专利名称：大鼠强迫游泳实验装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及生物医学工程、生物物理、动物行为学技术领域，更具体涉及一种大鼠强迫游泳智能温控实验装置，在研究大鼠抑郁症时，采用强迫游泳的方式来建立大鼠抑郁 症模型，适用于在进行强迫游泳时对水温的监测。
背景技术：
迄今为止，用强迫游泳的方式来建立抑郁症模型已经发展得比较成熟，并且国内 外已经推出了诸多强迫游泳的视频监测与分析系统。从已发表的文献中可以看出对动物 进行强迫游泳时，水温要求为25°C，误差为士 1°C。经过调查，市面上可见到的强迫游泳装 置，一般由加热箱和游泳箱组成。加热箱安装了一个加热器和一个温度传感器，而游泳箱中 没有温度监测系统，因此，一旦开始强迫游泳实验之后，游泳箱中的水温便不再维持在一个 恒温的环境。现有的加热箱在加热时由于没有自动搅拌的功能，使得加热箱在加热的过程 中水温升高不均勻，需要人为地加以搅拌。此外，一般厂家为了节约成本往往采用低廉的热 敏电阻外包金属外壳作为温度传感器，再配加以外部辅助系统达到“温到断电”的目的，这 样不可避免的导致第一、传感器经常浸入水中，当外部金属头锈蚀后，热敏电阻直接接触 水环境后容易烧毁。在热敏电阻烧毁后，由于用户不知道该温度传感器具体型号，往往求助 于供货商，给实验造成一定的不便。第二、在一个大约Im3的区域内，单个传感器由于自身 监控区域的局限性，无法监测整个空间内的水温，并且由于加热过程中温度梯度的存在，单 个传感器测得的区域温度并不能代表整个加热箱中真实的水温。
发明内容本实用新型的目的是在于提供了一种大鼠强迫游泳实验装置，该装置结构简单， 操作方便，可自动获取五个位置的水温，有效地监测水温，监测稳定，数据精确高。为了实现上述任务，本实用新型采用以下技术措施一种大鼠强迫游泳智能控温实验装置，它包括加热箱圆筒、加热器、固态继电器、 控制电路、单片机微处理器、控制端电源、液晶显示屏，其特征在于加热箱圆筒的底部开 有圆形孔，加热器插入孔中，加热器与加热箱圆筒底部平行，加热器与负载端电源相连，并 分别于固态继电器负载端正负极相连，固态继电器输入端正极与控制电源相连，负极与单 片机微处理器并行输出口 P2. 7相连，在加热器与加热箱圆筒间隙处安装微型水泵，微型 水泵用螺丝固定在加热箱圆筒底部，将带带孔的玻璃制屏蔽板置于加热器上方，加热器与 负载端电源相连、并分别与固态继电器负载端正负极相连，同时单片机微处理器的P0. 0 口 -P0. 7 口用排线与液晶显示屏相连，第一温度传感器、第二温度传感器、第三温度传感 器、第四温度传感器、第五温度传感器分别与液晶显示屏、单片机微处理器共电源，第一温 度传感器、第二温度传感器、第三温度传感器、第四温度传感器、第五温度传感器的Vdd脚与 其自身的信号传输口 DQ1、DQ2、DQ3、DQ4、DQ5之间连接第一 4. 7kΩ上拉电阻、第二 4. 7kΩ 上拉电阻、第三4.7kQ上拉电阻、第四4.7kQ上拉电阻、第五4.7kQ上拉电阻，第一温度传感器、第二温度传感器、第三温度传感器、第四温度传感器、第五温度传感器上的DQ1、 DQ2、DQ3、DQ4、DQ5上的分别与单片机微处理器的P2. O P2. 4 口相连。所述的加热器安装在加热箱圆筒的底部，在加热箱圆筒的接触面上垫上不锈钢垫 片，用螺帽从接触面反面固定，在加热器的电极与加热箱圆筒底部的缝隙中涂抹凡士林，以 防漏水，加热器与负载端电源、固态继电器以串联的方式连接。所述的加热器位于加热箱 圆筒底部的中间，加热器固定在加热箱圆筒的底部，在加热器上方罩上一个带孔的玻璃制 屏蔽板。