基于AT89S52可控滾輪的設(shè)計與實現(xiàn)

黃天明

（廣西醫(yī)科大學組織學與胚胎學教研室，南寧530021）

在研究運動損傷、某些藥物對運動功能的影響、耐力測試等時，常需要以小型嚙齒類動物為實驗對象。目前可用于小型動物的運動測試平臺較少，主要有平板動物跑臺、滾輪運動器、游泳運動等。

平板動物跑臺是一種接近動物正常運動方式的裝置，且運動量和運動強度可通過調(diào)整跑步時間、跑速和跑臺坡度來準確控制，常用于需要精確控制運動量的場合；不足之處在于不能用于動物的主動運動，且成本較高，不易普及[1]。而傳統(tǒng)的滾輪運動器結(jié)構(gòu)簡單，是小型嚙齒類動物比較喜歡的一種運動器材，很適合于動物的日常鍛煉；但不足之處在于運動量和運動速度不可控制，且難以對運動量進行測量[2]。游泳是比較容易實現(xiàn)一種運動方式，只要有一定的水深即可進行，但也存在運動量不好控制，且不易測量的問題[3]。為彌補以上動物運動測試平臺的不足，我們設(shè)計了一款基于AT89S52單片機的多功能可控滾輪運動器。

1 擬具備的功能

1）應具備主動運動和被動運動功能。主動運動時，可對運動速度和里程進行測量；被動運動時，可對運動速度和里程進行預設(shè)。

2）應具備電刺激功能。被動運動時，如動物的運動速度慢于滾輪的轉(zhuǎn)速，則會因觸碰到電極板而遭受電擊；但如果電擊持續(xù)超過一定時間則應進入保護模式并自動下調(diào)轉(zhuǎn)速直至穩(wěn)定。

3）應具備無線傳輸模塊。可與電腦終端相連，從而可方便的實現(xiàn)電腦的實時監(jiān)控及數(shù)據(jù)交換和保存。

2 系統(tǒng)的構(gòu)成

2.1 機械部分

2.1.1 支架：支架為金屬結(jié)構(gòu)的雙支撐支架，其中一側(cè)為控制端，預留電機及控制電路安裝架。

2.1.2 滾輪：為雙合型易拆裝滾輪，由圖1帶金屬擋板的中軸和圖2的滾輪構(gòu)成。其中中軸的兩端可通過螺絲固定于支架上，而滾輪則通過軸承套于中軸上。

圖1中，①和⑤兩端預留有螺絲孔，可固定于支架上；②和④(外徑4mm)可通過604-ZZ微型軸承(4mm×12mm×4mm)與圖2滾輪的⑤和⑥(內(nèi)徑12mm，外徑15mm)鑲嵌；中間③為一柵欄狀金屬擋板(15cm×10cm)，安裝時其位于水平位置。

圖1 中軸及擋板

圖2 雙合型易拆裝滾輪

圖2中，紅色的為圓柱狀實心塑料棒(16cm×0.6cm)，黑色的為中空的表面磨砂金屬棒(16cm×0.6cm(內(nèi)徑) ×1cm(外徑))，它們相間排列，每側(cè)共40根；棒的一端通過螺絲分別固定于③和④兩個金屬圓盤(直徑25cm)的圓周上，另一端游離；安裝時，塑料棒均嵌入對側(cè)的金屬棒中。在③上有一個小門⑦，供動物進出用。⑤和⑥通過軸承固定于中軸上；其中⑤端為控制端，其上還依次安裝有齒輪和光電碼盤。

齒輪用于傳動而光電碼盤用于對轉(zhuǎn)速及轉(zhuǎn)動里程的測量，其原理如圖3所示：A為紅外發(fā)射管而B為紅外接收管；A與B之間有碼盤阻隔，碼盤圓周有均勻分布的200個小孔；滾輪帶動碼盤轉(zhuǎn)動時，當小孔剛好轉(zhuǎn)到A與B之間，光線能透過，則B因感應到紅外線而輸出高電平，反之則為低電平；通過對高電平的計數(shù)和計時即可算出滾輪的轉(zhuǎn)動里程和速度。

圖3 光電碼盤測量原理

2.1.3 電機：減速電機固定于支架的控制端，由R370直流電機配合1∶200的金屬減速箱構(gòu)成。使用12V電壓時，空載輸出轉(zhuǎn)速可達100轉(zhuǎn)/分，扭矩達120mN.m。減速電機通過一個帶離合的齒輪箱與滾輪的齒輪配合，可通過離合控制滾輪的主動運動和被動運動。

