基于Atmega128微控制器的芯片级PCR仪温度控制系统

谭小元，杨琴琴，王培成，廖红华

(湖北民族学院 信息工程学院,湖北 恩施 445000)

聚合酶链反应(PCR)是一种对核酸分子进行体外扩增的方法，已广泛应用于生命科学各个领域.但常规的PCR仪因存在着耗时长，操作烦琐，试剂消耗量大等缺点，在实际应用中存在诸多不足.而芯片PCR仪扩增与常规PCR仪扩增相比，具有反应混合液体积小、反应试剂消耗量低、达到热平衡所需的时间少、扩增产物的特异性强；温度循环控制系统升/降温速率大幅提高、反应时间成倍缩短；微通道表面积/体积较大、热传递速率快、PCR循环时间短；易于集成化和功能化等优点[1-7].在芯片级PCR仪技术研究中，芯片级PCR仪的温度控制是一个至关重要环节，结合课题实际需要，本文介绍了一种基于Atmega128微控制器实现芯片级PCR仪温度控制系统的设计方案，并重点介绍了其硬件、软件的实现.

1 蛇形铜网温度传感器

考虑到芯片级PCR仪实际，采用柔性PCB制作蛇形铜网温度传感器，其示意图如图1所示.

图1 蛇形铜网温度传感器示意图Fig.1 The schematic diagram of snake-like copper network temperature sensor

图2 分段增量式PID控温算法示意图Fig.2 The schematic diagram of the segmentation incremental PID temperature control algorithm

图3 硬件系统框图Fig.3 The hardware diagram of the system

系统中，选用铜网作为温度传感器，主要原因在于铜具有稳定的物理和化学性能，输入-输出特性接近线性.其阻值和温度关系可以表示为：

R(T)=R(T0)[1+α(T- 0)]

(1)

式中：T0为参考温度(通常情况下T0=20℃)，T为铜网所处的温度，R(T0)为铜网在T0条件下阻值，R(T)为铜网在T条件下阻值，α为温度系数.

设计蛇形铜网时，相邻导线中心距为0.2 mm，导线截面为一个矩形，宽55m，高35m.依据均匀长材料构成的电阻计算公式有，该蛇形铜网在20℃时其阻值约为3.14 Ω，其中铜的电阻率ρ=1.68×10-8Ω·m，铜导线长度约0.36 m，截面积为55m×35m.

2 分段增量式PID控温算法

为了快速实现芯片级PCR仪温度控制，系统选用分段增量式PID算法.常规增量式PID控制器是一种线性控制器，它根据设定值Tset(t)与实际温度值Tact(t)的偏差，是利用比例、积分、微分计算出控制量进行控制的.实际控温时，控制量为PWM波形的占空比，其控制算式表示为：

(1)

式中：E(t)=Tset(t)-Tact(t).

常规增量式PID控制器各校正环节的作用：

1)比例环节：即时成比例地反应控制系统的偏差E(k)，偏差一旦产生，调节器立即产生控制作用以减小偏差.

2)积分环节：主要用于消除静差，提高系统的无差度.积分作用的强弱取决于积分时间常数TI，TI越大，积分作用越弱，反之则越强.

3)微分环节：能反应偏差的变化趋势(变化速率)，并能在偏差值变的太大之前，在系统中引入一个有效的早期修正信号，从而加快系统的动作速度，减小调节时间[8-10].

考虑到PCR反应实际，即PCR反应分为三个温区，分别是高温变性(95℃)，低温退火(55℃)，中温延伸(72℃).在不同的温度点，芯片与周围环境温差不同，芯片与外部的热交换速度也不同，对于这种温度控制存在着时变性、非线性、目标性质不确定等不利因素，为此，将这三个温度点各自设定独立的PID参数，构成了分段增量式PID算法，如图2所示.

此方案能有效克服系统的时变性、非线性、目标性质不确定等不利因素，且实现容易.

3 芯片级PCR仪温度控制系统的硬件设计

该芯片级PCR仪温度控制系统以Atmega128微控制器为控制核心，前置放大电路，半导体制冷片及其驱动模块，红外遥控接收模块，LCD显示模块等部分构成，其硬件系统框图如图3所示.

