溫度控制系統在PCR儀中的應用

1.引言

聚合酶鏈式反應（Polymerase Chain Reaction，簡稱PCR），又稱無細胞分子克隆或特異性DNA序列體外引物定向酶促擴增技術。PCR技術應用非常廣泛，廣泛應用在生命科學研究、生化分析、臨床診斷、藥物分析、法醫鑒定和疫情快速檢驗等各個領域。

溫度控制系統的主要任務就是讓樣品內基因在腔體內進行高溫變性(T1)、低溫退火(T2)和適溫延伸(T3)三個溫度階段的反復循環，使樣品內基因完成增殖。溫控系統升降溫工作循環曲線如圖1所示。

目前，PCR檢測儀的變溫方式主要有兩種，分別是變溫鋁塊及變溫氣流。其優缺點為變溫鋁塊方式應用比較廣泛，升降溫速率比變溫水浴要快，但因PCR管與鋁塊不可能完全貼使之溫度均勻性較差。半導體制冷片變溫結構簡單，只需向半導體制冷片通電即可加熱，改變電壓極性即可制冷，所以變溫速度較快，但是半導體制冷片容易損壞。變溫氣流方式，即采用電熱絲進行加熱，吹入冷空氣進行制冷。通過調節功率輸出的占空比，就可以調節溫度的大小，從而可以實現對溫度的升溫、降溫和恒溫的自動控制。另一方面，由于傳遞熱量的介質為空氣，空氣可以和樣品之間實現無縫接觸，從而樣品溶液的吸熱和散熱的速度就會很快。

本研究設計并實現了一套適用于實時PCR儀的溫度控制系統。系統采用變溫氣流的方式進行加熱，使用常規PID算法進行溫度控制。升降溫速度極快，實時性強、升降溫周期短，為研制商品化的實時定量PCR儀奠定了基礎。

2.系統結構

溫度控制系統的機械結構主體是一個風腔，采用電熱絲加熱，冷空氣制冷。風腔設有進風口和出風口，風門由步進電機控制，可以任意控制風門的旋轉角度，從而達到通過風門改變腔體內的空氣流動特性，主要作用是讓冷空氣進入腔體，熱空氣從腔體流出，帶走熱量，達到制冷的作用。腔體內部安裝有橫流風機，用于加快腔體內部的空氣流動，在加熱時保持腔體內部空氣溫度的均勻，在制冷時加快空氣流動達到腔體快速降溫。腔體上設有裝樣品的蓋口，用于放置樣品。腔體內部結構示意圖如圖2所示。

溫控控制系統的硬件執行部件主要包括一個橫流風機、兩個步進電機、兩個霍爾信號傳感器、溫度采集模塊以及加熱與制冷模塊。圖3是整個溫度控制系統的具體組成框圖。

溫度控制包括制冷模塊和加熱模塊，制冷模塊主要包括兩個風門、一個風機。兩個風門分為進風門和出風門，由步進電機控制。風機的主要作用是加快內腔空氣流動，保持內腔溫度均勻一致，而在降溫過程中吹動從風門進入的冷空氣，并將風腔內的熱空氣吹出，達到空氣制冷效果。隨著冷空氣的不斷進入，熱空氣的不斷流出，樣品溫度會不斷降低。加熱模塊主要包括加熱裝置和加熱控制電路兩部分。本溫控系統采用變溫空氣加熱方式，加熱裝置選用的電熱絲的方式進行加熱，而加熱控制部分主要是對電熱絲的通斷控制，從而實現對加熱量的控制。

對電熱絲加熱功率的控制采用PWM控制技術。圖4是PWM控制示意圖，ON是一個脈沖周期內高電平持續時間，假設當單片機的I/O口為高電平時加熱模塊工作，則該PWM的占空比=ON/脈沖周期。一般情況下加熱的周期都是固定的，所以ON的大小直接決定了PWM占空比的大小，進而影響加熱器的功率。而通過模糊PID運算可以得到控制量u(k)的值，并把u(k)的值轉化為百分比，然后乘以周期時間，則可以得到ON值，從而得到該周期內加熱模塊工作的時間，實現對溫度的有效控制。

