基于Atmega128微控制器的芯片級PCR儀溫度控制系統(tǒng)

譚小元，楊琴琴，王培成，廖紅華

(湖北民族學(xué)院 信息工程學(xué)院,湖北 恩施 445000)

聚合酶鏈反應(yīng)(PCR)是一種對核酸分子進行體外擴增的方法，已廣泛應(yīng)用于生命科學(xué)各個領(lǐng)域.但常規(guī)的PCR儀因存在著耗時長，操作煩瑣，試劑消耗量大等缺點，在實際應(yīng)用中存在諸多不足.而芯片PCR儀擴增與常規(guī)PCR儀擴增相比，具有反應(yīng)混合液體積小、反應(yīng)試劑消耗量低、達(dá)到熱平衡所需的時間少、擴增產(chǎn)物的特異性強；溫度循環(huán)控制系統(tǒng)升/降溫速率大幅提高、反應(yīng)時間成倍縮短；微通道表面積/體積較大、熱傳遞速率快、PCR循環(huán)時間短；易于集成化和功能化等優(yōu)點[1-7].在芯片級PCR儀技術(shù)研究中，芯片級PCR儀的溫度控制是一個至關(guān)重要環(huán)節(jié)，結(jié)合課題實際需要，本文介紹了一種基于Atmega128微控制器實現(xiàn)芯片級PCR儀溫度控制系統(tǒng)的設(shè)計方案，并重點介紹了其硬件、軟件的實現(xiàn).

1 蛇形銅網(wǎng)溫度傳感器

考慮到芯片級PCR儀實際，采用柔性PCB制作蛇形銅網(wǎng)溫度傳感器，其示意圖如圖1所示.

圖1 蛇形銅網(wǎng)溫度傳感器示意圖Fig.1 The schematic diagram of snake-like copper network temperature sensor

圖2 分段增量式PID控溫算法示意圖Fig.2 The schematic diagram of the segmentation incremental PID temperature control algorithm

圖3 硬件系統(tǒng)框圖Fig.3 The hardware diagram of the system

系統(tǒng)中，選用銅網(wǎng)作為溫度傳感器，主要原因在于銅具有穩(wěn)定的物理和化學(xué)性能，輸入-輸出特性接近線性.其阻值和溫度關(guān)系可以表示為：

R(T)=R(T0)[1+α(T- 0)]

(1)

式中：T0為參考溫度(通常情況下T0=20℃)，T為銅網(wǎng)所處的溫度，R(T0)為銅網(wǎng)在T0條件下阻值，R(T)為銅網(wǎng)在T條件下阻值，α為溫度系數(shù).

設(shè)計蛇形銅網(wǎng)時，相鄰導(dǎo)線中心距為0.2 mm，導(dǎo)線截面為一個矩形，寬55m，高35m.依據(jù)均勻長材料構(gòu)成的電阻計算公式有，該蛇形銅網(wǎng)在20℃時其阻值約為3.14 Ω，其中銅的電阻率ρ=1.68×10-8Ω·m，銅導(dǎo)線長度約0.36 m，截面積為55m×35m.

2 分段增量式PID控溫算法

為了快速實現(xiàn)芯片級PCR儀溫度控制，系統(tǒng)選用分段增量式PID算法.常規(guī)增量式PID控制器是一種線性控制器，它根據(jù)設(shè)定值Tset(t)與實際溫度值Tact(t)的偏差，是利用比例、積分、微分計算出控制量進行控制的.實際控溫時，控制量為PWM波形的占空比，其控制算式表示為：

(1)

式中：E(t)=Tset(t)-Tact(t).

常規(guī)增量式PID控制器各校正環(huán)節(jié)的作用：

1)比例環(huán)節(jié)：即時成比例地反應(yīng)控制系統(tǒng)的偏差E(k)，偏差一旦產(chǎn)生，調(diào)節(jié)器立即產(chǎn)生控制作用以減小偏差.

2)積分環(huán)節(jié)：主要用于消除靜差，提高系統(tǒng)的無差度.積分作用的強弱取決于積分時間常數(shù)TI，TI越大，積分作用越弱，反之則越強.

3)微分環(huán)節(jié)：能反應(yīng)偏差的變化趨勢(變化速率)，并能在偏差值變的太大之前，在系統(tǒng)中引入一個有效的早期修正信號，從而加快系統(tǒng)的動作速度，減小調(diào)節(jié)時間[8-10].

考慮到PCR反應(yīng)實際，即PCR反應(yīng)分為三個溫區(qū)，分別是高溫變性(95℃)，低溫退火(55℃)，中溫延伸(72℃).在不同的溫度點，芯片與周圍環(huán)境溫差不同，芯片與外部的熱交換速度也不同，對于這種溫度控制存在著時變性、非線性、目標(biāo)性質(zhì)不確定等不利因素，為此，將這三個溫度點各自設(shè)定獨立的PID參數(shù)，構(gòu)成了分段增量式PID算法，如圖2所示.

此方案能有效克服系統(tǒng)的時變性、非線性、目標(biāo)性質(zhì)不確定等不利因素，且實現(xiàn)容易.

3 芯片級PCR儀溫度控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計

該芯片級PCR儀溫度控制系統(tǒng)以Atmega128微控制器為控制核心，前置放大電路，半導(dǎo)體制冷片及其驅(qū)動模塊，紅外遙控接收模塊，LCD顯示模塊等部分構(gòu)成，其硬件系統(tǒng)框圖如圖3所示.

