PCR基因扩增仪温度控制系统硬件电路毕业论文.doc

本科毕业设计 论文 本科毕业设计 论文 题目 题目 PCR 基因扩增仪温度控制系统硬基因扩增仪温度控制系统硬 件电路设计件电路设计 系系 别别 电子信息系 专专 业业 自动化 班班 级级 姓姓 名名 学学 号号 导导 师师 年月 毕业设计 论文 任务书毕业设计 论文 任务书 系别 电子信息系 专业 自动化 班 姓名 学号 1 毕业设计 论文 题目 PCR 基因扩增仪温度控制系统硬件设计 2 题目背景和意义 聚合酶链反应 PCR 又称无细胞克隆技术 是一种对特定的 DNA 片段在体外进行快速扩增的新方法 该方法具有产率高 快速 简便 重复性好等突出优 点 在分子生物学 疾病诊断 免疫学以及基因组工程等领域有非常广泛的应用 PCR 仪 性能好坏将直接影响 PCR 的效果 PCR 仪的性能指标主要有温度控制指标和荧光检测系统 指标两大类 温度控制指标包括控温范围 升降温速度和控温精度 这些指标直接影响到 基因扩增的速度和效果 因此 对 PCR 仪温度控制系统进行研究和设计 提高国产 PCR 仪的性能 对促进我国生命科学仪器的发展和其他研究领域的应用具有现实和深远的意义 3 设计 论文 的主要内容 理工科含技术指标 主要内容 1 研究一种适合于 PCR 仪的温度控制系统 根据 PCR 仪的工作原理确定温度 控制系统的总体设计方案 2 设计并制作仪 PCR 温度控制系统的硬件电路 包括温度采样 电路 半导体驱动电路 单片机系统等 技术指标 温度范围 40 98 升降温速度 升温速度 3 s 降温速度 2 s 精度 0 4 4 设计的基本要求及进度安排 含起始时间 设计地点 基本要求 1 分析 掌握该课题总体方案 广泛阅读相关技术资料 并提出自己的见 解 2 了解了 PCR 仪的基本工作原理 并对其温度控制技术进行了理论分析和研究 3 设计硬件系统 绘制系统原理图和 PCB 图 进度安排 1 3 周 针对原理及应用范围 主要技术难点等查阅资料 熟悉课题总体方案 4 7 周 确定系统功能 论证总体方案 确定关键部件的型号 并对部分电路进行实验 8 14 周 画出电气原理图和印制版图 完成硬件电路设计 制作调试 15 18 周 整理资料 撰写论文 5 毕业设计 论文 的工作量要求 实验 时数 或实习 天数 100 时 图纸 幅面和张数 A4 2 其他要求 论文 15000 字以上 外文翻译 5000 字以上 指导教师签名 年 月 日 学生签名 年 月 日 系 教研室 主任审批 年 月 日 PCR 基因扩增仪温度控制系统硬件电路设计基因扩增仪温度控制系统硬件电路设计 摘摘 要要 生命科学仪器的发展为生命科学提供了有效工具和强有力的研究手段 使其从 细胞水平上的研究飞跃发展到分子层次上的深入研究 离开这些现代化生命科学仪 器的支撑 许多重大的研究项目和工程都将举步维艰 PCR仪器是一种应用广泛 十分重要的生命科学仪器 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中作为基因扩增分析的首选仪器设备 本设计采用半导体制冷器作为PCR仪的加热制冷元件 对半导体制冷器的工作 原理进行分析 根据其工作原理确定系统的总体设计方案 但是 由于PCR加热腔 内部的温度存在非线性和不确定的因素 再加上外界的干扰 对控制方法提出了更 高的要求 为此 本文设计根据加热腔实际的温度 通过模糊规则进行推理和决策 在线整定PID控制器的3个参数 实现对加热腔的温度控制 设计并制作PCR温度控 制仪的硬件电路 包括温度采样电路 半导体驱动电路 单片机系统 显示电路等 关键词 关键词 PCR 反应仪 半导体制冷器 温度采样 PCR Gene Amplification Instrument Temperature Control System Hardware Circuit Design Abstract Developments of Life Science Instruments have provided