所述的第一温度传感器、第二温度传感器、第三温度传感器、第四温度传感器、分 别安装在加热箱圆筒的内壁的不同的凹槽中，第五温度传感器位于加热箱圆筒底部的凹槽 中。所述的加热器的两个电极分别与220V电源的正极、固态继电器负载端正极相连，220V 电源的负极与固态继电器负载端负极相连。固态继电器输入端正极接+5V电压，负极连接 到单片机微处理器的P2. 7。在加热器与筒底间隙处，安装一个微型水泵，水泵被用螺丝固 定在筒底部，微型水泵的排水的方向为垂直于筒底向上。为防止漏水，加热器的电极与加热 箱圆筒底部的接触点缝隙中以及固定水泵的螺丝与箱底的接触点处涂抹凡士林。将带小孔 的玻璃板架置于加热器上方0. 5cm处，单片机微处理器的并行口 PO用排线与液晶屏相连， 五路传感器分别与液晶屏、单片机微处理器共电源，每路传感器的信号输出端连接4. 7ΚΩ 的上拉电阻，并与单片机微处理器的并行口 P2. 0 P2. 4相连，组成一个并行输出的温度 监测网络，如图(1)所示。在本装置中，先通过单片机微处理器把目标温度的上下限存入 数字温度传感器的可擦写存储器EPPROM中，开始工作之后传感器在加热箱圆筒中对传感 器所在区域的水温进行实时监测，把温度值送入传感器的随机存储器RAM中。当五路传感 器的温度值全部储存完毕时，单片机微处理器会自动把存储的各个温度值送入运算器进行 平均，再以平均温度与EPPROM相应存储位的镜像预设的目标温度值加以比较，如果实时温 度的平均值小于目标温度的下限，则返回单片机微处理器的一个真信号，反之，则返回假信 号。单片机微处理器通过对返回信号值真假的判断，发出不同的信号给P2. 7 口。当返回信 号为真，表明加热箱中的水温在预设的上下限温度的范围内，则向P2. 7发出真信号；反之， 当返回信号为假，表明水温低于预设温度的下限值，故而向P2. 7发出假信号。对于固态继 电器来说，固态继电器控制端3号引脚接控制断电源正极，4号引脚直接接单片机微处理器 的并行口 P2. 7，当P2. 7发出假信号时，即在固态继电器的4号引脚输入低电平电压值，那么 3号引脚和4号引脚之间的压降大于固态继电器的道通压降，则固态继电器的开关闭合，加 热器加热。反之，当P2. 7发出真信号时，即在固态继电器的4号引脚输入高电平电压值，那 么3号引脚和4号引脚之间的压降小于固态继电器的道通压降，则固态继电器的开关断开， 加热器停止加热。加热器安装在加热箱圆筒的底部，在加热器与加热箱圆筒底部的接触面上垫上不 锈钢垫片以增加密封强度，并用六角螺帽从接触面反面固定，在加热器与加热箱圆筒底部 接触处涂抹凡士林以进一步增加密封性能。加热器与负载端电源220V、固态继电器以串联 的方式连接，由固态继电器的开关状态来控制加热器的通断。加热器安装在加热箱圆筒底部的正中间，这样可以保证加热器在加热过程中热量 向前后左右四个方向扩散的速率和强度基本保持一致。加热器被固定在加热箱圆筒的底 部，由于加热器为I~形，当加热器的电极被固定时，加热器离箱底还有3cm的距离，考虑到 大鼠的身体的长度，为了避免大鼠在游泳时尾部、后足与加热器相触碰，容易造成烫伤，故而在加热器上方罩上一个带孔的玻璃板。这样做的目的，第一，可以防止上述由于大鼠与加 热器相接触而引起不必要的烫伤，第二，可以有利于箱底水的流通，并且使在一个层面上的 水温均勻的分布，从而可以规范整个加热箱圆筒中的水温。将五路温度传感器组中的四个传感器分别安装在加热箱圆筒内壁不同高度的凹 槽中，并且最高的一个温度传感器离壁沿有15cm，每次让水恰好浸没最上层的温度传感器； 另外一个位于加热箱圆筒底部。每次加热时，由于加热器在箱底，因此加热器产生的热量 要经过一定的时间输运才能够到达水的上层，这样在不同的高度水的温度实际上是不一样 的。