基于ATmega16的PCR儀溫度控制系統(tǒng)設(shè)計

莫寒+張玉+陳慶明

【摘 要】本文闡述設(shè)計一套控制效果好、體積小、成本低的PCR儀熱循環(huán)溫度控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)整體設(shè)計經(jīng)濟(jì)性好、控制效果佳，可為國內(nèi)PCR儀的發(fā)展應(yīng)用提供一定的科研價值。

【關(guān)鍵詞】PCR儀 溫度控制 ATmage16單片機(jī) 自適應(yīng)模糊PID算法

【中圖分類號】G 【文獻(xiàn)標(biāo)識碼】A

【文章編號】0450-9889（2017）05C-0187-04

PCR（Polymerase Chain Reaction）是在生物技術(shù)和醫(yī)學(xué)領(lǐng)域應(yīng)用得比較廣泛的一種基因擴(kuò)增儀。它是在體外利用DNA聚合酶、一對引物和四種dNTP（dATP，dGTP，dCTP，dTTP）對模板DNA進(jìn)行多次復(fù)制而得到大量基因產(chǎn)物的過程。PCR技術(shù)是生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中的一次重大革命，它使生物醫(yī)學(xué)研究從整體水平和細(xì)胞水平發(fā)展到分子水平?，F(xiàn)在該技術(shù)主要應(yīng)用在病原體檢測、基因表達(dá)、突變和多態(tài)性等方面。然而受到溫度控制精度的影響，國內(nèi)的PCR儀發(fā)展水平遠(yuǎn)落后于發(fā)達(dá)國家，目前我國的PCR儀主要是從國外購買，同時由于高價格因素的制約，大多只能應(yīng)用于較大醫(yī)院的醫(yī)療系統(tǒng)或是較好的高等院校、研究院等科研單位進(jìn)行拆解研究，沒有滿足國內(nèi)市場的需求。

PCR儀的核心技術(shù)是能夠?qū)崿F(xiàn)快速、精確的溫度控制，從而完成多次熱循環(huán)以達(dá)到基因擴(kuò)增的目的，其主要包括變性、退火和延伸三個基本反應(yīng)步驟。變性就是將溫度加熱到95℃左右時模板DNA解離成為單鏈DNA的過程。變性環(huán)節(jié)結(jié)束后進(jìn)入退火步驟，此時溫度降至55℃左右，引物與模板DNA單鏈的互補序列進(jìn)行互補配對結(jié)合。將溫度調(diào)節(jié)至72?C左右時，Taq DNA聚合酶從引物起始進(jìn)行延伸，得到一條新的與模板DNA鏈互補的半保留復(fù)制鏈。重復(fù)循環(huán)變性—退火—延伸三個反應(yīng)步驟就可以得到幾萬甚至幾百萬倍的目的基因產(chǎn)物。PCR擴(kuò)增過程的循環(huán)工作曲線圖和DNA復(fù)制過程如圖1所示。

本文設(shè)計一套以ATmega16為核心的溫度控制系統(tǒng)，系統(tǒng)利用半導(dǎo)體加熱制冷片進(jìn)行加熱制冷，通過控制風(fēng)扇的開關(guān)進(jìn)行散熱降溫，采用自適應(yīng)模糊PID控制算法進(jìn)行溫度控制。該系統(tǒng)整體設(shè)計方案原理比較簡單，功耗低，控制效果好，實用性強，對推動國內(nèi)PCR儀市場的發(fā)展有一定科研價值。

一、系統(tǒng)總體設(shè)計方案

該PCR儀溫度控制系統(tǒng)的設(shè)計分為硬件電路和軟件兩部分。硬件電路主要包括主控制電路模塊、溫度信號處理模塊、溫度調(diào)節(jié)模塊以及人機(jī)交互界面等，系統(tǒng)硬件電路總體設(shè)計如圖2所示。