effective means for Life Science It improved the life science researching from the cell level to more deeply level the molecular level Without these Life Science Instruments Lots of great research projects will be very difficult being carried out PCR is an important and widely used life science instrument It is widely used in biochemical analysis clinical diagnosis Pharmaceutical Analysis forensic identifying fast test of epidemic situation and SO on In this paper a new method of producing cooled gas by semiconductor refrigeration equipment was proposed The working principle of semiconductor refrigeration is presented According the working principle the system schematic is put forward The Heated Cavity of PCR system is a nonlinear system with uncertainty and it is easily to be interfered So it needs the controller having a good performance For these reasons a new Mzzy 一PID controller is proposed in this thesis By setting the three parameters KP KI KD on line according to the results of fuzzy reasoning and decision making the new fuzzy PID controller has better response rate and stability property than the general PID controller The experiment indicates that the controller gets the good result The circuits of PCR are presented in thesis including temperature sampling driving circuit of semiconductor MCU system display circuit etc Key Word PCR instrumentation PID controller Temperature sampling 目目 录录 1 绪论绪论 1 1 1 概述 1 1 2 研究背景 2 1 3 研究意义 3 1 4 目前研究情况 3 1 5 本文主要研究工作 4 1 6 本文的章节安排 4 2 PCR 技术的介绍技术的介绍 5 2 1 PCR 产生及原理 5 2 1 1 PCR 技术的产生 5 2 1 2 PCR 技术的原理 7 2 2 PCR 技术的应用 7 2 3 硬件总体构架方案 7 3 PCR 仪温度控制硬件设计仪温度控制硬件设计 9 3 1 系统的构成和工作原理 9 3 2 CPU 控制器模块 11 3 3 LCD 液晶显示和键盘输入模块 12 3 3 1 液晶显示器驱动电路设计 12 3 3 2 键盘驱动电路设计 