在最上层的温度传感器监测的实际上是最低的水温，而在箱底的温度传感器监测的实 际上是最高的水温。五个温度传感器分别将所检测的水温发送到单片机微处理器，由单片 机微处理器对这些温度数据进行后期处理。本实验装置温度传感器中的预设温度可精确到 0. 1°C。(1)加热箱圆筒的设计。本加热箱圆筒采用的是直径为30cm的透明有机玻璃圆 筒，在加热箱圆筒的下方放置一个边长20cm屏蔽板，屏蔽板上面雕有一系列的中空小洞， 屏蔽板可以减小由于加热器加热过程中由温度梯度带来的水温不均勻，并且减少微型水泵 由于搅动水带来的扰动，此外它还可以防止大鼠在游泳时尾部与正在工作的加热器接触造 成的烫伤。(2)温度传感器的选取。采用的温度传感器是美国Dallas半导体公司的屏蔽型数 字化温度传感器DS18B20，具有体积小、精度高、防水防老化、适用电压宽、一线总线、可组网 等优点。测量温度范围为_55°C +125°C，可编程为9位 12位A/D转换精度，测温分辨 率可达0. 0625°C。测量结果直接输出数字温度信号，以“一线总线”串行传送给CPU，同时 可传送CRC校验码，具有极强的抗干扰纠错能力，适合于恶劣环境的现场温度测量。将温度 传感器的金属引脚部分用牙科水泥包裹密封，以防止浸水使芯片烧毁。(3)温度信号采样网络。由于在加热器加热时，整个空间的水温形成了一个从箱底 到水面的由强到弱的温度梯度，所以将五路传感器组中的四个传感器分别安装在加热箱圆 筒内壁不同高度的凹槽中，另外一个位于加热箱圆筒底部。不同高度的温度传感器可以监 测圆柱形筒壁不同层面的水的温度。把监测到的温度数据反馈给单片机微处理器，经过一 定的程序处理取平均温度值，同时由于微型水泵的搅拌降低了加热箱圆筒中水温的不均勻 分布，这样所形成的温度信号采样网络可基本上反映加热箱圆筒中实际的温度情况。因所 用温度传感器只需5路，所以将五路温度信号并行送入单片机微处理器P2. 0 P2. 4 口。(4)数据接收和处理以及显示单元。采用51系列的89S52单片机微处理器控制整 个系统，采用12864液晶显示模块作为显示单元。(5)设备供电电源。设备供电电源由两部分构成第一个部分是负载电源，直接和 加热器连接，由交流220V电源提供；第二部分是控制部分和微型水泵的电源，由直流5V电 源提供。如图1所示。本实用新型具有以下优点和效果1，将传统装置中的加热箱与游泳箱合二为一，系统紧凑，避免了繁琐的实验操作， 并可对加热箱进行实时加热，并对水温进行全面实时监控。2，在加热器上方安装屏蔽板，一方面可以减小由于加热过程中水温的温度梯度造 成的水温的不均勻，另一方面又可以降低由微型水泵搅动带来的水的波动，并且还可以防止游泳过程中大鼠的尾部与加热器接触导致的烫伤。整套装置结构简单，拆装方便，易于清 洗。3，运用5路传感器组成网络对加热箱圆筒中不同层面的水温进行监测，既避免了 由于温度梯度存在导致的水温不均勻，又避免了单个温度传感器测温度的局限性和不准确 性。

图1为一种大鼠强迫游泳智能温控实验装置示意图。图2为一种强迫游泳负载部分示意图。图3为一种强迫游泳加热箱以及屏蔽玻璃结构示意图。图4为一种大鼠强迫游泳实验装置控制程序流程图。其中1-负载单元，2-负载端电源，3-固态继电器，4-液晶显示屏，5-单片机微处 理器，6-温度传感器(包括第一温度传感器6A、第二温度传感器6B、第三温度传感器6C、第 四温度传感器6D、第五温度传感器6E)，7-4. 7k Ω上拉电阻(包括第一 4. 7k Ω上拉电阻7Α、 第二 4. 7k Ω上拉电阻7Β、第三4. 7k Ω上拉电阻7C、第四4. 7k Ω上拉电阻7D、第五4. 7k Ω 上拉电阻7Ε)，8控制电路，9-控制端电源电源，10-加热箱圆筒，11-加热器(1. 5kw)，12-微 型水泵，13-加热箱圆筒壁凹槽，14-带孔的玻璃屏蔽板。
