捷普/耐普罗公司（上海） 王哲恒

0 引言

计数——也就是数数，是算术的基本概念之一。从小我们就被教着用手指来数“1.2.3…”用于对应相应的事情或物体。这也许就是大多数人从小一开始认识到的计数方法。不仅在中国古代，而且在古代欧洲，很早就有“结绳计数”的方法，古老的方法后来发展成刻印计数，并逐渐演变成数字符号，这是一项光辉的成就。

随着近代和现代电子工业的发展和进步，越来越多的计数器和计数方法的出现，极大丰富了这一领域的技术。同时各种各样的产品的涌现和各种各样的使用场合的要求，也从另一方面刺激了电子计数方法的技术的发展。

1 电子计数方法在医疗产品上的运用

自从人类诞生，疾病就开始困恼的人类，影响着人们的生活，为了提升人类的生活品质，医疗产品，医疗器械就孕育而生。它们都是为了满足特定的功能和需要而设计，服务于各式各样的人类群体。尤其是近代科技飞跃进步后，小型化的医疗产品越来越多地出现在人们的生活中，而且有很多一部分是可抛弃型的一次性的小型化产品。它们的出现极大地满足了人们的方便携带和简单易用的使用需求，占据了目前医疗产品领域一块非常大的份额。

方便，简单，易用是人们对该类产品的要求，同时作为医疗产品，安全，有效也是衡量产品的重要标杆。因此让产品智能化是实现这些目标的重要方法。在如何实现产品智能化的道理上，精准的计数功能的实现是很多医疗产品需要满足的重要基石。

很多特殊疾病如哮喘，心脏，癫痫等疾病的患者需要在日常生活中时刻带着药，以便在突发状况下能够及时服药以控制或者缓解病情症状，更好的融入正常人的生活。一种方便携带的小型化的药盒非常常见，公司开发出一套智能的计数装置能很好的集成到小型药盒上，可以实现产品自动监测病人用药的状况，药盒所剩余的药量，控制药盒内的安全的药量，实现及时，提前提醒病人的功能。

2 智能电子计数方案

2.1 磁感应计数法

磁场是自然界中最常见的一种物理场，它虽然是看不见，摸不着的特殊物质，但是它是客观存在的。同时磁场具有波粒的辐射特性，这使得磁铁之间不需要相互接触也能发生相互作用。和电场相似，磁铁周围的磁场是一定空间区域内联系分布的向量场。

霍尔效应是一种应用很广的电磁效应，当电流垂直于外磁场通过导体时，载流子发生偏转，垂直于电流和磁场的方向会产生一附加电场，从而在导体的两端产生电势差，这一现象就是霍尔效应，这个电势差也被称为霍尔电势差。霍尔传感器就是用这个原理做成的一种磁电相互关联的传感器。当外界的磁场发生变化时，霍尔传感器能侦测出磁场的微弱变化。

公司目前设计的小型药盒中有一系列旋转的齿轮零件，当药盒的主动齿轮在外界的旋转推力的作用下旋转运动后，通过一系列的齿轮传动带动，将固定在药带上的药粉颗粒旋转带出。基于这样的基本运动原理，配合选择磁体产生变化磁场的原理，于是设计诞生了磁感应方案。

图1

图2 磁场图

图3

具体设计思路，如图1所示在一个旋转的齿轮上，根据设计要安装四个圆柱形小磁铁（红色箭头所指），在对应的磁铁旋转运动规矩的上方有一霍尔传感器（蓝色零件）。每个磁体都会形成如图2所示的磁场，当该磁轮旋转一周，并展开成平面时，就形成图2中的磁场平面分布图。对于固定在磁铁上方的某一位置的霍尔传感器，就可以得到图3所示的磁场强度变化曲线，从而通过计算电路回路中电压的变化，对应得出磁场的变化，从而感知齿轮零件的旋转角度。