15 3 4 温度数据采集模块设计 16 3 4 1 温度传感器 16 3 4 2 温度检测电路的设计 17 3 5 半导体驱动模块设计 18 3 5 1 输出控制方式 18 3 5 2 半导体制冷器介绍 19 3 5 3 隔离环节 21 3 5 4 功率驱动电路的设计 22 4 PCR 基因扩增仪温度控制系统的基因扩增仪温度控制系统的 PCB 板制作板制作 25 4 1 PCB 板的布局 25 4 2 PCB 板的布线 25 5 结论与展望结论与展望 27 参考文献 参考文献 28 致致 谢谢 29 毕业设计 论文 知识产权声明毕业设计 论文 知识产权声明 30 毕业设计 论文 独创性声明毕业设计 论文 独创性声明 29 附录附录 1 PCB 板板 30 附录附录 2 原理图原理图 31 1 绪论绪论 1 1 概述概述 基因扩增即 PCR Polymerase Chain Reaction 技术于 1985 年问世并在 1993 年获诺贝尔化学奖 它是一种模拟天然 DNA 复制过程 在体外快速特异 地扩增 DNA 片断的一项高新生物技术 PCR 技术具有特异 灵敏 快速 经 济等特点 被认为是二十世纪末分子生物学领域重大技术突破之一 它的出现 为 DNA 检测技术带来一场巨大的革命 开辟了基因诊断临床应用的新纪元 基因扩增仪就是用于对遗传基因 DNA 分子链进行分析的仪器 可广泛 应用于生物技术 医学 遗传学 人类学 考古学和环境保护等领域 例如对 人类疑难病症特别是癌症 遗传性疾病和传染性疾病等病原体的早期诊断及肿 瘤发病机理的研究和临床应用 对农作物 水产 家畜等品种的改良 最重要 的途径之一就是掌握动植物发育 生长的内在决定物质 遗传基因 即需要 用 PCR 技术研究分析动植物体内的 DNA 分子链 基因扩增仪是这些研究 实 验及应用中最重要的仪器 因此国内外都在这方面开展了广泛的研究 1 2 研究背景研究背景 分子生物学技术正以惊人的速度发展 特别是近 20 年来已经成为生命科学 的一个主要的生长点 1976 年 cDNA 克隆技术的建立 使分子生物学更加迅速 广泛地渗透到医学各学科 发展了各学科的分子理论基础 1985 年 Mullis 首先 描述的多聚酶链反应 PCR Polymerase Chain Reaction 使一向昂贵 繁 杂 严格的分子生物学试验能够在比较简易 经济的条件下有效的开展 是基 因分析技术的一项重大突破 这一技术在很短的时间里即风行全球 不同学科 的科学家都蜂拥而上 在近年形成了分子生物学领域的热潮 期望凭借这一工 具来提高研究水平 解决所面临的一些难题 早在四十年以前人们对遗传基因的化学本质并不清楚 后来发现脱氧核糖 核酸 DNA 是遗传信息的主要载体 DNA 的基础构成单位是核苷 核苷的排 列顺序规定遗传密码并形成了基因 DNA 是双螺旋结构 以半保留的方式进行 复制的 1958 年 Meselson 证实了 DNA 半保留复制模型 60 年代对基因表达和 调控研究又取得很大进展 从细胞中分离目的基因并在体外克隆和表达受到人 们的普遍关注 由于对 DNA 连接酶及限制性内切酶的合理使用 DNA 重组到 质粒或噬菌体载体中 在细菌中表达成为 70 年代基因克隆的最常用技术 Khorana 1971 等提出在体外经 DNA 变性 与适当引物杂交 再用 DNA 聚合酶 延伸 克隆 DNA 的设想 由于当时不能合成寡核苷酸及 DNA 测序等困难而受 阻 直到 1985 年 美国 Cetus 公司人类遗传研究室的年轻科学家 Kary B Mullis 发明了 PCR 技术 使 Khorana 的设想得到实现 Saiki 首次描述利用 PCR 方法扩增人珠蛋白 DNA 并用于镰刀状红细胞贫血的产前诊断 Mullis 最初建立的 PCR 方法使用三种温度的水浴进行实验 所用大肠杆菌 DNA 聚合酶 I 的 KLENOW 片段催化复性引物的延伸 由于该酶不能耐受使 DNA 变性的高温 所以每一轮反应都需添加新的酶 产量不高且操作繁复 对 实验操作要求较高 