具体实施方式
实施例1
以下结合附图对本实用新型作进一步详细描述一种大鼠强迫游泳智能温控实验装置，该实验装置它包括负载单元1、负载端电源 2、固态继电器3、液晶显示屏4、单片机微处理器5、第一温度传感器6A、第二温度传感器6B、 第三温度传感器6C、第四温度传感器6D、第五温度传感器6E、第一 4. 7k Ω上拉电阻7Α、第 二 4. 7k Ω上拉电阻7Β、第三4. 7k Ω上拉电阻7C、第四4. 7k Ω上拉电阻7D、第五4. 7k Ω上 拉电阻7Ε、控制电路8、控制端电源9。该实验装置各部分连接关系和作用如下其特征在于负载单元1与负载端电源2 (加热电压220V)串联，负载单元1分别 连接于固态继电器3负载端的1号和2号电极上。固态继电器3的输出端1号，2号电极是 一个受控于控制端3号，4号电极输入信号的光电耦合开关，该光耦开关可实现继电器的通 断切换的功能。液晶显示屏4、单片机微处理器5、第一温度传感器6Α、第二温度传感器6Β、 第三温度传感器6C、第四温度传感器6D、第五温度传感器6Ε三者共接控制端电源9的正负 极实行同电源供电。同时，第一温度传感器6Α、第二温度传感器6Β、第三温度传感器6C、第 四温度传感器6D、第五温度传感器6Ε把感应到温度数据通过第一温度传感器6Α、第二温度 传感器6Β、第三温度传感器6C、第四温度传感器6D、第五温度传感器6Ε自带的数据传输口 送入单片机微处理器5内部，第一温度传感器6Α、第二温度传感器6Β、第三温度传感器6C、 第四温度传感器6D、第五温度传感器6Ε的数据传输口与单片机微处理器5Ρ2. 7 口相联，单 片机微处理器5把所接收到的温度信号经过处理后通过并行口 PO又发送到液晶显示屏4， 从而实现温度值的可视化。固态继电器3的控制端3号电极与控制端电源9的正极相连，4 号电极与单片机微处理器5的Ρ2. 7相连，通过单片机微处理器5Ρ2. 7 口输出的高低电平来控制固态继电器3的通断。另外对于温度信号采样网络中第一温度传感器6A、第二温度传 感器6B、第三温度传感器6C、第四温度传感器6D、第五温度传感器6E，分别在控制端电源9 的正极与第一温度传感器6A、第二温度传感器6B、第三温度传感器6C、第四温度传感器6D、 第五温度传感器6E数字信号口之间连接第一 4. 7kΩ上拉电阻7Α、第二 4. 7kΩ上拉电阻 7Β、第三4. 7kΩ上拉电阻7C、第四4. 7kΩ上拉电阻7D、第五4. 7kΩ上拉电阻7Ε。根据图2 (强迫游泳加热箱侧视图)、图3 (强迫游泳加热箱俯视图以及屏蔽玻璃结 构示意图)可知，图1中负载单元1由10加热箱圆筒、加热器11 (1. 5kw)、微型水泵12、力口 热箱圆筒壁凹槽13、带孔的玻璃屏蔽板14构成，负载单元1的主体部分是一个内径40cm、 外径42cm、高50cm的中空的加热箱圆筒10。在加热箱圆筒10底部有一个ι"■一形的加热器11，此加热器11的功率从1. 5kw-5kw 不等，加热器11的具体型号由筒的容积、以及要求加热的时间决定。加热器11的电极从加 热箱圆筒10的底端穿出，加热器11的加热管部分与加热箱圆筒10底部平行，如图2所示。 在加热器11与加热箱圆筒10底部的空隙处，有一个额定电压12V的微型水泵12，微型水 泵12同样被固定在加热箱圆筒10底部。在加热器11的上方，有一块边长为30cm带孔的 正方形玻璃制屏蔽板14，该正方形玻璃板架14有四个脚立于加热箱圆筒10的底部。