系統(tǒng)工作原理：將PCR反應(yīng)試液放入PCR微反應(yīng)腔，并將PCR循環(huán)次數(shù)、PCR反應(yīng)溫度和時間通過遙控器輸入此智能系統(tǒng)，之后按啟動鍵，系統(tǒng)開始工作，系統(tǒng)根據(jù)PCR循環(huán)次數(shù)、PCR反應(yīng)溫度和時間采取相應(yīng)的控制策略完成PCR反應(yīng).通過對微反應(yīng)腔的溫度進行實時檢測并反饋回系統(tǒng)，系統(tǒng)據(jù)反饋的信息實時調(diào)節(jié)加熱/制冷的速度，使反應(yīng)腔的溫度按要求變化，從而完成PCR溫度循環(huán).

圖4 電壓基準(zhǔn)芯片MAX6350構(gòu)成的恒流源電路示意圖Fig.4 The constant current source circuit schematic diagram by the voltage reference chip, MAX6350

圖5 前置信號放大電路示意圖Fig.5 The schematic diagram of the signal amplification preposition circuits

圖6 半導(dǎo)體制冷片驅(qū)動控制原理圖Fig.6 The driving control principle schematic diagram of semiconductor-refrigerating chips

3.1 Atmgea128微控制器的性能特點

Atmgea128是一款增強型高速、低功耗8位微控制器采用獨立的數(shù)據(jù)總線和程序總線的哈佛結(jié)構(gòu)，程序存儲器中的指令通過一級流水線運行，工作頻率高達(dá)16 MHz；具有128k字節(jié)的片內(nèi)可編程Flash(具有在寫的過程中還可以讀的能力，即RWW)、4 k字節(jié)的EEPROM、4k字節(jié)的SRAM、53個通用I/O口線、32個通用工作寄存器、實時時鐘RTC、4個靈活的具有比較模式和PWM功能的定時器/計數(shù)器(T/C)、兩個USART、面向字節(jié)的兩線接口TWI、8通道10位ADC(具有可選的可編程增益，采樣率可達(dá)15kSPS)、具有片內(nèi)振蕩器的可編程看門狗定時器、SPI串行端口、與IEEE 1149.1規(guī)范兼容的JTAG測試接口(此接口同時還可以用于片上調(diào)試)，以及六種可以通過軟件選擇的省電模式.

3.2 恒流源電路設(shè)計

采用用Maxim公司的低噪聲、超低溫漂的電壓基準(zhǔn)芯片MAX6350設(shè)計專門的恒流電路，如圖4所示.

3.3 前置信號放大電路及ADC電路

通常情況下，恒流源電路輸出電壓為50～100 mV，不易直接進行AD采集，需要進行信號放大處理，考慮到外界的干擾，加入了濾波電路，以增加系統(tǒng)的穩(wěn)定性，電路如圖5所示.

系統(tǒng)設(shè)計時，運算放大器選用OP-07，在信號放大電路之前，首先用一個電壓跟隨器減小后級電路對恒流源電路的干擾，增加了溫度測量的準(zhǔn)確性.而后用一個二階巴特沃斯濾波器濾除高頻干擾信號，最后采用同相比例放大電路實現(xiàn)信號放大.所設(shè)計的二階巴特沃斯濾波器參數(shù)如下：

3.4 半導(dǎo)體制冷片及控制電路

溫度的快速加熱及快速制冷采用熱電制冷片，對于半導(dǎo)體制冷片的控制采用H橋式驅(qū)動電路控制，其控制電路原理示意圖如圖6所示.

通過微控制器的定時器產(chǎn)生PWM，通過光耦隔離數(shù)、模電路，而后通過三極管放大，驅(qū)動MOSFET組成的H橋，實現(xiàn)半導(dǎo)體制冷片制冷、加熱控制，其實質(zhì)就是改變半導(dǎo)體制冷片加電順序，微控制器輸出兩路控制信號，如果PWM_1輸出低電平，T2導(dǎo)通，T3、T6截止，從PWM_2輸出PWM波形，此時T5和T4受PWM波形控制，電流從半導(dǎo)體制冷片黑線端流至紅線端，制冷片制冷.如果PWM_2輸出低電平，T1導(dǎo)通，T4、T5截止，從PWM_1輸出PWM波形，此時T3和T6受PWM波形控制，電流從半導(dǎo)體制冷片紅線端流至黑線端，制冷片發(fā)熱.

圖7 系統(tǒng)軟件流程圖Fig.7 The software flow diagram of the system

3.5 芯片級PCR儀溫度控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計

系統(tǒng)軟件設(shè)計主要包含分段增量式PID控溫算法、溫度控制程序及人機交互程序.其中系統(tǒng)軟件流程圖如圖7所示

4 結(jié)語

基于Atmega128微控制器控制的芯片級PCR儀溫度控制系統(tǒng)的設(shè)計，重點介紹了系統(tǒng)硬件、軟件設(shè)計，并搭建了基于Atmega128微控制器控制的芯片級PCR儀實驗樣機.實驗表明，采用分段增量式PID算法能有效降低系統(tǒng)超調(diào)量，提高系統(tǒng)的控溫速度和控溫精度，采用蛇形銅網(wǎng)溫度傳感器能提高系統(tǒng)集成度，提高系統(tǒng)的測溫精度，這對于推動芯片級PCR儀的發(fā)展與普及具有十分重要的現(xiàn)實意義.

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