无法推广使用 1988 年 Saiki 等将耐热 DNA 聚合酶 Taq 引入了 PCR 技术 由于 Taq 酶能够耐受 97 5 加热 5 10 分钟 因此使 DNA 变性的 94 加热不使其失活 整个反应只加一次酶即可 并且高温反应 也增加了扩增的特异性和效率 易于自动化进行 Mullis 因其杰出的贡献 1993 年获诺贝尔化学奖 1 3 研究意义研究意义 PCR 技术以其自身巧妙的原理有与众不同的特点 高特异性 高敏感性及 简便快捷使其成为基因诊断首选的技术之一 1 高特异性 PCR 扩增严格遵守碱基配对原则的半保留复制 半保留复 制是世界上最严格的复制方式之一 其新合成的子链与模板形成完全互补的镜 像结构 从而充分保证了复制的准确性 另外 由于碱基互补原则 只有当引 物与目的基因完全互补时 反应体系中的引物才能与模板产生复性 引物的延 伸才得以进行 因此引物与模板的互补是复制的最基本条件 这从另一方面规 定了 PCR 反应的高特异性 在生物界中 某种基因总有它最保守的 最具特征 性的基因区段 它是某些生物 或某些型 亚型等功能分型所特有的 若能正 确地选择这一区域作为扩增的目的基因 便可以充分地保障 PCR 检测的高度特 异性 2 高敏感性 在 PCR 反应中模板 DNA 以指数级迅速增加 扩增反应前 期进入以指数级迅速增加 扩增反应后期进入平台反应期 一般经过 30 个循环 即 1 2 小时内可以将靶序列增加百万倍以上 可以将微量的目标物 fg DNA 检测出来 过去采用的一些微量检测法 如酶联免疫吸附实验 ELISA 和放射免疫分析 RIA 其灵敏度分别为 ng 级和 pg 级 而 PCR 可 达 fg 级 理论上可以检出病原体的单拷贝基因的存在 3 简便快捷 Taq 酶的使用使 PCR 技术可以自动化完成 各种高效 PCR 仪相续问世使 PCR 操作可以在基层单位的实验室中顺利完成 在 PCR 的实际 应用中 许多技术得到改进 扩增反应体积减少 多种成分预先混合减少加样 步骤 这些简化步骤大多不影响 PCR 的扩增效果 特别是本公司率先研制的单 管单人份的 PCR 试剂 使操作者节省时间精力 而且又不易污染 充分满足了 临床快速诊断的要求 PCR 技术对样品要求低 不必严格纯化模板 DNA 几乎 所有的临床样本都能用于 PCR 扩增 本公司设计的一步法提取模板使临床 PCR 检测更加简便易行 1 4 目前研究情况目前研究情况 现在的 PCR 仪如 ABI Eppendorf 的一般具有两种温控模式 即模块温控 模式 Block control 和反应管温控模式 tube control 在模块温控模式下 机器根据探测器直接探测的温控模块 即承载样品的金属台 的温度进行控制 这种模式适用于长时间的静态孵育 如连接 酶切 去磷酸化等 反应管温 控模式实际上是一种模拟试管 PCR 板的温控模式 根据探测器所探测到的温控 模块的温度由计算机计算出管内 PCR 板孔内样品液的温度来进行控制 一般说 来 试管温控更为准确 因为管内样品的温度无法与温控模块同时达到预设温 度 特别是 PCR 反应中的孵育过程一般都很短暂 30 秒或更短 如果采用 只有模块温控模式的话 反应混合物孵育的时间与程序设定的时间会有相当大 的差距 而反应管控制精确的算法能自动补偿时间 而且适合各种类型的反应 管 确保反应物按照程序设定的时间维持预设温度 这里要表扬的是 ABI 因为他们的宣传资料很老实的指出 模块升降温速度高达 3 5 样品的实际平 均升降温度是 1 左右 而且 ABI 的 PCR 仪中显示的温度也是计算出来的样品 温度而非温控模块的温度 我们看到过有的品牌代理做的宣传资料中故意引用 ABI 的 样品实际平均升降温速度 去和自己的模块升温速度比较 未免有失公 允 1 5 本文主要研究工作本文主要研究工作 本文只要是对 PCR 仪硬件电路的设计 包括 a 设计具有低损耗的功率驱动电路 并且可以实现正负控制 b 设计温度采集电路 选取适当的温度传感器 设计能够辅助温度传感器 正确工作的温检电路 