微機(jī)自動控制動物飲食行為檢測儀的研制

袁 勇，葛爾寧

（浙江中醫(yī)藥大學(xué)，杭州 310053）

動物記憶行為實驗近年來已被許多醫(yī)藥及食品界的研究者們所重視。在許多情況下進(jìn)行動物記憶行為試驗是必要的，如液態(tài)及沖劑型藥物的味覺實驗、新研制食品的味覺實驗、飲料的耐喝性實驗等等。作為可自動檢測動物記憶行為的一種有效手段，在業(yè)界得到推廣應(yīng)用的前景樂觀。為此研制一種適用于特定大小動物的數(shù)字顯示全自動控制式三通道動物飲食記憶行為檢測儀。

類似實驗?zāi)壳霸跇I(yè)界仍采用手記和錄像監(jiān)測的方法進(jìn)行，因該類實驗時間較長，實驗人員的疲勞和人為記錄誤差都是較大的問題，同類成型的自動化實驗測試儀器目前國內(nèi)未見有報道，也未見有進(jìn)口的。采用現(xiàn)代微電腦控制的自動化動物飲食記憶行為檢測儀來替代落后的手動或錄像監(jiān)測實驗是該領(lǐng)域測試手段和技術(shù)發(fā)展的必然趨勢。

本文采用51系列單片微機(jī)控制和記憶系統(tǒng)結(jié)合紅外傳感器、壓力傳感器、減速馬達(dá)和光電傳感器組合控制電路［1-4］，自動記錄動物在特定設(shè)計的三個通道內(nèi)穿梭行為的次數(shù)，進(jìn)而推斷動物對不同飲食的選擇行為。設(shè)計思路具一定的創(chuàng)新性和先進(jìn)性，儀器可用于多學(xué)科實驗研究領(lǐng)域。

1 儀器設(shè)計、研制

儀器整體構(gòu)思和設(shè)計共分實驗通道、傳感器和電子門、系統(tǒng)控制部分、系統(tǒng)軟件、控制器面板等5部分：

1.1 實驗通道設(shè)計

1.1.1 整個實驗通道由3個相同尺寸且相互垂直的單一功能通道組成，并通過一條“入/出口”功能通道連接成╋字形，見圖1。

1.1.2 實驗通道設(shè)計成能滿足做特定大小動物的實驗，通道長度設(shè)計已考慮到被測動物的長度、尾巴干擾等因素，定為50g以下7g以上，體長（包括尾巴）小于200mm的動物。在此條件下，單一通道的尺寸設(shè)計成：半圓柱體部分為Φ50mm×350mm，用透明材料；末端飲食區(qū)尺寸為70mm×70mm×高65mm，用不透明材料，“入/出口”通道尺寸Φ50mm×180mm，用透明材料。

圖1 儀器結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Diagram of the structural of the instrument

1.2 傳感器和電子門設(shè)計

1.2.1 以紅外傳感器D（D1、D2、D3、D4）作為信號采集源，安裝在距各通道起始75mm位置，這樣，在動物經(jīng)過時就可獲取一信號。控制程序設(shè)計時考慮去除因動物尾部引起的干擾信號。見圖1中D1、D2、D3、D4。

1.2.2 控制各通道開啟和關(guān)閉的電子門采用減速電機(jī)和光電傳感器組合功能設(shè)計，安裝在紅外傳感器的前面，距各通道起始55mm位置，如此可消除動物尾部對各通道的信號干擾。由控制器控制各電子門的開/關(guān)。見圖1中a1、a2、a3。

1.2.3 采用壓力傳感器C（C1、C2、C3）來傳遞各食物皿中食物是否缺少信息，在3個檢測通道的末端均有一個食物添加皿和飲料瓶放入口，食物添加皿下端均有壓力傳感器，開啟電源后，當(dāng)皿中食物少于某一水平時，壓力傳感器C1或C2或C3將傳遞一信號至控制器，由控制器發(fā)出相應(yīng)光電報警信號。加滿一次飲料至少可供3天實驗，無需設(shè)置報警。見圖1中C1、C2、C3。

1.3 系統(tǒng)控制部分設(shè)計

采用51系列通用單片微機(jī)為主控芯片，控制3個通道信號的輸入/輸出、并顯示來自各實驗單元的實驗信息。控制框圖見圖2：

圖2 電路控制原理框圖Fig.2 Diagram of the structural of control system

系統(tǒng)控制部分包括按鈕輸入部分、顯示部分、報警部分、以及帶微機(jī)的控制電路部分。各功能模塊具體介紹如下：

1.3.1 按鈕輸入部分：

1.3.1.1 清零/開始按紐：按此按紐，3個通道顯示全零。

1.3.1.2 電源開關(guān)：按此開關(guān)，總電源開，儀器開始工作。控制器根據(jù)C1、C2、C3信號發(fā)出是否對某一通道食物缺少報警指令，實驗開始。

1.3.2 顯示部分：各通道顯示器均為4位LED（發(fā)光二極管），計數(shù)最多可達(dá)9999次，在沒有意外情況干擾的前提下（如斷電等），儀器可連續(xù)工作一月，直至人為按“電源”鍵關(guān)閉儀器，結(jié)束實驗。

