基于stm32的PCR温控系统的设计

许健 李治宏

基因测序首先需要聚合酶链式反应（PCR）要对样品进行扩增，而温度控制是PCR过程正常进行的关键一步。PCR过程是由3个温度循环过程，变性（95℃）、退火（65℃）、延伸（75℃）构成。本项目以STM32F103ZET6为控制核心，通过AD590精准温度传感器采集数据，应用模糊PID算法来快速、准确调控半导体制冷片TEC1-12706的工作电流，进而实现响应快速、精确的温度控制的目的。在满足时间与温度的精准要求的同时使整个产品更加可靠，稳定。

基因温控;PID算法;半导体制冷

1研制背景及意义

1.1研制背景

基因扩增和定量分析技术是生命科学领域中应用最为广泛的关键技术之一。在基因测序的过程中，首先要对稀有的基因样品进行聚合酶链式扩增，使待测基因的数量呈指数倍的增加，才能进行测序。PCR反应是指在一个微小小容器中进行DNA复制的化学反应，采用DNA聚合酶，在体外进行基因样品的扩增。在此过程中，温度过高会损害酶活性，时间过短会使靶序列变性不彻底，易造成擴增失败。而国内只有几家厂家能够生产出质量较好的PCR仪器，要低于国外主厂家PCR仪器的指标，因此研制开发适合国情，功能比较齐全，温控要求准，快，而且温度的超调量比较小，升降温度快，精度要求高，性能比较优良，能为我国广大中小用户所接受的PCR仪器对促进我国生命科学仪器的发展和其他领域应用具有现实和深远的意义。

2工作原理及性能分析

2.1工作原理

2.1.1聚合酶链式扩增

PCR反应是指在一个微小小容器中进行DNA复制的化学反应，采用DNA聚合酶，在体外进行基因样品的扩增，其原理与生物体内的复制过程类似，通过加热高温变性、降温冷却退火、恒温延伸的办法使DNA解链、复制，周期性的进行变性、退火、延伸过程就可以扩增DNA。PCR由变性--退火--延伸三个基本反应步骤构成：①模板DNA的变性：模板DNA经加热至95℃左右一定时间后，使模板DNA双链或经PCR扩增形成的双链DNA解离，使之成为单链，②模板DNA与引物的退火：模板DNA经加热变性成单链后，温度降至65℃左右，引物与模板DNA单链的互补序列配对结合;③引物的延伸：DNA模板--引物结合物在75℃条件下、按碱基互补配对与半保留复制原理，合成一条新的与模板DNA链互补的半保留复制链，不断重复此循环可以实现DNA数量的迅速增加。

3设计方案

3.1控制系统

本系统所采用的主控芯片STM32F103ZET6是基于专为要求高性能、低成本、低功耗的嵌入式应用专门设计的ARMCortex-M3内核，最高工作频率72MHz，1.25DMIPS/MHz。集成嵌入式Flash和SRAM存储器的ARMCortex-M3内核。和8/16位设备相比，ARMCortex-M332位RISC处理器提供了更高的代码效率。STM32F103xx微控制器带有一个嵌入式的ARM核，所以可以兼容所有的ARM工具和软件。

3.1.2主要工作模块：

（1）半导体制冷片TEC1—12706

本项目采用半导体制冷片对温度进行控制，使用一个片件就可以代替分立的加热系统和制冷系统，它的热惯性也非常小，制冷制热时间很快，在热端散热良好冷端空载的情况下，通电不到一分钟，制冷片就能达到最大温差，从而使我们的温控效果更精确、迅速。它不需要任何制冷剂，可连续工作，没有污染源没有旋转部件，不会产生回转效应。此外，半导体制冷片是一种固体片件，工作时没有震动、噪音、寿命长。符合该项目的温控需求。

（2）温度传感器AD590

AD590温度控制精度较高，故选择传感器作为本系统的感温原件。AD590是一款双端集成电路温度传感器，其输出电流与绝对温度成比例。在至电源电压范围内，该器件可充当一个高阻抗、恒流调节器，调节系数为1ua/k。片内薄膜电阻经过激光调整，可用于校准器件，使该器件在300K（27℃）时输出300ua电流。适用于150℃以下采用传统电气温度传感器的任何温度检测应用低成本的审芯片集成电路及无需支持电路的特点，使它成为许多温度测量应用的一种很有吸引力的备选方案。应用时，无需线性化电路、精密电压放大器、电阻测量电路和冷结补偿。

3.2基因扩增反应腔

本设计采用聚二甲基硅氧烷作为反应腔，其为一种高分子有机硅化合物。具有光学透明和抗紫外线的作用，且在一般情况下，被认为是惰性，无毒，不易燃。较好的保证了基因扩增过程的进行。

4应用前景

本作品采用单片机作为控制核心，利用半导体制冷片进行温度控制，采用PID算法来完成短时间内的温度调节，解决在PCR扩增过程中的时间与温度控制的不精确问题，具有造价低、制作简单、环保无污染等特点，具有很好的应用前景。