1 6 本文的章节安排本文的章节安排 本论文内容共分五章 第 1 章 绪论 在总体上介绍 PCR 仪的研究背景和意义 及目前世界研究 的现状 之后讲解本课题的研究内容和安排 第 2 章 PCR 技术原理与应用 这一章首先介绍 PCR 技术的工作原理 然 后介绍系统的工作过程和基本原理 第 3 章 PCR 仪温度控制系统的硬件设计 硬件设计是软件实现的基础 这一章主要讲解设计硬件的主要部分 功率驱动放大电路 温度检测电路等 第 4 章 PCB 布板 这一章主要是对设计好的电路进行 PCB 布板 主要涉 及到的是 PCB 板的选择和电路的合理规划 第 5 章 总结及体会 这一章是对论文工作的总结及本设计做完之后的感想 2 PCR 技术的介绍技术的介绍 2 1 PCR 产生及原理产生及原理 2 1 1 PCR 技术的产生技术的产生 a PCR 技术产生的社会环境 PCR 技术的产生不是在某大学的实验室 而 是在 80 年代的美国的一个生物技术公司西特斯公司 发明者为此公司的穆特斯 1944 年 12 月 28 日出生于北卡罗来纳州的勒诺 1962 年佐治亚理工学院专攻 化学工程 1966 年加州大学伯克利分校攻读生化专业的博士学位 1972 获生物 化学博士学位 公司其他科学家和技术人员在造就 PCR 的理论到技术的实现过程起了关键 的作用 PCR 此技术的产生于这样的社会背景 生物技术产业起于 20 世纪 70 年代 遗传工程 重组 DNA 克隆 等这个科学技术进步的产物 以效率和创造 性为标志的新纪元 在一连串各自发中 为科学和商业提供了声望和商机 在 科学进展于新产品开发和卫生保健行业发展新开传奇直接挂钩这个投资氛围下 分子生物学在美国蓬勃发展起来 也产生了孕育 PCR 技术的大环境 1 重组工程 或统称为 操作 其他分子技术的重大突破 2 具备了鼓励科研成果快速向应用问题转化的法规环境 修订了积极推 动科学界和工业界将发明创造商业化的专利法 3 政府资助的研究与寻求投资的风险资本密切结合 为分子生物学研究 和开发奠定了雄厚的基础 b PCR 思想与技术产生过程 1 PCR 思想的酝酿期 1979 年穆利斯为 DNA 合成实验室主任 主要任务 加速和优化寡核苷酸合 穆利斯尝试修改化合途径的参数 发现人们对聊执的 变形和复性过程知之甚少 他首次研究 DNA 变性的温度与时间关系 希望通 过一系列计算机程序 来预测某个特定序列的解链温度 经过实验认为温度变 化的速率对碱基之间的结合 分解几乎没什么影响 结论是单链寡核苷酸很快 就能结合成双键 当时 一家名为生物研究的公司制造出了第一台合成 DI JA 的原型样机 穆利斯的朋友多肽化学家库克为他搬了一台样机 虽这机器不很 成功 但可节约大量时间 把平时一个月的工作压缩到一天完成 穆利斯对这 台机器改进提出了许多建议 他热衷于编写新程序 有了这台仪器他的实验室 成了生物技术界最早实现 Dl IA 合成仪自动化的单位之一 工作效率的提高 穆刺斯把更多的时间用在计算机上 穆利斯逐渐被计算机程序的 循环 的迭代 过程所吸引 这个理论对生化学家是新奇的 他们很少考虑为什么要再而三的 重复某个过程 所以无论公司还是在家他都摆弄迭代问题 这为他开始思考指 数扩增问题一 PCR 理论中关键部分做到了思想基垫 穆利斯用少量的目标来鉴 定高度复杂的目标的特定序列 思绪终于 qA 聚合酶和 DNA 测序联系到了一 起 2 PCR 实验摸索期 1983 年 9 月 8 日所进行第一次 PCR 的实验 穆利斯 选择了人神经生长因子基因作为目标序列 试验结论没证明也没推翻 PCR 的所 有理论 10 月进行 PCR02 号实验将第一次实验改为 5 到 10 个循环分步加热反 应冷却后再加聚合酶括延模板 但结果仍失败 后两个月他试图集中精力解决 一些老问题 12 月他开始用不同限制酶处理 DNA 模板 希望建立测定高温条 件下核苷酸用量及凝胶检测最佳效果的定量关系 穆利斯换了一个容易得到较 为简单的 pBR322 质粒作为模板 此细菌 E 小姨的扩增比人 DNA 