在加 热 箱圆筒10的内壁上和底部分别有一些的凹槽13以用来固定第一温度传感器6A、第二温 度传感器6B、第三温度传感器6C、第四温度传感器6D、第五温度传感器6E。所述的第一温 度传感器6A、第二温度传感器6B、第三温度传感器6C、第四温度传感器6D、分别安装在加热 箱圆筒10的内壁的凹槽13中，第五温度传感器(6E)位于加热箱圆筒底部的凹槽中13。根据图4(大鼠强迫游泳实验装置控制程序流程图)、启动程序后，首先对单片机 微处理器进行初始化，并分别定义五路温度传感器组中各个传感器的通信端口 定义第一 温度传感器6A的通信端口 DQl为P2. 0 口，第二温度传感器6B的通信端口 DQ2为P2. 1 口， 第三温度传感器6C的通信端口 DQ3为P2. 2 口、第四温度传感器6D的通信端口 DQ4为P2. 3 口，第五温度传感器6E的通信端口 DQ5为P2. 4 口，同时初始化液晶显示屏(过程A)。第二步，初始化完毕后，单片机微处理器判断是否与5路温度传感器组中的各个 传感器开始通信(过程B)。第三步，与各温度传感器通信完毕后，开始依次读取各温度传感器的温度值，读取 传感器温度的过程要经过子程序C1-C8。子程序由Cl到C8八个步骤组成，以读取传感器6A的温度值为例，首先，初始化温 度传感器6A (过程Cl)，让温度传感器6A准备开始工作；单片机微处理器向温度传感器6A 发送跳读序列号指令(过程C2)；并发送命令以启动温度传感器6A转换温度(过程C3)；过 程3之后，单片机微处理器向温度传感器6A发送一个延时指令(过程C4)，以等待温度传感 器6A温度转换过程(过程C3)完毕；等延时到温度传感器6A温度转换成功，则重复初始化 温度传感器6A与向温度传感器6A发送跳过读序列号指令(过程C5-过程C6)，令传感器进 入读取状态；读取温度传感器6A当前的温度值(过程C7)，并将该传感器对应的温度的高 位字节送进芯片RAM的MSB寄存器中，低位字节送进RAM的LSB寄存器中；读温度值时只需 将将两个寄存器的温度数据组合，此即是温度传感器6A所在区域的采样时的即时温度数 据；将所得温度数据返回送入单片机微处理器(过程C8)。对五路温度传感器组中剩下的 的第二温度传感器6B、第三温度传感器6C、第四温度传感器6D、第五温度传感器6E各执行一次该子程序，将第一温度传感器6A、第二温度传感器6B、第三温度传感器6C、第四温度传 感器6D、第五温度传感器6E的温度数据全部读取完毕则转入下一步(过程C)。第四步，将过程C中所得五路温度传感器组的各个温度传感器的数据存储到单片 机的RAM中，求出平均值(过程D)并将该温度平均值发送到液晶显示屏上，显示出当前的 平均水温(过程E)。第五步，单片机微处理器将所记录到得平均温度与程序中预设温度进行比较(过 程F)，如果平均温度处于事先预设的上下限温度之间，则向P2. 7发出高电平信号，固态继 电器断开，停止加热，如果该温度低于下限温度，则向P2. 7发出低电平信号(过程G)并重 新进入下一个温度的采样的周期(过程B到过程G)。
权利要求一种大鼠强迫游泳实验装置，它包括负载单元(1)、固态继电器(2)、液晶显示屏(4)、单片机微处理器(5)、控制电路(8)、控制端电源(9)、加热箱圆筒(10)、加热器(11)，其特征在于加热箱圆筒(10)的底部开有圆形孔，加热器(11)插入孔中，加热器(11)与加热箱圆筒(10)底部平行，加热器(11)与负载端电源(2)相连，并分别于固态继电器(3)负载端正负极相连，固态继电器(3)输入端正极与控制电源(9)相连，负极与单片机微处理器(5)并行输出口P2.7相连，在加热器(11)与加热