1.3.3 報警部分：控制器根據(jù)壓力傳感器C1、C2、C3信號是否發(fā)出某一通道食物缺少的紅燈（紅色發(fā)光二極管）報警指令。

1.3.4 帶微機(jī)的控制電路部分：由3個獨立的常用51系列單片機(jī)AT89C2051為主控芯片加TTL功能電路和模擬放大電路等組成的復(fù)合控制器來控制各通道門的開啟/關(guān)閉、食物缺少報警、接收并顯示來自各實驗通道的穿梭行為實驗信息。控制原理框圖見圖2，具體電路線路圖在此略去。

1.4 系統(tǒng)軟件流程

系統(tǒng)軟件主流程如圖3所示，具體程序在此略去。

1.5 控制器面板設(shè)計

在此略去。

2 操作步驟及原理如下

2.1 插入總電源插頭（220V，50Hz）。

2.2 按“清零鍵”，此時3個通道的計數(shù)顯示全零。

2.3 加滿食物，使控制器面板報警紅燈全滅。

2.4 放入實驗動物，當(dāng)實驗動物經(jīng)“入/出口”過傳感器D4時，通道內(nèi)所有電子門（a1、a2、a3）全開，當(dāng)實驗動物選擇一個通道進(jìn)入并經(jīng)過傳感器D1或D2或D3時，另兩個通道的電子門全關(guān)，等實驗動物進(jìn)食后返回并再次經(jīng)過傳感器D4時，控制器指令該通道計數(shù)顯示（LD1或LD2或LD3）加1，根據(jù)壓力傳感器C信號判斷是否發(fā)出食物缺少報警指令，如此一次選擇進(jìn)食過程結(jié)束，實驗動物只能選擇從“入/出口”出去，再次經(jīng)過傳感器D4時，控制器指令所有通道電子門全開，如此循環(huán)可達(dá)到自動控制的設(shè)計目的。

2.5 報警時，面板會顯示某通道食物缺少報警紅燈，加滿食物，報警燈滅。

3 實驗流程圖見圖4所示：

4 實驗結(jié)果

根據(jù)動物行為：動物在一個新的環(huán)境中，喜歡亂串，所以實驗開始階段可人為地開啟3個通道的門，不關(guān)閉，讓動物先熟悉環(huán)境，0.5h后再開機(jī)計數(shù)，如此實驗效果較好。

圖4 實驗流程圖Fig.4 Experiment flow chart

根據(jù)動物習(xí)性：動物在實驗前不需喂得較飽，以免實驗時間加長。

在最終研制成功的儀器上進(jìn)行了30例小白鼠實驗，小白鼠體重15～25g，體尾總長150～200mm，單只動物的實驗設(shè)定時間為24h，30只小白鼠分成2組，每組15只，一組進(jìn)行飲料實驗：3飲食區(qū)各放上可樂、雪碧和水；另一組進(jìn)行食物實驗：3飲食區(qū)各放上基礎(chǔ)飼料、加20％蔗糖的基礎(chǔ)飼料和加1％食鹽的基礎(chǔ)飼料，24h內(nèi)檢測動物在3個通道內(nèi)的穿梭行為，進(jìn)而判斷動物對某飲料或食物的喜好程度，由圖5可見24h內(nèi)30例小白鼠第一組對雪碧的喜好程度為最高，水次之；第二組對加糖飼料的喜好程度為最高，基礎(chǔ)飼料次之。

圖5 實驗結(jié)果Fig.5 Testing records

實驗結(jié)果令人滿意，掌握動物規(guī)律和實驗技巧后，就可充分利用該實驗儀器進(jìn)行動物實驗。

5 討論

小動物一般喜暗，通道或可做成不透明，但不易清理每次實驗后的雜物，實驗時可用一不透明罩，如此效果更佳。

由于紅外和光電傳感器通常的感應(yīng)范圍較大，容易造成測量誤差，使用時不要在通道周圍開啟功率較大的白熾燈，以免造成信號不穩(wěn)。

本儀器使用不受溫差影響，但需在相對平靜的環(huán)境下工作，震蕩和過度傾斜均會使電子門和壓力傳感器系統(tǒng)出差錯，影響測量結(jié)果。

［1］余永權(quán)，汪明慧，黃英.單片機(jī)在控制系統(tǒng)中的應(yīng)用［M］.北京：電子工業(yè)出版社，2005.125-278.

［2］葛爾寧，袁勇，應(yīng)華忠等.數(shù)據(jù)記憶動物疲勞測試儀的研制［J］.中國比較醫(yī)學(xué)雜志，2006，16（8）：489-490.

［3］葛爾寧.數(shù)據(jù)記憶動物游泳測試儀的研制［J］.中國比較醫(yī)學(xué)雜志，2008，18（2）：71-73.

［4］余文芳，葛爾寧.微機(jī)控制自動微容量測試儀的研制［J］.中國比較醫(yī)學(xué)雜志，2008，18（6）：76-78.