溫度控制系統(tǒng)在PCR儀中的應(yīng)用

1.引言

聚合酶鏈?zhǔn)椒磻?yīng)（Polymerase Chain Reaction，簡稱PCR），又稱無細(xì)胞分子克隆或特異性DNA序列體外引物定向酶促擴(kuò)增技術(shù)。PCR技術(shù)應(yīng)用非常廣泛，廣泛應(yīng)用在生命科學(xué)研究、生化分析、臨床診斷、藥物分析、法醫(yī)鑒定和疫情快速檢驗(yàn)等各個(gè)領(lǐng)域。

溫度控制系統(tǒng)的主要任務(wù)就是讓樣品內(nèi)基因在腔體內(nèi)進(jìn)行高溫變性(T1)、低溫退火(T2)和適溫延伸(T3)三個(gè)溫度階段的反復(fù)循環(huán)，使樣品內(nèi)基因完成增殖。溫控系統(tǒng)升降溫工作循環(huán)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(yōu)缺點(diǎn)為變溫鋁塊方式應(yīng)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(dǎo)體制冷片變溫結(jié)構(gòu)簡單，只需向半導(dǎo)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(dǎo)體制冷片容易損壞。變溫氣流方式，即采用電熱絲進(jìn)行加熱，吹入冷空氣進(jìn)行制冷。通過調(diào)節(jié)功率輸出的占空比，就可以調(diào)節(jié)溫度的大小，從而可以實(shí)現(xiàn)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(zhì)為空氣，空氣可以和樣品之間實(shí)現(xiàn)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(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一套適用于實(shí)時(shí)PCR儀的溫度控制系統(tǒng)。系統(tǒng)采用變溫氣流的方式進(jìn)行加熱，使用常規(guī)PID算法進(jìn)行溫度控制。升降溫速度極快，實(shí)時(shí)性強(qiáng)、升降溫周期短，為研制商品化的實(shí)時(shí)定量PCR儀奠定了基礎(chǔ)。

2.系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

溫度控制系統(tǒng)的機(jī)械結(jié)構(gòu)主體是一個(gè)風(fēng)腔，采用電熱絲加熱，冷空氣制冷。風(fēng)腔設(shè)有進(jìn)風(fēng)口和出風(fēng)口，風(fēng)門由步進(jìn)電機(jī)控制，可以任意控制風(fēng)門的旋轉(zhuǎn)角度，從而達(dá)到通過風(fēng)門改變腔體內(nèi)的空氣流動特性，主要作用是讓冷空氣進(jìn)入腔體，熱空氣從腔體流出，帶走熱量，達(dá)到制冷的作用。腔體內(nèi)部安裝有橫流風(fēng)機(jī)，用于加快腔體內(nèi)部的空氣流動，在加熱時(shí)保持腔體內(nèi)部空氣溫度的均勻，在制冷時(shí)加快空氣流動達(dá)到腔體快速降溫。腔體上設(shè)有裝樣品的蓋口，用于放置樣品。腔體內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。

溫控控制系統(tǒng)的硬件執(zhí)行部件主要包括一個(gè)橫流風(fēng)機(jī)、兩個(gè)步進(jìn)電機(jī)、兩個(gè)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(gè)溫度控制系統(tǒng)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(gè)風(fēng)門、一個(gè)風(fēng)機(jī)。兩個(gè)風(fēng)門分為進(jìn)風(fēng)門和出風(fēng)門，由步進(jìn)電機(jī)控制。風(fēng)機(jī)的主要作用是加快內(nèi)腔空氣流動，保持內(nèi)腔溫度均勻一致，而在降溫過程中吹動從風(fēng)門進(jìn)入的冷空氣，并將風(fēng)腔內(nèi)的熱空氣吹出，達(dá)到空氣制冷效果。隨著冷空氣的不斷進(jìn)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(tǒng)采用變溫空氣加熱方式，加熱裝置選用的電熱絲的方式進(jìn)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(shí)現(xiàn)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(shù)。圖4是PWM控制示意圖，ON是一個(gè)脈沖周期內(nèi)高電平持續(xù)時(shí)間，假設(shè)當(dāng)單片機(jī)的I/O口為高電平時(shí)加熱模塊工作，則該P(yáng)WM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O(shè)N的大小直接決定了PWM占空比的大小，進(jìn)而影響加熱器的功率。而通過模糊PID運(yùn)算可以得到控制量u(k)的值，并把u(k)的值轉(zhuǎn)化為百分比，然后乘以周期時(shí)間，則可以得到ON值，從而得到該周期內(nèi)加熱模塊工作的時(shí)間，實(shí)現(xiàn)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(shù)據(jù)采集三大部分組成。由于本溫控系統(tǒng)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(tǒng)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(zhuǎn)變?yōu)殡娏餍盘柣螂妷盒盘?，方便進(jìn)行A/D數(shù)據(jù)采集。本系統(tǒng)采用溫度變送器進(jìn)行電阻信號到電流信號的轉(zhuǎn)變，并校正pt100的阻值與溫度的非線性關(guān)系，使得采集回來的溫度數(shù)據(jù)與實(shí)際更相符。

