微機(jī)自動(dòng)控制動(dòng)物飲食行為檢測(cè)儀的研制

袁 勇，葛爾寧

（浙江中醫(yī)藥大學(xué)，杭州 310053）

動(dòng)物記憶行為實(shí)驗(yàn)近年來(lái)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(dòng)物記憶行為試驗(yàn)是必要的，如液態(tài)及沖劑型藥物的味覺(jué)實(shí)驗(yàn)、新研制食品的味覺(jué)實(shí)驗(yàn)、飲料的耐喝性實(shí)驗(yàn)等等。作為可自動(dòng)檢測(cè)動(dòng)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(lè)觀。為此研制一種適用于特定大小動(dòng)物的數(shù)字顯示全自動(dòng)控制式三通道動(dòng)物飲食記憶行為檢測(cè)儀。

類(lèi)似實(shí)驗(yàn)?zāi)壳霸跇I(yè)界仍采用手記和錄像監(jiān)測(cè)的方法進(jìn)行，因該類(lèi)實(shí)驗(yàn)時(shí)間較長(zhǎng)，實(shí)驗(yàn)人員的疲勞和人為記錄誤差都是較大的問(wèn)題，同類(lèi)成型的自動(dòng)化實(shí)驗(yàn)測(cè)試儀器目前國(guó)內(nèi)未見(jiàn)有報(bào)道，也未見(jiàn)有進(jìn)口的。采用現(xiàn)代微電腦控制的自動(dòng)化動(dòng)物飲食記憶行為檢測(cè)儀來(lái)替代落后的手動(dòng)或錄像監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)是該領(lǐng)域測(cè)試手段和技術(shù)發(fā)展的必然趨勢(shì)。

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(dòng)記錄動(dòng)物在特定設(shè)計(jì)的三個(gè)通道內(nèi)穿梭行為的次數(shù)，進(jìn)而推斷動(dòng)物對(duì)不同飲食的選擇行為。設(shè)計(jì)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(shí)驗(yàn)研究領(lǐng)域。

1 儀器設(shè)計(jì)、研制

儀器整體構(gòu)思和設(shè)計(jì)共分實(shí)驗(yàn)通道、傳感器和電子門(mén)、系統(tǒng)控制部分、系統(tǒng)軟件、控制器面板等5部分：

1.1 實(shí)驗(yàn)通道設(shè)計(jì)

1.1.1 整個(gè)實(shí)驗(yàn)通道由3個(gè)相同尺寸且相互垂直的單一功能通道組成，并通過(guò)一條“入/出口”功能通道連接成╋字形，見(jiàn)圖1。

1.1.2 實(shí)驗(yàn)通道設(shè)計(jì)成能滿足做特定大小動(dòng)物的實(shí)驗(yàn)，通道長(zhǎng)度設(shè)計(jì)已考慮到被測(cè)動(dòng)物的長(zhǎng)度、尾巴干擾等因素，定為50g以下7g以上，體長(zhǎng)（包括尾巴）小于200mm的動(dòng)物。在此條件下，單一通道的尺寸設(shè)計(jì)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(mén)設(shè)計(jì)

1.2.1 以紅外傳感器D（D1、D2、D3、D4）作為信號(hào)采集源，安裝在距各通道起始75mm位置，這樣，在動(dòng)物經(jīng)過(guò)時(shí)就可獲取一信號(hào)?？刂瞥绦蛟O(shè)計(jì)時(shí)考慮去除因動(dòng)物尾部引起的干擾信號(hào)。見(jiàn)圖1中D1、D2、D3、D4。

1.2.2 控制各通道開(kāi)啟和關(guān)閉的電子門(mén)采用減速電機(jī)和光電傳感器組合功能設(shè)計(jì)，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(dòng)物尾部對(duì)各通道的信號(hào)干擾。由控制器控制各電子門(mén)的開(kāi)/關(guān)。見(jiàn)圖1中a1、a2、a3。

1.2.3 采用壓力傳感器C（C1、C2、C3）來(lái)傳遞各食物皿中食物是否缺少信息，在3個(gè)檢測(cè)通道的末端均有一個(gè)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(kāi)啟電源后，當(dāng)皿中食物少于某一水平時(shí)，壓力傳感器C1或C2或C3將傳遞一信號(hào)至控制器，由控制器發(fā)出相應(yīng)光電報(bào)警信號(hào)。加滿一次飲料至少可供3天實(shí)驗(yàn)，無(wú)需設(shè)置報(bào)警。見(jiàn)圖1中C1、C2、C3。

1.3 系統(tǒng)控制部分設(shè)計(jì)

