的電路可以清晰的區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點的電壓變化情況，本設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]電路工作區搭載起如圖8仿真電路。仿真結果見圖9。

圖8 仿真電路

圖9 仿真結果

光敏二極管接收不到紅外光時，可用一個普通PN結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。仿真結果見圖11。

圖10 仿真電路

由圖9、圖11的仿真結果可知，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分。經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分兩種情況的電壓值，同時說明本部分電路設計的可行性。

圖11 仿真結果

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，初始化時應關閉單片機在本設計中不需要的其它功能。單片機由MOSI引腳產生頻率為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 實驗結果與分析

3.1 實驗結果測量

我們設計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發射極處、LM393引腳INA+處的波形圖。見圖13。

3.2 實驗結果與分析

通過比較圖13實驗結果波形圖可知，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分，再次經過濾波穩壓電路之后，兩種情況下的波形具有了很高的區分度，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，使用時本設計會受到環境光照的影響，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生變化。使用時要在紅外發光二極管和光敏二極管外部套一個Φ4 mm×5 mm的黑色紙環，根據尿液外觀透明度，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，經過三天12組實驗對比發現，加裝紙環后，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。考慮到本裝置的目的是為了提高臨床自動化水平與提醒醫務工作者更換集尿袋，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

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