系统工作原理：将PCR反应试液放入PCR微反应腔，并将PCR循环次数、PCR反应温度和时间通过遥控器输入此智能系统，之后按启动键，系统开始工作，系统根据PCR循环次数、PCR反应温度和时间采取相应的控制策略完成PCR反应.通过对微反应腔的温度进行实时检测并反馈回系统，系统据反馈的信息实时调节加热/制冷的速度，使反应腔的温度按要求变化，从而完成PCR温度循环.

图4 电压基准芯片MAX6350构成的恒流源电路示意图Fig.4 The constant current source circuit schematic diagram by the voltage reference chip, MAX6350

图5 前置信号放大电路示意图Fig.5 The schematic diagram of the signal amplification preposition circuits

图6 半导体制冷片驱动控制原理图Fig.6 The driving control principle schematic diagram of semiconductor-refrigerating chips

3.1 Atmgea128微控制器的性能特点

Atmgea128是一款增强型高速、低功耗8位微控制器采用独立的数据总线和程序总线的哈佛结构，程序存储器中的指令通过一级流水线运行，工作频率高达16 MHz；具有128k字节的片内可编程Flash(具有在写的过程中还可以读的能力，即RWW)、4 k字节的EEPROM、4k字节的SRAM、53个通用I/O口线、32个通用工作寄存器、实时时钟RTC、4个灵活的具有比较模式和PWM功能的定时器/计数器(T/C)、两个USART、面向字节的两线接口TWI、8通道10位ADC(具有可选的可编程增益，采样率可达15kSPS)、具有片内振荡器的可编程看门狗定时器、SPI串行端口、与IEEE 1149.1规范兼容的JTAG测试接口(此接口同时还可以用于片上调试)，以及六种可以通过软件选择的省电模式.

3.2 恒流源电路设计

采用用Maxim公司的低噪声、超低温漂的电压基准芯片MAX6350设计专门的恒流电路，如图4所示.

3.3 前置信号放大电路及ADC电路

通常情况下，恒流源电路输出电压为50～100 mV，不易直接进行AD采集，需要进行信号放大处理，考虑到外界的干扰，加入了滤波电路，以增加系统的稳定性，电路如图5所示.

系统设计时，运算放大器选用OP-07，在信号放大电路之前，首先用一个电压跟随器减小后级电路对恒流源电路的干扰，增加了温度测量的准确性.而后用一个二阶巴特沃斯滤波器滤除高频干扰信号，最后采用同相比例放大电路实现信号放大.所设计的二阶巴特沃斯滤波器参数如下：

3.4 半导体制冷片及控制电路

温度的快速加热及快速制冷采用热电制冷片，对于半导体制冷片的控制采用H桥式驱动电路控制，其控制电路原理示意图如图6所示.

通过微控制器的定时器产生PWM，通过光耦隔离数、模电路，而后通过三极管放大，驱动MOSFET组成的H桥，实现半导体制冷片制冷、加热控制，其实质就是改变半导体制冷片加电顺序，微控制器输出两路控制信号，如果PWM_1输出低电平，T2导通，T3、T6截止，从PWM_2输出PWM波形，此时T5和T4受PWM波形控制，电流从半导体制冷片黑线端流至红线端，制冷片制冷.如果PWM_2输出低电平，T1导通，T4、T5截止，从PWM_1输出PWM波形，此时T3和T6受PWM波形控制，电流从半导体制冷片红线端流至黑线端，制冷片发热.

图7 系统软件流程图Fig.7 The software flow diagram of the system

3.5 芯片级PCR仪温度控制系统的软件设计

系统软件设计主要包含分段增量式PID控温算法、温度控制程序及人机交互程序.其中系统软件流程图如图7所示

4 结语

基于Atmega128微控制器控制的芯片级PCR仪温度控制系统的设计，重点介绍了系统硬件、软件设计，并搭建了基于Atmega128微控制器控制的芯片级PCR仪实验样机.实验表明，采用分段增量式PID算法能有效降低系统超调量，提高系统的控温速度和控温精度，采用蛇形铜网温度传感器能提高系统集成度，提高系统的测温精度，这对于推动芯片级PCR仪的发展与普及具有十分重要的现实意义.

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