溫度采集模塊主要由溫度傳感器、溫度變送器、A/D數據采集三大部分組成。由于本溫控系統控溫范圍在50℃～100℃，屬于中低溫測溫范圍，且對溫度測量精度有較高的要求?；跓犭娮枋綔囟葌鞲衅鞯臏y量精度比熱電偶式高，且線性度比熱敏電阻式好，故選用熱電阻式溫度傳感器。因熱電阻中鉑熱電阻的測量精度最高，故選用pt100作為本溫控系統的溫度傳感器。

pt100的電阻值隨溫度的變化而變化，其線性度雖然相對于其他傳感器較好，但仍為非線性，需要對其校正，并且需要將pt100的阻值變化轉變為電流信號或電壓信號，方便進行A/D數據采集。本系統采用溫度變送器進行電阻信號到電流信號的轉變，并校正pt100的阻值與溫度的非線性關系，使得采集回來的溫度數據與實際更相符。

溫度傳感器出來的電流信號經過采樣電阻轉換為模擬電壓信號，再通過A/D轉換成數字信號。下位機控制芯片自帶8路A/D轉換通道，可以將溫度變送器的輸出信號直接接到下位機上，由下位機上單片機的A/D轉換為數字信號，大大簡化了系統構成。

經過A/D采集到的溫度信號在一恒定溫度下會有一定的波動，這是由于干擾所引起的，所以需要對A/D采集到的信號進行數字濾波處理。因為A/D的速度可以達到25萬次/秒，可通過多次測量，再取平均值的方法對其濾波。本系統采用對其進行100次A/D采樣，去掉最大值和最小值，再取其平均值，將之作為采樣的結果。將采樣結果通過串口通信傳送到上位機，上位機將采樣結果實時顯示，并繪制實時溫度曲線圖。溫度采集模塊組成如圖5所示。

3.軟件設計

溫度控制系統的主要任務就是實現對風腔內溫度的控制，主要通過溫控算法控溫以及向上位機發送實時采集的溫度值。為了提高升降溫速度，所以在溫度相差較大時，不進行PID控溫，只有當溫差較小時，才進行PID控溫，使溫度趨于平穩。上位機傳送給下位機的是恒溫溫度、恒溫時間以及變溫時間三個參數。恒溫溫度為三個恒溫溫度段的溫度值，恒溫時間為三個恒溫溫度段的恒溫持續時間，變溫時間為升溫和降溫的持續時間。下位機根據上位機傳送的三個參數，將溫度控制分為三個階段，分別為升溫階段，降溫階段和恒溫階段。圖6為升溫階段的控制流程圖，定時時間由上位機所發送的升溫時間參數確定，ΔT1為設定的溫度正偏差，此值一般為正的，因為這時測量的溫度會比設定的溫度低。因為開升溫時，加熱是處于全功率狀態的，為了確保溫度出現超調，需要提前對其關閉，通過設定溫度正偏差實現。所以當溫度小于溫度正偏差時，關升溫，停止加熱，進入恒溫階段。

圖1 PCR升降溫工作循環曲線

圖2 腔體內部結構示意圖

圖3 溫度控制系統組成框圖

圖4 PWM控制示意圖

圖5 溫度采集模塊組成

圖6 升溫階段的控制流程圖

圖7 升溫階段控制流程框圖

圖8 恒溫階段控制流程框圖

圖7是降溫階段的控制流程圖，定時時間由上位機所發送的降溫時間參數確定，圖4.10中，ΔT2為設定的溫度偏差，此值一般為負的，因為這時測量的溫度會比設定的溫度高。

開降溫時，將進、出風門完全打開，在每次開降溫前判斷風門是否打開。若風門處于打開狀態則保持打開狀態，若處于關閉狀態則執行打開動作。開升溫與之一致。

如圖8，在恒溫階段的定時時間由恒溫持續時間決定，恒溫階段是溫度偏差比較小，這時，使用PID算法控制加熱的功率，使溫度處于穩定狀態。

4.結束語

對溫度控制系統的軟硬件進行了設計與調試，達到了設計要求。升溫速率可達到8℃/s，降溫速率可達到10℃/s。極大的提高了溫控系統的升降溫速率。

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