容易得到而且 选择了很小的模板 Dl 蛆段 又进一步减少反应体积 增高反应成分浓眨 复兴 温度降到 320C 在 10 次循环后停止反应 实验结果是 PCR 确实产生了一个条 带但太浅不显著 为了取得更高灵敏度试着增加了几个加热和冷却循环 最后 一个加入了放射性示踪物 dcrP 这次实验进步很大 激动不已繁荣穆利斯把当 时西特斯唯一专利法律师阿绿安拽到暗室让他检查放射自显影图 没有对照实 验 结果不很清晰但确实有条带 3 PcR 技术的成型期 1984 年 6 月西特斯公司怀特决定 免去穆利斯 DNA 合成实验室主任现他在一定时间内把 PCR 这个课题做好 他为穆利斯制 定明确目标和工作时间表 怀特建议厄利克和安海姆组建 PCR 组 日常工作 由厄利克和安海姆共同负责 并建议用人类基因组功姐做模板 PCR 组成人员 不但互相交流实验数据而且乐意听取建设性意见 提出各种旨在早日完成任务 的实验策略 1984 年 11 月 15 日实验在全组人员共同努力下 PCR 扩增得到了 分子量与期望值完全相符合的产物 至此 PCIR 奏效已确造无疑 但以后几个 月继续做了许多 一些成功一些失败 1984 年冬到 1985 年春 研究组认为结 果令人鼓舞 但不十分确定 这时 厄利克合安海姆决定让公司技艺精湛的实 验技术师才木完全投身 PCR 组工作 事实证明这是一个非常有眼光的决定 因 为有关 PCR 的一篇论文中几乎所有工作者都是才木亲手完成的 1985 年 3 月 28 日公司申请了有关 PCR 的第一个专利 2 1 2 PCR 技术的原理技术的原理 PCR 由变性 退火 延伸三个基本反应步骤构成 a 模板 DNA 的变性 模板 DNA 经加热至 93 左右一定时间后 使用模 板 DNA 双链或经 PCR 扩增形成的双链 DNA 解离 使之成为单链 以便它与 引物结合 为下轮反应作好准备 b 模板 DNA 与引物的退火 复性 模板 DNA 经加热变性成单链后 温度 降至 55 左右 引物与模板 DNA 单链的互补序列配对结合 c 引物的延伸 DNA 模板 引物结合物在 TaqDNA 聚合酶的作用下 以 dNTP 为反应原料 靶序列为模板 按碱基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重复循环变性 退火 延伸三过程 就 可获得更多的 半保留复制链 而且这种新链又可成为下次循环的模板 每完 成一个循环需 2 4 分钟 2 3 小时就能将待扩目的基因扩增放大几百万倍 到达平台期所需循环次数取决于样品中模板的拷贝 2 2 PCR 技术的应用技术的应用 1 不对称 PCR 制备单链 DNA 用于 DNA 测序 2 反向 PCR 测定未知 DNA 区域 3 反转录 PCR RT 核酸的基础研究 基因组克隆 4 PCR 用于检测细胞中基因表达水平 RNA 病毒量以及直接克隆特定基 因的 cDNA 5 荧光定量 PCR 用于对 PCR 产物实时监控 6 cDNA 末端快速扩增技术 7 检测基因的表达 8 医学应用 检测细菌 病毒类疾病 诊断遗传疾病 诊断肿瘤 应用 于法医物证 2 3 硬件总体构架方案硬件总体构架方案 温度控制是一类具有滞后性的控制系 所以在设计仪器的硬件控制系统系 统时就要考虑到采用一些集成性提较高体积小同时性价比较好的元件 在任何 精密电子仪器的硬件系统开发设计当中 都有一定的基础原则 1 稳定性和可靠性 这是每个控制系统都首要保证的 在硬件方面体现 在选择适当的元件类型 采取抗干扰措施防止误差积累 2 速度与精度 按系统要求误差分配各个部件模块所允许的误差 尽量 选择同等价位的高精度元件 3 功耗 采用低功率器件并合理设计功率电路 减小制版面积 提高电 路本身的抗干扰性能 根据以上原则 PCR 仪硬件温度控制系统的总体设计框图如图 2 1 所示 键盘 LCD显 示 核心 芯片 STM 3210 1R8 T6 输出电 路 A D 加热制 冷技术 温度检 测电路 驱动电 路 信号放 大电路 功率放 大电路 变温室 图 2 1 