主控制電路模塊由處理能力極強的ATmage16單片機(jī)最小系統(tǒng)、電源電路和報警電路等部分組成，作為PCR儀整個控制系統(tǒng)的核心，它的主要功能是處理輸入輸出的數(shù)字溫度信號，并進(jìn)行反饋控制調(diào)節(jié)系統(tǒng)溫度。信號處理模塊主要是對溫度信號進(jìn)行濾波、調(diào)零、放大以及A/D轉(zhuǎn)換等處理。溫度調(diào)節(jié)模塊主要包括驅(qū)動電路和加熱/制冷電路。單片機(jī)接收到傳感器感應(yīng)到的溫度信號后，進(jìn)行計算比較，然后輸出相應(yīng)的脈寬調(diào)制波（PMW）驅(qū)動半導(dǎo)體加熱或啟動風(fēng)扇降溫，從而控制PCR儀溫度的變化。人機(jī)交互界面由鍵盤和液晶顯示兩部分構(gòu)成，用來輸入各種實驗的參數(shù)或顯示工作時的溫度變化情況等，以便用戶可以更好地進(jìn)行操作和觀察。

軟件部分采用模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計，主要包括初始化程序、溫度控制程序、溫度信號采集處理程序、鍵盤掃描電路和按鍵處理程序、超溫報警程序等。在控制算法的選擇上，該設(shè)計主要采取了自適應(yīng)模糊PID控制算法，也就是將PID控制和模糊控制結(jié)合起來使用，當(dāng)采集到的當(dāng)前溫度與預(yù)設(shè)溫度相差較大時，采用模糊控制，已經(jīng)接近預(yù)設(shè)溫度時就轉(zhuǎn)換成PID控制，并通過預(yù)先編寫程序來實現(xiàn)兩種控制算法的轉(zhuǎn)換。

二、硬件電路設(shè)計

（一）ATmega16主控電路

ATmega16單片機(jī)是增強型的8位微控制器，它的特點是功耗低、指令為單時鐘周期以及可以直接驅(qū)動LED和繼電器，處理數(shù)據(jù)的能力可以達(dá)到1mps/mhz。

本文采用ATmega16單片機(jī)作為PCR儀的主控制器，可以很好地緩解PCR儀溫控系統(tǒng)在功耗和溫度調(diào)節(jié)速度之間的矛盾。

ATmega16芯片的A端口（PA0-PA7引腳）主要作為模擬輸入端，端口B、端口C和端口D都是8位雙向I/O口。在該系統(tǒng)中，P4.7（RST1）為復(fù)位腳，與總開關(guān)S相連；PA4-PA7引腳連接到鍵盤，用于將鍵入的模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字控制信號；PB0、PB1、PB4和PA0引腳分別連到反相器7406的3、5、9、13號引腳，實現(xiàn)邏輯數(shù)字的輸入功能；PB2和PB3與四組二輸入邏輯與門7408芯片的12和13號引腳相連再接到風(fēng)扇的開關(guān)電路，用來控制電風(fēng)扇的開關(guān)；PB5、PB6、PB7分別與A/D7705S轉(zhuǎn)換器的I/O引腳和SCKL引腳連接，作用是將數(shù)字信號傳送到單片機(jī)中。PC2-PC5引腳連接到JTAG接口，用于芯片內(nèi)部測試；PD4-PD7、PC0、PC1與液晶顯示屏連接，用于顯示操作選擇、鍵盤輸入的參數(shù)以及PCR儀運行情況等；XTAL1/XTAL2引腳和晶振、電容器件組成時鐘電路，向主控制器提供基準(zhǔn)頻率。

（二）電源電路

電源模塊主要是給ATmage16單片機(jī)、AD623、蜂鳴器、數(shù)碼顯示邏輯電路等提供5V的直流電壓，為IR110芯片、MOSFET管提供12V的工作電壓。該系統(tǒng)的電源模塊采用降壓開關(guān)型集成穩(wěn)壓器LM2576，電源電路如圖3所示，其穩(wěn)定電壓為5V，它工作的方式只有兩種，一是處于完全導(dǎo)通狀態(tài)，此時大電流流過低導(dǎo)通電壓的開關(guān)管；另一種則是完全截止?fàn)顟B(tài)，開關(guān)管完全沒有電流經(jīng)過。同時，該穩(wěn)壓器除了內(nèi)含固定的頻率振蕩器和基準(zhǔn)穩(wěn)壓器之外，還具有電流限制和熱關(guān)斷電路等保護(hù)功能，只需要極少的外圍器件，就可以組成高效的電源穩(wěn)壓電路。因而，利用該器件可以在一定程度上減小例如PCR儀的體積，節(jié)約了成本。

