温度控制系统在PCR仪中的应用

1.引言

聚合酶链式反应（Polymerase Chain Reaction，简称PCR），又称无细胞分子克隆或特异性DNA序列体外引物定向酶促扩增技术。PCR技术应用非常广泛，广泛应用在生命科学研究、生化分析、临床诊断、药物分析、法医鉴定和疫情快速检验等各个领域。

温度控制系统的主要任务就是让样品内基因在腔体内进行高温变性(T1)、低温退火(T2)和适温延伸(T3)三个温度阶段的反复循环，使样品内基因完成增殖。温控系统升降温工作循环曲线如图1所示。

目前，PCR检测仪的变温方式主要有两种，分别是变温铝块及变温气流。其优缺点为变温铝块方式应用比较广泛，升降温速率比变温水浴要快，但因PCR管与铝块不可能完全贴使之温度均匀性较差。半导体制冷片变温结构简单，只需向半导体制冷片通电即可加热，改变电压极性即可制冷，所以变温速度较快，但是半导体制冷片容易损坏。变温气流方式，即采用电热丝进行加热，吹入冷空气进行制冷。通过调节功率输出的占空比，就可以调节温度的大小，从而可以实现对温度的升温、降温和恒温的自动控制。另一方面，由于传递热量的介质为空气，空气可以和样品之间实现无缝接触，从而样品溶液的吸热和散热的速度就会很快。

本研究设计并实现了一套适用于实时PCR仪的温度控制系统。系统采用变温气流的方式进行加热，使用常规PID算法进行温度控制。升降温速度极快，实时性强、升降温周期短，为研制商品化的实时定量PCR仪奠定了基础。

2.系统结构

温度控制系统的机械结构主体是一个风腔，采用电热丝加热，冷空气制冷。风腔设有进风口和出风口，风门由步进电机控制，可以任意控制风门的旋转角度，从而达到通过风门改变腔体内的空气流动特性，主要作用是让冷空气进入腔体，热空气从腔体流出，带走热量，达到制冷的作用。腔体内部安装有横流风机，用于加快腔体内部的空气流动，在加热时保持腔体内部空气温度的均匀，在制冷时加快空气流动达到腔体快速降温。腔体上设有装样品的盖口，用于放置样品。腔体内部结构示意图如图2所示。

温控控制系统的硬件执行部件主要包括一个横流风机、两个步进电机、两个霍尔信号传感器、温度采集模块以及加热与制冷模块。图3是整个温度控制系统的具体组成框图。

温度控制包括制冷模块和加热模块，制冷模块主要包括两个风门、一个风机。两个风门分为进风门和出风门，由步进电机控制。风机的主要作用是加快内腔空气流动，保持内腔温度均匀一致，而在降温过程中吹动从风门进入的冷空气，并将风腔内的热空气吹出，达到空气制冷效果。随着冷空气的不断进入，热空气的不断流出，样品温度会不断降低。加热模块主要包括加热装置和加热控制电路两部分。本温控系统采用变温空气加热方式，加热装置选用的电热丝的方式进行加热，而加热控制部分主要是对电热丝的通断控制，从而实现对加热量的控制。

对电热丝加热功率的控制采用PWM控制技术。图4是PWM控制示意图，ON是一个脉冲周期内高电平持续时间，假设当单片机的I/O口为高电平时加热模块工作，则该PWM的占空比=ON/脉冲周期。一般情况下加热的周期都是固定的，所以ON的大小直接决定了PWM占空比的大小，进而影响加热器的功率。而通过模糊PID运算可以得到控制量u(k)的值，并把u(k)的值转化为百分比，然后乘以周期时间，则可以得到ON值，从而得到该周期内加热模块工作的时间，实现对温度的有效控制。

温度采集模块主要由温度传感器、温度变送器、A/D数据采集三大部分组成。由于本温控系统控温范围在50℃～100℃，属于中低温测温范围，且对温度测量精度有较高的要求。基于热电阻式温度传感器的测量精度比热电偶式高，且线性度比热敏电阻式好，故选用热电阻式温度传感器。因热电阻中铂热电阻的测量精度最高，故选用pt100作为本温控系统的温度传感器。

pt100的电阻值随温度的变化而变化，其线性度虽然相对于其他传感器较好，但仍为非线性，需要对其校正，并且需要将pt100的阻值变化转变为电流信号或电压信号，方便进行A/D数据采集。本系统采用温度变送器进行电阻信号到电流信号的转变，并校正pt100的阻值与温度的非线性关系，使得采集回来的温度数据与实际更相符。

温度传感器出来的电流信号经过采样电阻转换为模拟电压信号，再通过A/D转换成数字信号。下位机控制芯片自带8路A/D转换通道，可以将温度变送器的输出信号直接接到下位机上，由下位机上单片机的A/D转换为数字信号，大大简化了系统构成。

经过A/D采集到的温度信号在一恒定温度下会有一定的波动，这是由于干扰所引起的，所以需要对A/D采集到的信号进行数字滤波处理。因为A/D的速度可以达到25万次/秒，可通过多次测量，再取平均值的方法对其滤波。本系统采用对其进行100次A/D采样，去掉最大值和最小值，再取其平均值，将之作为采样的结果。将采样结果通过串口通信传送到上位机，上位机将采样结果实时显示，并绘制实时温度曲线图。温度采集模块组成如图5所示。

3.软件设计

温度控制系统的主要任务就是实现对风腔内温度的控制，主要通过温控算法控温以及向上位机发送实时采集的温度值。为了提高升降温速度，所以在温度相差较大时，不进行PID控温，只有当温差较小时，才进行PID控温，使温度趋于平稳。上位机传送给下位机的是恒温温度、恒温时间以及变温时间三个参数。恒温温度为三个恒温温度段的温度值，恒温时间为三个恒温温度段的恒温持续时间，变温时间为升温和降温的持续时间。下位机根据上位机传送的三个参数，将温度控制分为三个阶段，分别为升温阶段，降温阶段和恒温阶段。图6为升温阶段的控制流程图，定时时间由上位机所发送的升温时间参数确定，ΔT1为设定的温度正偏差，此值一般为正的，因为这时测量的温度会比设定的温度低。因为开升温时，加热是处于全功率状态的，为了确保温度出现超调，需要提前对其关闭，通过设定温度正偏差实现。所以当温度小于温度正偏差时，关升温，停止加热，进入恒温阶段。

图1 PCR升降温工作循环曲线

图2 腔体内部结构示意图

图3 温度控制系统组成框图

图4 PWM控制示意图

图5 温度采集模块组成

图6 升温阶段的控制流程图

图7 升温阶段控制流程框图

图8 恒温阶段控制流程框图

图7是降温阶段的控制流程图，定时时间由上位机所发送的降温时间参数确定，图4.10中，ΔT2为设定的温度偏差，此值一般为负的，因为这时测量的温度会比设定的温度高。

开降温时，将进、出风门完全打开，在每次开降温前判断风门是否打开。若风门处于打开状态则保持打开状态，若处于关闭状态则执行打开动作。开升温与之一致。

如图8，在恒温阶段的定时时间由恒温持续时间决定，恒温阶段是温度偏差比较小，这时，使用PID算法控制加热的功率，使温度处于稳定状态。

4.结束语

对温度控制系统的软硬件进行了设计与调试，达到了设计要求。升温速率可达到8℃/s，降温速率可达到10℃/s。极大的提高了温控系统的升降温速率。

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