箱圆筒(10)间隙处安装微型水泵(12)，微型水泵(12)用螺丝固定在加热箱圆筒(10)底部，将带带孔的玻璃制屏蔽板(14)置于加热器(11)上方，加热器(11)与负载端电源(2)相连、并分别与固态继电器(3)负载端正负极相连，同时单片机微处理器(5)的P0.0口-P0.7口用排线与液晶显示屏(4)相连，第一温度传感器(6A)、第二温度传感器(6B)、第三温度传感器(6C)、第四温度传感器(6D)、第五温度传感器(6E)分别与液晶显示屏(4)、单片机微处理器(5)共电源，第一温度传感器(6A)、第二温度传感器(6B)、第三温度传感器(6C)、第四温度传感器(6D)、第五温度传感器(6E)的VDD脚与其自身的信号传输口DQ1、DQ2、DQ3、DQ4、DQ5之间连接第一4.7kΩ上拉电阻(7A)、第二4.7kΩ上拉电阻(7B)、第三4.7kΩ上拉电阻(7C)、第四4.7kΩ上拉电阻(7D)、第五4.7kΩ上拉电阻(7E)，第一温度传感器(6A)、第二温度传感器(6B)、第三温度传感器(6C)、第四温度传感器(6D)、第五温度传感器(6E)上的DQ1、DQ2、DQ3、DQ4、DQ5上的分别与单片机微处理器(5)的P2.0～P2.4口相连。
2.根据权利要求1所述的一种大鼠强迫游泳实验装置，其特征在于所述的负载单元(1)由加热箱圆筒(10)、加热器(11)、微型水泵(12)、加热箱圆筒壁凹槽(13)、带孔的玻璃 屏蔽板(14)构成，在加热箱圆筒(10)底部有一个ι~形的加热器(11)，在加热器(11)与加 热箱圆筒(10)底部的空隙处，有一个微型水泵12，微型水泵(12)固定在加热箱圆筒(10) 底部。
3.根据权利要求1所述的一种大鼠强迫游泳实验装置，其特征在于所述的加热器 (11)安装在加热箱圆筒(10)的底部，在接触面上垫上不锈钢垫片，用螺帽从接触面反面 固定，在加热器的电极与加热箱圆筒底部的缝隙中涂抹凡士林，加热器(11)与负载端电源(2)、固态继电器(3)以串联的方式连接。
4.根据权利要求1所述的一种大鼠强迫游泳实验装置，其特征在于所述的加热器 (11)位于加热箱圆筒(10)底部的中间，加热器(11)固定在加热箱圆筒(10)的底部，在加 热器(11)上方罩上一个带孔的玻璃制屏蔽板(14)。
5.根据权利要求1所述的一种大鼠强迫游泳实验装置，其特征在于所述的第一温度 传感器(6Α)、第二温度传感器(6Β)、第三温度传感器(6C)、第四温度传感器(6D)、分别安装 在加热箱圆筒(10)的内壁的凹槽(13A-13D)中，第五温度传感器(6Ε)位于加热箱圆筒底 部的凹槽中(13)。
专利摘要本实用新型公开了一种大鼠强迫游泳实验装置，加热箱圆筒的底部开有圆形孔，加热器插入孔中，加热器与加热箱圆筒底部平行，加热器与负载端电源相连，并分别于固态继电器负载端正负极相连，固态继电器输入端正极与控制电源相连，负极与单片机微处理器并行输出口P2.7相连，在加热器与加热箱圆筒间隙处安装微型水泵，微型水泵用螺丝固定在加热箱圆筒底部，将带带孔的玻璃制屏蔽板置于加热器上方，加热器与负载端电源相连、并分别与固态继电器负载端正负极相连，同时单片机微处理器的P0.0口-P0.7口用排线与液晶显示屏相连，其末端分别与单片机微处理器的P2.0～P2.4口相连。结构简单，操作方便，可自动获取五个位置的水温，有效地监测水温，监测稳定，数据精确高。
文档编号G01K7/00GK201564608SQ200920288810
公开日2010年9月1日 申请日期2009年12月4日 优先权日2009年12月4日
发明者乔飞, 李少蕊, 李昭, 秦工, 雷皓 申请人:中国科学院武汉物理与数学研究所