由于圆柱形磁体的制作和安装有其尺寸和长度的要求，如上述方案，磁场的最小变化精度为四分之一圆周，即90度。当如果遇到需要更加精密的角度控制侦测时，即需要更加紧密的磁极排布，因此环形磁片式方案可以满足这样的需求，

图4

图5

如图4所示，环形的磁极片紧密排布了更多的磁极，下方的霍尔传感器就能侦测到更小的角度旋转量。对应于实际产品齿轮，设计了如图5所示的淡红色的变化磁环来达到使用要求。

具体的设计实践中，选择合适的磁铁的型号和尺寸以配合现有的齿轮零件是设计的关键，设计团队使用分析软件对磁场的空间分布进行模拟，量化取得磁场强度的空间分布图，同时配合药盒的结构，找到合适的霍尔传感器的安装固定位置，配合相关的放大电路及完成了磁感应计数的方案设计

2.2 微动拨杆开关计数法

在同样的药盒产品中，由于使用到一系列的齿轮传动，齿轮的每个齿距是均匀分布的，因此齿轮的每一次旋转都意味着有相对应数量的轮齿经过。根据这样的基本原则，如果能准确地计算出在一次连续运动中有多少齿数通过某一固定参照点，就可以计算出该齿轮旋转的角度，进而实现对药品用量的计数功能。

图6

如图6所示，当绿色的齿轮逆时针方向旋转时，每一个齿轮轮齿经过拨杆开关的位置时，轮齿会推动和按压开关的推杆并激发开关。开关的一次开闭即代表一个轮齿通过。配合相应的电路设计检测出对应的电路上的通断次数，既可以准确的计算齿轮的选择角度和对应的用药状况。

图7

图8

拨杆式微动开关是一种非常常见的电子器件，市面上的类型和样式成千上万种，考虑到在药盒产品中使用，体积尺寸，准确性是零件选型的重点，对于一款抛弃型产品，开关行业零件本身的寿命是远远大于药盒内药量所需要计量的使用次数，但是对于零件的成本价格却提出了苛刻的要求。因此如何开发出有竞争性的开关零件是这个计数方案能否运用于抛弃型医疗产品的关键。

微动开关的基本组成包括：驱动杆，触点，可动片，端子，外壳这几大部分（图7所示）。其中外壳体一般都采用工程塑料制作，驱动杆配合外部的驱动机构会有不同的长度，形状。零件内部的可动片和触电及连接端子的设计是零件的关键，很大程度上决定了零件的成本和品质。设计过程中，通过计算齿轮的大小直径和每个轮齿旋转的角度，进而计算出能够拨动开关驱动片的形变位移。经零件的简化设计，定制出图8所示的简易开关。拨杆位于中间，两端有触点，在正常情况下，开关零件处于短路位置，零件安装到位后，中间的长拨杆嵌入到轮齿中间，当齿轮转动后，中间的拨杆在外力作用下向左或向右变形，和旁边的触点接触，回路接通，完成一次激发，即完成一次计数。

3 系统整合集成

有了成熟可行的技术方案，在具体的设计实现过程中，仍需要多方面的考虑才能实现技术与产品的完美整合，如，针对一次性药盒类的医疗产品，如何实现大规模的自动化量产要求，如何确保产品的稳定可靠，如何对新增加的新零件进行消毒处理，确保安全，等等。

在具体的产品设计中，工程设计人员通过多方面合作，设计研究了磁体本体与塑胶齿轮的一体模具成型工艺，自动点胶安装工艺，塑胶和磁铁成型后的后充磁工艺，配合电路板器件的防水涂布工艺等，为技术方案的准确实施奠定了基础。

4 结语与讨论

随着产品设计的不断进步，越来越多的方便可靠的医疗产品走入人们的视野，一项项实用的功能背后是很多扎实的基础技术的累计。如在本文中提到的，磁电转换技术是成熟的方案，在很多领域都被广泛运用，微动开关更是非常普遍的电子元件，如何使的成熟的技术，普通的电子元件成功移植到新的产品，使得产品焕发新的生命，技术得到进一步的拓展需要每个设计人仔细，周到和心中的执着。