温度控制系统硬件总体框图 如图 2 1 所示 组成温控系统的各部分分别为 1 单片机控制核心 STM 32 芯片 是包括主要控制单元单片机及外围电路 在内的温控系统的核心 这部分负责通过控制程序计算输入输出数据 控制 AD 输入和 PWM 输出 2 显示与输入键盘 LCD 和键盘接口电路构成的监控部分 作为系统控 制所需的主要的参数输入和实验过程监控显示设备 3 温度检测电路 由不平衡电路和铂电阻 PT100 构成的温度检测电路将 采集到的温度变化信号模拟量经单片机内 A D 转换后参与系统参数运算 4 功率驱动电路 是由 BTL 桥式放大电路及半导体制冷器件构成的温度 控制电路 单片机将计算后得到的控制量以 PWM 的形式输出到功率驱动电路 控制半导体制冷设备的加热制冷 达到最终控制基因扩增变化过程的目的 3 PCR 仪温度控制硬件设计仪温度控制硬件设计 3 1 系统的构成和工作原理系统的构成和工作原理 基因扩增技术关键的环节就是温度的控制 准确的温度就可以使 PCR 实验 顺利的进行 所以如何精确控制 PCR 仪的温度控制系统温度变化的速度和温度 保持的稳定性就成为设计基因扩增仪器的重点 本章首先介绍基因扩增仪温度控制系统的整体结构和系统的功能特点 然 后阐述系统的控制方式 最后介绍系统的基本工作原理 3 1 1 系统的整体结构和功能特点系统的整体结构和功能特点 a 系统的整体结构 本次基因扩增仪温度控制系统的整体控制是采用软件 控制和硬件控制相结合的方式 具体方法就是首先在上位机编写控制程序和键 盘及显示器的操作程序 然后将程序下载到单片机 同时又可以在通过通讯口 连接计算机两种方法 实现离线和在线都可以控制的方法 使仪器的控制快捷 多样化 采用基于单片机控制系统外围电路 输出功率驱动控制电路 温度检 测电路 由液晶显示器和键盘构成的监控部分电路的实时控制 b 系统的功能特点 温度的精度测量和精准控制对于一个系统是十分重要 的 比如许多实验反应都需要保持在特定的温度下进行 不同温度下物质反映 的性质不同 而且往往一个实验在不同阶段需要不同的反应温度 所以温度控 制能否做到精度高 稳定性好 速度快 系统易升级等是比较关键的 本文涉 及的基于单片机控制半导体制冷技术的基因扩增仪的温度控制系统就力求做到 以上几项性能要求 从硬件角度 本次设计当中的温度检测电路是在融汇了电子线路书籍中所 教授的桥式电路的思想后原创的信号变换电路 将 0 到 100 摄氏度的温度信号 转换为 0 到 2 4V 的电压信号 并且将以往人员所研究的功率驱动电路经改进式 才重设计 去掉多余电路采用精确控制电路 使控制电路更易实现 3 1 2 温度控制系统的工作原理温度控制系统的工作原理 a 温度控制系统 人类对温度从认知到测量再到控制已经经历了很长的发 展过程 人类现如今的生活已经离不开温度控制 小到生活中的家用电器 医 疗仪器 大到军事领域设计导弹制导 都涉及到温度控制 控制系统分为开环 控制系统和闭环控制系统 开环控制系统 只有正向作用存在于控制器与控制目标之间的系统叫做开环控制系统 开 环控制的输入和输出之间没有反向联系 是一种单向的控制过程 开环控制系 统结构简单 容易调试 参与控制的信号来自于两条通道 干扰和制控量 一般开环系统只适合在参数稳定 无强噪声的系统中使用 开环制空基本框 图如图 3 1 所示 干扰 给定值 被控量 图 3 1 开环控制系统方框图 闭环反馈控制 闭环控制系统是利用系统输出的偏差反馈至系统输入端与输入端一同作用 于控制器 其系统框图如图 3 2 所示 这种控制方法比开环控制系统更具有实 现高精度控制的可能性 干扰 给定值 被控量 图 3 2 闭环反馈控制系统方框图 温度控制系统可以按照以上两种控制系统分析 为了取得最优的控制精度 本设计中采用第二中方法 将输出和输入值的误差作为反馈信号 与输入值差 值后得到最终输出的控制量作用于执行器 b 系统的工作原理 基因扩增仪是实现基因扩增过程中变性 复性 延伸三 个变化阶段的主要工具和手段 所以 PCR 仪的工作原理就围绕这三个变化阶段 