溫度傳感器出來的電流信號經(jīng)過采樣電阻轉(zhuǎn)換為模擬電壓信號，再通過A/D轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號。下位機(jī)控制芯片自帶8路A/D轉(zhuǎn)換通道，可以將溫度變送器的輸出信號直接接到下位機(jī)上，由下位機(jī)上單片機(jī)的A/D轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，大大簡化了系統(tǒng)構(gòu)成。

經(jīng)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(jìn)行數(shù)字濾波處理。因?yàn)锳/D的速度可以達(dá)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(tǒng)采用對其進(jìn)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(jié)果。將采樣結(jié)果通過串口通信傳送到上位機(jī)，上位機(jī)將采樣結(jié)果實(shí)時(shí)顯示，并繪制實(shí)時(shí)溫度曲線圖。溫度采集模塊組成如圖5所示。

3.軟件設(shè)計(jì)

溫度控制系統(tǒng)的主要任務(wù)就是實(shí)現(xiàn)對風(fēng)腔內(nèi)溫度的控制，主要通過溫控算法控溫以及向上位機(jī)發(fā)送實(shí)時(shí)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(shí)，不進(jìn)行PID控溫，只有當(dāng)溫差較小時(shí)，才進(jìn)行PID控溫，使溫度趨于平穩(wěn)。上位機(jī)傳送給下位機(jī)的是恒溫溫度、恒溫時(shí)間以及變溫時(shí)間三個(gè)參數(shù)。恒溫溫度為三個(gè)恒溫溫度段的溫度值，恒溫時(shí)間為三個(gè)恒溫溫度段的恒溫持續(xù)時(shí)間，變溫時(shí)間為升溫和降溫的持續(xù)時(shí)間。下位機(jī)根據(jù)上位機(jī)傳送的三個(gè)參數(shù)，將溫度控制分為三個(gè)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(shí)時(shí)間由上位機(jī)所發(fā)送的升溫時(shí)間參數(shù)確定，ΔT1為設(shè)定的溫度正偏差，此值一般為正的，因?yàn)檫@時(shí)測量的溫度會比設(shè)定的溫度低。因?yàn)殚_升溫時(shí)，加熱是處于全功率狀態(tài)的，為了確保溫度出現(xiàn)超調(diào)，需要提前對其關(guān)閉，通過設(shè)定溫度正偏差實(shí)現(xiàn)。所以當(dāng)溫度小于溫度正偏差時(shí)，關(guān)升溫，停止加熱，進(jìn)入恒溫階段。

圖1 PCR升降溫工作循環(huán)曲線

圖2 腔體內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖

圖3 溫度控制系統(tǒng)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(shí)時(shí)間由上位機(jī)所發(fā)送的降溫時(shí)間參數(shù)確定，圖4.10中，ΔT2為設(shè)定的溫度偏差，此值一般為負(fù)的，因?yàn)檫@時(shí)測量的溫度會比設(shè)定的溫度高。

開降溫時(shí)，將進(jìn)、出風(fēng)門完全打開，在每次開降溫前判斷風(fēng)門是否打開。若風(fēng)門處于打開狀態(tài)則保持打開狀態(tài)，若處于關(guān)閉狀態(tài)則執(zhí)行打開動作。開升溫與之一致。

如圖8，在恒溫階段的定時(shí)時(shí)間由恒溫持續(xù)時(shí)間決定，恒溫階段是溫度偏差比較小，這時(shí)，使用PID算法控制加熱的功率，使溫度處于穩(wěn)定狀態(tài)。

4.結(jié)束語

對溫度控制系統(tǒng)的軟硬件進(jìn)行了設(shè)計(jì)與調(diào)試，達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。升溫速率可達(dá)到8℃/s，降溫速率可達(dá)到10℃/s。極大的提高了溫控系統(tǒng)的升降溫速率。

[1]Gyongy IJ,Clarke DW.On the automatic tuning and adaptation of PID controllers[J].Control Engineering Practice,2006,14(2):149-163.

[2]Dinca MP,Gheorghe M,Aherne M,et al.Fast and accurate temperature control of a PCR microsystem with a disposable reactor[J].Journal of Micromechanics and Microengineering,2009,19(6).

[3]張文超,劉曉光,吳勤勤.基因擴(kuò)增分析(PCR)儀溫控系統(tǒng)的研究與應(yīng)用[J].華東理工大學(xué)學(xué)報(bào),2004,30(2):203-206.

[4]李蕓婷,萬振凱.PT100溫度傳感器數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集系統(tǒng)[J].儀器儀用戶,2007,15(5):24-26.

[5]王冬,張新磊,馮繼宏.基于PID算法的PCR儀溫度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案[J].北京生物醫(yī)學(xué)工程,2011,30(5):502-505.[6]周潤景,徐宏偉,丁莉.單片機(jī)電路設(shè)計(jì)、分析與制作[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2010.8.