三、信號處理電路

（一）放大電路

通過傳感器采集到的溫度信號是非常弱的，且具有干擾，需要進(jìn)行濾波放大作用才能利用。AD623是一款性能非常好的儀表放大器，能在單電源3V～12V下提供滿電源輸出，使電路設(shè)計更為簡單。增益通過滑動變阻器和一只外接電阻方便調(diào)節(jié)，且相比由幾個高精度運放如OP07組成的放大器來說，減少了元器件的使用，從而減小了PCR儀溫控系統(tǒng)的PCB板面積。

在信號放大電路中，為避免出現(xiàn)零輸入時有輸出的零點漂移現(xiàn)象，需要用調(diào)零電路來進(jìn)行調(diào)節(jié)。該調(diào)零電路利用滑動變阻器與電阻并聯(lián)，通過調(diào)節(jié)滑動變阻器的值，改變它與并聯(lián)電阻阻值之比，直到?jīng)]有電壓輸入時，電路兩端電壓為零。

（二）A/D轉(zhuǎn)換電路

由于ATmage16只能處理數(shù)字信號，所以要想將采集到的溫度模擬信號傳輸?shù)娇刂菩酒?，需要在輸入的前端加入A/D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換。該系統(tǒng)采用的是AD7705S轉(zhuǎn)換器，它具有可編程、分辨率高、動態(tài)范圍寬等特點，同時采用SPI/QSPI兼容的三線串行接口，可方便地和單片機(jī)進(jìn)行連接，大大節(jié)省了CPU的輸入輸出口。當(dāng)外接晶振和少量去耦電容時可以連續(xù)進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，而在PCR儀溫度控制系統(tǒng)中需要連續(xù)的采集溫度信號并轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號以供控制器進(jìn)行控制，因此AD7705是很好的選擇。

（三）驅(qū)動電路

該硬件系統(tǒng)的驅(qū)動電路工作電壓為12V，而ATmage16單片機(jī)控制芯片輸出的PWM信號的電壓為5V，該系統(tǒng)采用的IR2110驅(qū)動器，兼有光電耦合和電磁隔離的功能，可以防止這兩部分電路直接連接，具有很強的抗干擾能力。對于PCR儀的全橋電路，采用2片IR2110驅(qū)動2個橋臂，只需要10V-20V的電壓，減小了變壓器的體積和電源數(shù)目，從而提高了系統(tǒng)的可靠性，降低了PCR儀的成本。其驅(qū)動電路原理如圖4所示：ATmage16控制器的PB6引腳輸出控制信號驅(qū)動IR2110工作，IR2110的12V電源電壓、二極管、電容與IR110芯片的6、7引腳構(gòu)成一個自舉電路，使得電容器的放電電壓和12V電源電壓疊加，使電壓升高驅(qū)動放大電路導(dǎo)通。通過控制場效應(yīng)管T1、T1、T3、T4的關(guān)斷來實現(xiàn)驅(qū)動半導(dǎo)體加熱制冷和風(fēng)扇降溫功能。

四、系統(tǒng)軟件設(shè)計

（一）控制算法的選擇

本文的溫度控制系統(tǒng)在算法的選擇上采用的是自適應(yīng)模糊PID控制，即將PID控制和模糊控制相結(jié)合，組成自適應(yīng)模糊PID控制器，使其能動態(tài)地調(diào)整PID的參數(shù)并進(jìn)行優(yōu)化，而不依賴于被控對象的數(shù)學(xué)模型。該算法集合了模糊控制和PID控制的優(yōu)點，即在超調(diào)量大時，充分利用模糊控制快速性、靈活性和適應(yīng)性的特點，在微調(diào)時就發(fā)揮PID控制的精度高的優(yōu)勢。這樣就可以很好解決PCR儀三個基本環(huán)節(jié)的溫度控制問題。

