為了研究人在高空環境中的生活與使用藥物的影響，常常需要對與人生活密切相關的溫度、氣壓及人的活動狀態進行監測。在科學實驗中，常常需要模擬這些溫度、氣壓等環境條件，用與人體生理特征相似的動物作為研究對象，通過對一組動物在不同溫度、氣壓和藥劑量的情況下的動物活動狀況的監測，來分析各種因素之間的聯系，從而指導人們的用藥。目前，在常見的動物藥理實驗監測現場中，對動物環境的溫度和氣壓多采用傳統的模擬或數字儀器測量方法，而對動物的活動狀態則使用人工監測或攝像等方法。這種傳統的監測方法因其精度低、記錄數據可靠性差、數據處理" title="數據處理">數據處理和網絡功能不強等原因，越來越不能滿足實驗現場的需要^[1]。這里，針對醫院動物藥理實驗檢測現場的需要，開發了一套動物藥理實驗自動監控系統。該系統可監測動物環境的溫度、大氣壓力和荷重，并可根據控制需要調節動物所處高壓倉的溫度和氣壓。
1 系統結構
　　該系統由一臺監控主機(PC機)和多臺(最多32臺)智能數據采集" title="數據采集">數據采集儀(前端單片機)組成。智能數據采集儀能自動采集、顯示和存儲一段時間內的多路溫度、壓力、荷重等數據，并能進行一定的數據處理，而且還能控制高壓倉的加熱設備和空氣壓縮機。監控主機具有友好的人機界面，通過串口與前端單片機通信，對前端單片機進行各種參數設定和數據采集，并能把接收的數據進行統計、圖表顯示和打印輸出，而且還能按照用戶的具體要求做進一步的數據分析處理。系統結構如圖1所示。

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2 智能數據采集儀
　　智能數據采集儀由單片機、傳感與檢測模塊、A/D" title="A/D">A/D轉換模塊、數據存儲模塊、硬件時鐘模塊、人機界面模塊和通信模塊等部分組成。智能數據采集儀如圖2所示。單片機作為應用系統的控制中心，完成多路信息(溫度、壓力、荷重等)的實時采集，以及對定時采集的數據進行數字濾波、求平均值、分時存儲等，并根據主機發送過來的控制參數，對被測對象的溫度、壓力等參數進行控制調節。
2.1傳感與檢測模塊
　　因為需要檢測動物籠中的溫度、空氣壓力和動物的活動能量，因此設計了測溫、測氣壓和測動物活動能量三個模塊，各模塊分別采用溫度、荷重、氣壓傳感器進行采集。
2.1.1 測溫電路的設計
　　把溫度傳感器LM335作為一個兩端器件與一個電阻串聯，再加上適當的電壓，就可以得到靈敏度為10mV/K、直接正比于絕對溫度的測溫電路模塊。
2.1.2 測壓模塊的設計
　　測量動物所處的動物籠內的空氣壓力(高壓密封倉內的空氣壓力)以及籠外的空氣壓力，采用Motorola公司生產的MPX100集成應變式壓力傳感器模塊來完成。這個模塊采用X形壓敏電阻，實現了0℃～85℃范圍內的溫度補償^[2]。
2.1.3 動物活動能量測量模塊的設計
　　動物活動的能量與動物活動的劇烈程度有直接的關系，動物活動的劇烈程度可以通過荷重傳感器的變化程度反映出來，因此可以用荷重傳感器的變化量來近似表示動物的活動能量。選擇OP-07運算放大器作為荷重放大電路，放大倍數為300，以保證系統正常穩定運行。
2.2 A/D轉換模塊
　　系統需要檢測的信號量共有八路(兩路溫度、兩路氣壓與四路荷重)。微處理器和A/D轉換器TLC2543之間的數據傳送采用軟件合成SPI操作來實現。二者之間的接口電路" title="接口電路">接口電路如圖3中左半部分所示。TLC2543的I/O CLOCK、DATA INPUT和CS由單片機的雙向I/O口的P11、P12和P10提供。TLC2543轉換結果的輸出數據由P13接收。為了檢驗A/D轉換結果的正確性，另外選擇了通道AIN9連接參考電壓V_ref、通道AIN8連接GND作為檢測A/D轉換結果正確與否的檢測通道，使系統具有A/D轉換器件的自檢功能，以保證系統A/D轉換的可靠性。
2.3 實時時鐘模塊
　　硬件時鐘較軟件合成的時鐘準確性高。硬件時鐘采用DS12887來提供。DS12887片內共有128個字節的帶有掉電保護功能的RAM^[3]。另外，DS12887具有頻率可調的方波輸出能力，可以利用該特性來定時采集A/D數據，連接DS12887的SQW管腳與89C51的端，由DS12887的方波觸發89C51的外部中斷" title="外部中斷">外部中斷0，實現系統精確的定時采集，從而便于進一步的數據處理。接口電路如圖3中右半部分所示。
2.4 人機界面設計
　　鍵盤采用4×4距陣鍵盤，鍵的功能定義分為數字鍵和功能鍵，數字鍵為0～9，系統的功能鍵主要有CLR(清除鍵)、OK(確認鍵)、MENU(主菜單鍵)、上翻鍵、下翻鍵。液晶顯示器選用信利公司的產品，其分辨率為128×32點陣。人機界面接口設計如圖4所示。