2.2 電路部分

2.2.1 AT89S52單片機最小系統(tǒng)：AT89S52是一種低功耗、高性能CMOS8位微控制器，與80C51 的指令和引腳完全兼容。其具體參數(shù)如下：具有 8K 在系統(tǒng)可編程Flash 存儲器，256字節(jié)RAM，32個可編程I/O口線，看門狗定時器，雙數(shù)據(jù)指針，三個16位定時器/計數(shù)器，八個中斷源，掉電后中斷可喚醒，全雙工UART串行通道。完全可滿足本系統(tǒng)的控制需求。

單片機用5V的穩(wěn)壓電源模塊供電，采用11.0592MHz的外部晶振，其余資源分配如下：P1.5(MOSI)、P1.6(MISO)、P1.7(SCK)用于在系統(tǒng)編程時，程序的下載；P3.0(RXD)、P3.1(TXD)通過Max232連接無線傳輸模塊，用于與電腦的數(shù)據(jù)交換；P1.2(RS)，P1.3(RW)，P1.4(E)，P2.0-P2.7分別連于8位數(shù)據(jù)端口D0-D7，用于1602液晶屏的控制；P3.2用于輸出控制電機轉(zhuǎn)速的PWM信號，PWM信號由T0定時器通過中斷方式產(chǎn)生；P3.3，P3.4用于電機轉(zhuǎn)向的控制；T2設(shè)置為計數(shù)模式，通過P1.0接收并計數(shù)光電脈沖；P3.5用于控制高壓脈沖模塊；P0.0-P0.7用于4*4矩陣鍵盤的控制；T1定時器用于產(chǎn)生基本時基。

圖4 AT89S52管腳分布圖

2.2.2 LN298電機控制器

LN298是一種內(nèi)含兩個H橋的高電壓大電流全橋式驅(qū)動芯片，采用15腳封裝，可以直接用標準5V TTL邏輯電平信號來控制直流電機的轉(zhuǎn)向；還具有兩個使能控制端，可以接PWM信號控制電機的轉(zhuǎn)速。本系統(tǒng)中，我們直接用P3.3，P3.4的TTL電平輸出控制電機的轉(zhuǎn)向；P3.2用于輸出控制電機轉(zhuǎn)速的PWM信號，PWM信號由T0定時器通過中斷方式產(chǎn)生；電機的驅(qū)動使用12V1A的電源模塊。

2.2.3 光電采樣電路：

本系統(tǒng)滾輪的轉(zhuǎn)動速度一般較慢，則當光電采樣器剛好處于孔的邊沿，光電信號正好處于門檻電平上時，將會不斷地發(fā)出錯誤信號，使得程序控制失效。為此，我們采用了“施密特觸發(fā)器”結(jié)構(gòu)，電路如圖所示：

圖5 光電采樣電路

由圖可見，信號由低到高的比較電平為：（（R3//R4）/(R3+ R5//R4) ) * 5V；信號從高到低的比較電平為：（（R3/（R3 + R5//R4））* 5V，其中“//”表示并聯(lián)。由于兩者差值的存在，可以有效的消除門檻電壓的誤信號，使測量更加可靠。

2.2.4 1602液晶屏

1602為標準型16X2液晶顯示字符模塊，采用標準的16腳接口，其內(nèi)部已經(jīng)存儲了160個不同的點陣字符圖形，主要包括：阿拉伯數(shù)字、英文字母的大小寫、常用的符號和日文假名等，可滿足本系統(tǒng)對顯示的要求。其第4腳：RS為寄存器選擇；第5腳：R/W為讀寫信號線；第6腳：E端為使能端；第7～14腳：D0～D7為8位雙向數(shù)據(jù)線。其控制詳見前述。

2.2.5 高壓發(fā)生模塊

采用可直接由TTL電平控制的脈沖式高壓發(fā)生模塊，電壓范圍50V~150V可調(diào)，由于采用電容脈沖放電，電流通常<1mA，不會對動物造成器質(zhì)性的傷害；兩個電極分別與滾輪的金屬擋板和磨砂金屬棒相連。當動物在滾輪內(nèi)跑動時，如速度慢于滾輪的轉(zhuǎn)速，則會觸碰金屬擋板，形成高壓回路刺激動物跟上滾輪的轉(zhuǎn)速。但如果持續(xù)放電超過3s，則系統(tǒng)進入自動保護狀態(tài)，高壓模塊停止放電，轉(zhuǎn)輪停止轉(zhuǎn)動，過2s后，自動調(diào)低轉(zhuǎn)速1cm/s繼續(xù)轉(zhuǎn)動；如此反復，直至合適的轉(zhuǎn)速。