該算法采用模糊規(guī)則對算法中的比例、積分和微分參數(shù)KP、KI、KD進(jìn)行模糊化處理，然后進(jìn)行PID控制。把當(dāng)前的PCR溫度信號通過溫測模塊，送到單片機(jī)中。單片機(jī)將接收到的溫度信號與預(yù)設(shè)的溫度值進(jìn)行對比，計算當(dāng)前的溫度偏差e和溫度偏差變化率Δe，然后進(jìn)行模糊化處理，再通過查詢模糊規(guī)則表，得到輸出的變化值。如圖5所示，即為自適應(yīng)模糊PID控制方法實現(xiàn)PCR儀溫度控制的原理圖。

（二）軟件設(shè)計

系統(tǒng)軟件部分主要包括主程序、溫度信號處理程序、溫度控制程序和超溫保護(hù)等。以自適應(yīng)模糊PID控制算法程序為核心，由單片機(jī)對采集到的溫度信號進(jìn)行比較計算，然后輸出控制信號調(diào)節(jié)系統(tǒng)的溫度。系統(tǒng)的工作過程：首先對系統(tǒng)進(jìn)行初始化設(shè)置，包括三個基本反應(yīng)步驟溫度參數(shù)的初始化、A/D轉(zhuǎn)換初始化、液晶顯示初始化等。然后用鍵盤來選擇操作模式，設(shè)置變性溫度參數(shù)（95℃）、退火溫度參數(shù)（55℃）、延伸溫度參數(shù)（72℃）、允許的誤差范圍（2℃）、控制算法轉(zhuǎn)換溫度以及溫度上限等。單片機(jī)通過獲取溫度采集電路的溫度信號與預(yù)設(shè)參考溫度進(jìn)行比較，如果溫度偏差大于控制算法轉(zhuǎn)換溫度，則用模糊控制，反之則轉(zhuǎn)到PID控制。同時單片機(jī)還要判斷系統(tǒng)當(dāng)前溫度是否超過溫度上限，如果超過，則報警。當(dāng)溫度到達(dá)預(yù)設(shè)的溫度時，計時開始，計時結(jié)束后循環(huán)變性、退火、延伸這三個基本反應(yīng)環(huán)節(jié)，就可以實現(xiàn)基因擴(kuò)增的目的。PCR儀溫度控制系統(tǒng)整體程序流程如圖6所示。

本文針對國內(nèi)現(xiàn)有PCR儀控制靈敏度不足、成本高、體積大等問題，設(shè)計了一套以半導(dǎo)體加熱制冷片進(jìn)行加熱制冷和風(fēng)扇進(jìn)行散熱降溫原理為基礎(chǔ)的熱循環(huán)儀溫度控制系統(tǒng)。設(shè)計包括ATmage16單片機(jī)最小系統(tǒng)模塊、電源模塊、驅(qū)動模塊、溫度采集處理模塊以及鍵盤、顯示模塊等硬件電路。軟件部分則將模糊控制算法和PID控制算法結(jié)合起來使用，系統(tǒng)根據(jù)采集到的溫度偏差的大小來切換使用兩種控制算法，以提高控制的快速性和準(zhǔn)確度。本文設(shè)計的熱循環(huán)溫度控制系統(tǒng)，原理簡單、功耗低、實用性強，可滿足我國PCR儀工程需要。

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【作者簡介】莫 寒（1991— ），女，廣西河池人，廣西現(xiàn)代職業(yè)技術(shù)學(xué)院教師，研究方向：控制工程，分布式光伏發(fā)電；張 玉（1980— ），女，湖北應(yīng)城人，碩士，桂林理工大學(xué)副教授，研究方向：分布式光伏發(fā)電，物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用。

（責(zé)編 丁 夢）