采用51系列通用單片微機(jī)為主控芯片，控制3個(gè)通道信號(hào)的輸入/輸出、并顯示來(lái)自各實(shí)驗(yàn)單元的實(shí)驗(yàn)信息?？刂瓶驁D見(jiàn)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(bào)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(kāi)始按紐：按此按紐，3個(gè)通道顯示全零。

1.3.1.2 電源開(kāi)關(guān)：按此開(kāi)關(guān)，總電源開(kāi)，儀器開(kāi)始工作。控制器根據(jù)C1、C2、C3信號(hào)發(fā)出是否對(duì)某一通道食物缺少報(bào)警指令，實(shí)驗(yàn)開(kāi)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(jì)數(shù)最多可達(dá)9999次，在沒(méi)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(shí)驗(yàn)。

1.3.3 報(bào)警部分：控制器根據(jù)壓力傳感器C1、C2、C3信號(hào)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(bào)警指令。

1.3.4 帶微機(jī)的控制電路部分：由3個(gè)獨(dú)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(lái)控制各通道門(mén)的開(kāi)啟/關(guān)閉、食物缺少報(bào)警、接收并顯示來(lái)自各實(shí)驗(yàn)通道的穿梭行為實(shí)驗(yàn)信息?？刂圃砜驁D見(jiàn)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(jì)

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(shí)3個(gè)通道的計(jì)數(shù)顯示全零。

2.3 加滿食物，使控制器面板報(bào)警紅燈全滅。

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

2.5 報(bào)警時(shí)，面板會(huì)顯示某通道食物缺少報(bào)警紅燈，加滿食物，報(bào)警燈滅。

3 實(shí)驗(yàn)流程圖見(jiàn)圖4所示：

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)動(dòng)物行為：動(dòng)物在一個(gè)新的環(huán)境中，喜歡亂串，所以實(shí)驗(yàn)開(kāi)始階段可人為地開(kāi)啟3個(gè)通道的門(mén)，不關(guān)閉，讓動(dòng)物先熟悉環(huán)境，0.5h后再開(kāi)機(jī)計(jì)數(shù)，如此實(shí)驗(yàn)效果較好。

圖4 實(shí)驗(yàn)流程圖Fig.4 Experiment flow chart

根據(jù)動(dòng)物習(xí)性：動(dòng)物在實(shí)驗(yàn)前不需喂得較飽，以免實(shí)驗(yàn)時(shí)間加長(zhǎng)。

在最終研制成功的儀器上進(jìn)行了30例小白鼠實(shí)驗(yàn)，小白鼠體重15～25g，體尾總長(zhǎng)150～200mm，單只動(dòng)物的實(shí)驗(yàn)設(shè)定時(shí)間為24h，30只小白鼠分成2組，每組15只，一組進(jìn)行飲料實(shí)驗(yàn)：3飲食區(qū)各放上可樂(lè)、雪碧和水；另一組進(jìn)行食物實(shí)驗(yàn)：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(cè)動(dòng)物在3個(gè)通道內(nèi)的穿梭行為，進(jìn)而判斷動(dòng)物對(duì)某飲料或食物的喜好程度，由圖5可見(jiàn)24h內(nèi)30例小白鼠第一組對(duì)雪碧的喜好程度為最高，水次之；第二組對(duì)加糖飼料的喜好程度為最高，基礎(chǔ)飼料次之。

圖5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果Fig.5 Testing records

實(shí)驗(yàn)結(jié)果令人滿意，掌握動(dòng)物規(guī)律和實(shí)驗(yàn)技巧后，就可充分利用該實(shí)驗(yàn)儀器進(jìn)行動(dòng)物實(shí)驗(yàn)。

5 討論

小動(dòng)物一般喜暗，通道或可做成不透明，但不易清理每次實(shí)驗(yàn)后的雜物，實(shí)驗(yàn)時(shí)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(cè)量誤差，使用時(shí)不要在通道周?chē)_(kāi)啟功率較大的白熾燈，以免造成信號(hào)不穩(wěn)。

本儀器使用不受溫差影響，但需在相對(duì)平靜的環(huán)境下工作，震蕩和過(guò)度傾斜均會(huì)使電子門(mén)和壓力傳感器系統(tǒng)出差錯(cuò)，影響測(cè)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(dòng)物疲勞測(cè)試儀的研制［J］.中國(guó)比較醫(yī)學(xué)雜志，2006，16（8）：489-490.

［3］葛爾寧.數(shù)據(jù)記憶動(dòng)物游泳測(cè)試儀的研制［J］.中國(guó)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(dòng)微容量測(cè)試儀的研制［J］.中國(guó)比較醫(yī)學(xué)雜志，2008，18（6）：76-78.