2.2.6 無線傳輸模塊

使用Arduino 藍牙模塊，該模塊采用CSR主流藍牙芯片，藍牙V2.0協(xié)議標準，可直接與常見的帶藍牙功能的設(shè)備配對。由于模塊已經(jīng)把物理層跟協(xié)議層做好，配對后就是透明的串口，可以直接收發(fā)串口數(shù)據(jù)。本系統(tǒng)中，通過max232進行信號轉(zhuǎn)換后，可用于滾輪運動器與電腦的數(shù)據(jù)交換，便于電腦對運動器的實時監(jiān)控及數(shù)據(jù)傳輸。

2.2.7 輕觸按鍵

采用4*4矩陣輕觸式鍵盤，采用掃描方式讀取鍵值。鍵盤功能設(shè)置如圖5所示：

圖6 鍵盤按鍵分布圖

操作方法如下：

主動運動：先打開離合，然后按“測量”，此時屏幕提示“measure?”，再按“確定”，則系統(tǒng)進入待測量狀態(tài)，當檢測到第一個脈沖時，測量開始；再次按下“測量”時，屏幕提示“stop?”，再按“確定”，測量停止。

被動運動：先確認離合處于閉合狀態(tài)，然后按“預設(shè)”，則屏幕提示“speed?”，按“確定”后即可通過數(shù)字鍵直接輸入或箭頭鍵上下調(diào)整需要的速度，單位為“厘米/秒，再按“確定”，屏幕接著提示“distance？”，按“確定”后即可按同樣方法預設(shè)運動里程，單位為“厘米”，如不設(shè)數(shù)值，直接按“確定”，則滾輪會一直轉(zhuǎn)動，如中途需要退出，可按“確定”，待屏幕提示“stop?”后再按“確定”即可停止。

在被動運動狀態(tài)下，系統(tǒng)默認高壓模塊為打開。如需關(guān)閉，可按“高壓”按鍵一次，提示“stop？”后，再按“確定”即可；如需打開，可再按“高壓”按鍵一次，待提示“open?”后再按“確定”。

2.3 控制流程

本系統(tǒng)的編程采用C語言，控制流程如圖所示，可通過兩種方式輸入控制參數(shù)：鍵盤或通過電腦無線輸入。對減速電機的控制采用實時反饋機制：由光電傳感器對碼盤的轉(zhuǎn)速進行實時監(jiān)測，將測量結(jié)果傳回單片機，與預設(shè)數(shù)值進行比較，并通過惰行方式對電機的轉(zhuǎn)速進行調(diào)節(jié)。當高壓模塊發(fā)生自我保護時，則可通過下調(diào)預設(shè)值方式減慢轉(zhuǎn)速。為方便計算，輸出速度以“厘米/秒(cm/s)”為單位；里程為“厘米(cm)”；被動運動時，滾輪的最高轉(zhuǎn)速為100cm/s，最低則為5cm/s，可滿足一般小型動物運動測試的需要。

圖7 控制流程圖

3 應用測試

使用5月齡雄性C57BL/6J小鼠20只對滾輪運動器進行性能測試，每次測試時間為10分鐘，主要包括主動運動測試和被動運動測試。在主動運動測試中，20只小鼠的平均跑速為14cm/s（20只小鼠在10分鐘內(nèi)的平均速度相加，再除以20），最高瞬時速度為20cm/s，最低瞬時速度為11cm/s，與姚璐等[2,4,5]用普通滾輪測出的速度基本一致。進行被動運動測試，當速度達到24cm/s時，即有小鼠因觸碰到金屬擋板而被電擊，被迫加速跟上滾輪的轉(zhuǎn)速；用 27cm/s的轉(zhuǎn)速時，觀察到因小鼠觸碰金屬擋板時間超過3s而發(fā)生系統(tǒng)的自我保護，2s后轉(zhuǎn)速調(diào)為26cm/s并繼續(xù)轉(zhuǎn)動，然后再次發(fā)生系統(tǒng)的自我保護，直至最后穩(wěn)定于23cm/s，說明系統(tǒng)的電刺激及自我保護功能是有效的。

4 小結(jié)

本系統(tǒng)以AT89S52單片機為核心，通過光電碼盤、LN298電機控制器、減速電機等，實現(xiàn)了滾輪的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)動里程監(jiān)控及被動的定量運動控制。系統(tǒng)制作簡單，成本較低廉，且具備了人機互動及與電腦的數(shù)據(jù)交換功能，故可廣泛應用于各種實驗動物運動的測試；由于帶有電刺激及反饋功能，故還可用于激發(fā)運動潛能的測試、耐力測試及過度運動損傷測試等。而滾輪運動器本身也是小型嚙齒類動物很喜歡的一種運動器材，故還可用于實驗動物的日常鍛煉，且可對運動量進行監(jiān)測。

本系統(tǒng)彌補了現(xiàn)有實驗動物運動器材的不足，在醫(yī)學、農(nóng)業(yè)、體育等領(lǐng)域的研究中都有著廣闊的應用前景。

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