微机自动控制动物饮食行为检测仪的研制

2011-02-16葛尔宁

中国比较医学杂志 2011年9期

袁勇，葛尔宁

（浙江中医药大学，杭州 310053）

动物记忆行为实验近年来已被许多医药及食品界的研究者们所重视。在许多情况下进行动物记忆行为试验是必要的，如液态及冲剂型药物的味觉实验、新研制食品的味觉实验、饮料的耐喝性实验等等。作为可自动检测动物记忆行为的一种有效手段，在业界得到推广应用的前景乐观。为此研制一种适用于特定大小动物的数字显示全自动控制式三通道动物饮食记忆行为检测仪。

类似实验目前在业界仍采用手记和录像监测的方法进行，因该类实验时间较长，实验人员的疲劳和人为记录误差都是较大的问题，同类成型的自动化实验测试仪器目前国内未见有报道，也未见有进口的。采用现代微电脑控制的自动化动物饮食记忆行为检测仪来替代落后的手动或录像监测实验是该领域测试手段和技术发展的必然趋势。

本文采用51系列单片微机控制和记忆系统结合红外传感器、压力传感器、减速马达和光电传感器组合控制电路［1-4］，自动记录动物在特定设计的三个通道内穿梭行为的次数，进而推断动物对不同饮食的选择行为。设计思路具一定的创新性和先进性，仪器可用于多学科实验研究领域。

1 仪器设计、研制

仪器整体构思和设计共分实验通道、传感器和电子门、系统控制部分、系统软件、控制器面板等5部分：

1.1 实验通道设计

1.1.1 整个实验通道由3个相同尺寸且相互垂直的单一功能通道组成，并通过一条“入/出口”功能通道连接成╋字形，见图1。

1.1.2 实验通道设计成能满足做特定大小动物的实验，通道长度设计已考虑到被测动物的长度、尾巴干扰等因素，定为50g以下7g以上，体长（包括尾巴）小于200mm的动物。在此条件下，单一通道的尺寸设计成：半圆柱体部分为Φ50mm×350mm，用透明材料；末端饮食区尺寸为70mm×70mm×高65mm，用不透明材料，“入/出口”通道尺寸Φ50mm×180mm，用透明材料。

图1 仪器结构图Fig.1 Diagram of the structural of the instrument

1.2 传感器和电子门设计

1.2.1 以红外传感器D（D1、D2、D3、D4）作为信号采集源，安装在距各通道起始75mm位置，这样，在动物经过时就可获取一信号。控制程序设计时考虑去除因动物尾部引起的干扰信号。见图1中D1、D2、D3、D4。

1.2.2 控制各通道开启和关闭的电子门采用减速电机和光电传感器组合功能设计，安装在红外传感器的前面，距各通道起始55mm位置，如此可消除动物尾部对各通道的信号干扰。由控制器控制各电子门的开/关。见图1中a1、a2、a3。

1.2.3 采用压力传感器C（C1、C2、C3）来传递各食物皿中食物是否缺少信息，在3个检测通道的末端均有一个食物添加皿和饮料瓶放入口，食物添加皿下端均有压力传感器，开启电源后，当皿中食物少于某一水平时，压力传感器C1或C2或C3将传递一信号至控制器，由控制器发出相应光电报警信号。加满一次饮料至少可供3天实验，无需设置报警。见图1中C1、C2、C3。

1.3 系统控制部分设计

采用51系列通用单片微机为主控芯片，控制3个通道信号的输入/输出、并显示来自各实验单元的实验信息。控制框图见图2：

图2 电路控制原理框图Fig.2 Diagram of the structural of control system

系统控制部分包括按钮输入部分、显示部分、报警部分、以及带微机的控制电路部分。各功能模块具体介绍如下：

1.3.1 按钮输入部分：

1.3.1.1 清零/开始按纽：按此按纽，3个通道显示全零。

1.3.1.2 电源开关：按此开关，总电源开，仪器开始工作。控制器根据C1、C2、C3信号发出是否对某一通道食物缺少报警指令，实验开始。

1.3.2 显示部分：各通道显示器均为4位LED（发光二极管），计数最多可达9999次，在没有意外情况干扰的前提下（如断电等），仪器可连续工作一月，直至人为按“电源”键关闭仪器，结束实验。

1.3.3 报警部分：控制器根据压力传感器C1、C2、C3信号是否发出某一通道食物缺少的红灯（红色发光二极管）报警指令。

1.3.4 带微机的控制电路部分：由3个独立的常用51系列单片机AT89C2051为主控芯片加TTL功能电路和模拟放大电路等组成的复合控制器来控制各通道门的开启/关闭、食物缺少报警、接收并显示来自各实验通道的穿梭行为实验信息。控制原理框图见图2，具体电路线路图在此略去。

1.4 系统软件流程

系统软件主流程如图3所示，具体程序在此略去。

1.5 控制器面板设计

在此略去。

2 操作步骤及原理如下

2.1 插入总电源插头（220V，50Hz）。

2.2 按“清零键”，此时3个通道的计数显示全零。

2.3 加满食物，使控制器面板报警红灯全灭。

2.4 放入实验动物，当实验动物经“入/出口”过传感器D4时，通道内所有电子门（a1、a2、a3）全开，当实验动物选择一个通道进入并经过传感器D1或D2或D3时，另两个通道的电子门全关，等实验动物进食后返回并再次经过传感器D4时，控制器指令该通道计数显示（LD1或LD2或LD3）加1，根据压力传感器C信号判断是否发出食物缺少报警指令，如此一次选择进食过程结束，实验动物只能选择从“入/出口”出去，再次经过传感器D4时，控制器指令所有通道电子门全开，如此循环可达到自动控制的设计目的。

2.5 报警时，面板会显示某通道食物缺少报警红灯，加满食物，报警灯灭。

3 实验流程图见图4所示：

4 实验结果

根据动物行为：动物在一个新的环境中，喜欢乱串，所以实验开始阶段可人为地开启3个通道的门，不关闭，让动物先熟悉环境，0.5h后再开机计数，如此实验效果较好。

图4 实验流程图Fig.4 Experiment flow chart

根据动物习性：动物在实验前不需喂得较饱，以免实验时间加长。

在最终研制成功的仪器上进行了30例小白鼠实验，小白鼠体重15～25g，体尾总长150～200mm，单只动物的实验设定时间为24h，30只小白鼠分成2组，每组15只，一组进行饮料实验：3饮食区各放上可乐、雪碧和水；另一组进行食物实验：3饮食区各放上基础饲料、加20％蔗糖的基础饲料和加1％食盐的基础饲料，24h内检测动物在3个通道内的穿梭行为，进而判断动物对某饮料或食物的喜好程度，由图5可见24h内30例小白鼠第一组对雪碧的喜好程度为最高，水次之；第二组对加糖饲料的喜好程度为最高，基础饲料次之。