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2.5 功率接口與看門狗模塊
　　為了對被測對象所在環境的溫度、壓力等參數進行調控，系統必須與大功率的外部設備如壓縮機、空調等接口。同時為防止干擾造成程序跑飛而破壞RAM存儲器中的數據，采用X25045可編程看門狗監控芯片來設計看門狗監控電路。
2.6通信模塊
　　監控主機和多臺自動數據采集儀之間采用串行總線型主從式網絡結構，實現系統的半雙工通信。通信模塊由單片機、RS485通信接口電路和RS232/RS485電平轉換電路組成。
　　采用MAX485實現單片機的TTL電平與RS-485通信協議的接口電路。由于串行總線在任一時刻只允許一對接口進行通信，每臺智能數據采集儀都有自己唯一的通訊地址碼，因此只有當監控主機選中相應的數據采集儀時，才能對其動物籠內的動物活動情況進行實時監測或對歷史記錄數據進行采集。
　　由于PC機是RS-232C標準串行口，為了使PC機數據能夠通過RS-485串行數據總線傳輸，需要設計RS-232串行電平轉換成RS-485協議電平的接口電路。通信電路如圖5所示。
3 系統軟件
　　系統軟件包括PC機應用軟件和單片機應用軟件。單片機軟件主要實現定時數據采集、數字信號處理、存儲、顯示、通信處理等功能； PC機軟件主要是對數據進行進一步處理，實現實時監測、動態顯示、歷史數據查詢、曲線繪制、報表顯示以及打印輸出等功能。
3.1 PC機應用軟件設計
　　PC機數據處理軟件的主要功能是完成對前端數據分站的數據采集、統計、動態模擬、曲線及報表繪制、打印輸出等。程序采用VB6.0編程語言編寫。VB6.0建立在多任務方式的基礎上，具有編程簡單、圖形功能豐富等優點^[4]。軟件采用按鈕式界面，用戶可以象操作按鈕式儀器一樣使用它。其軟件分層圖如圖6 所示。

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3.2單片機軟件設計
　　單片機軟件由主程序、外部中斷程序、串行口中斷程序三個模塊組成。主程序主要由中斷方式、串行口方式、定時器方式初始化，RAM、ROM、CPU運算，I/O檢測，數據處理，數據存儲判斷，液晶顯示等程序模塊組成；外部中斷程序是利用硬件實時時鐘DS12887定時觸發單片機的外部中斷，實現控制系統A/D的采集頻率；串行口中斷程序實現單片機與主機交換信息和數據。
　　動物藥理實驗自動監測系統已經在空軍醫院現場得到實驗及應用。經過近一年來的實際應用表明，該系統可滿足某部隊醫院動物藥理實驗中監測現場溫度、壓力、動物活動能量時對監測精度、穩定性等的要求；現場監測抗干擾能力強、可靠性高；各采集區采用RS－485總線結構，布線和維護簡便，柔性和擴展性強；系統應用軟件界面友好、操作簡便，能實時采集、顯示和存儲數據。因而，對需要大量數據實時監測和采集的場合非常實用，具有廣泛的推廣和應用價值。