进行温度控制 这三个主要变温过程主要包括基因链变性分解所需的温度是 80 95 摄氏度 单链结合要求的温度是 50 摄氏度左右 双链延伸的温度是 75 摄氏 度左右 标准的PCR过程分为三步 1 DNA变性 90 一96 双链DNA模板在热作用下 氢键断裂 形成单 计算执行 受控对象 比较和计算执行受控对象 测量 链DNA 2 退火 25 一65 系统温度降低 引物与DNA模板结合 形成局部双 链 3 延伸 70 一75 在Taq酶 在72 左右最佳的活性 的作用下 以 dNTP为原料 从引物到延伸 合成与模板互补的DNA链 每一循环经过变性 退火和延伸 DNA含量即增加一倍 所以根据 DNA 复制过程得到的 PCR 实验过程如图 4 循环 100 94 变性 加热 72 延伸 温度 摄氏 50 度 54 退火 30 50 90 加热时间 t s 图 3 3 PCR 扩增温度循环曲线 要使基因按照人们希望的数量和规则去扩增 首先就需要提供基因正确变 化的温度 因为基因是活性物质所以对温度有着高度的依赖性 基因扩增仪的 基本工作原理 也就是通过控制基因扩增仪内部的温度变化来实现的 仪器的系统环境温度变化从室温到 100 范围较大 升降温度要求较快 并且作为科学研究仪器它在温度稳定阶段要求精度也较高 要得到能够进行研 究的样品量 则需要将样品复制 30 次左右 而每次系统恒温保持阶段时间不会 低于 30 秒 再加上变温时间 所以一个循环阶段循环 30 次以上 则理论上一 次 PCR 至少需要一个小时以上 同时不仅要尽量缩短系统升降温过程的时间 而且要避免超调量太大 以免影响试剂的性质 故 PCR 反应中的变性 退火以 及延伸 3 个反应阶段的高精度温度控制是基因扩增仪的重点部分 3 2 CPU 控制器模块控制器模块 单片机作为目前电子设备普遍采用的控制核心 集成度很好 实现同等功能的 情况下价格更低 并且随着电子元件高度集成化微小化的发展趋势 单片机的 种类十分宽广 可选范围也很宽泛 本次设计拟采用 32 位 STM 32F101 系列 64 脚封装的 STM32F101R8T6 芯 片 该芯片内核具有低功耗 少门数 短中断延迟 低调试成本等优点 是专 门用于满足集高性能 低功耗 实时应用 具有竞争性价格于一体的嵌入式领 域的要求 通过紧耦合的嵌套矢量中断控制器 对中断事件的响应比以往更 迅速 内置了快速的中断控制器 提供了优越的实时特性 设计中最重要 的部分是如何实现 PCR 三个反应阶段的温度 同时达到速度的要求 其中温度 控制的动态特性是影响 PCR 扩增结果好坏的最重要因素之一 这包括温控的响 应速度 精度和稳定性等 本设计拟采用的 ARM 芯片实时性非常好 可以满 足温控系统在时间和速度上的要求 如图 3 4 所示 PA14 49 PA15 50 PC10 51 PC11 52 PC12 53 PD2 54 PB3 55 PB4 56 PB5 57 PB6 58 BOOT0 60 PB7 59 PB8 61 PB9 62 VSS 3 63 VDD 3 64 V BA T 1 PC13 2 PC14 3 PC15 4 PD 0 O SC IN 5 PD 1 O SC O U T 6 N RST 7 PC0 8 PC2 10 PC1 9 PC3 11 V SSA 12 V DD A 13 PA 0 WK UP 14 PA 1 15 PA 2 16 PA3 17 VSS 4 18 VDD 4 19 PA4 20 PA5 21 PA6 22 PA7 23 PC4 24 PC5 25 PB0 26 PB1 27 PB2 28 PB10 29 PB11 30 VSS 1 31 VDD 1 32 V DD 2 48 V SS 2 47 PA 13 46 PA 12 45 PA 11 44 PA 10 43 PA 9 42 PA 8 41 PC9 40 PC8 39 PC7 38 PC6 37 PB15 36 PB14 35 PB13 34 PB12 33 STM32F101R8T6 图 3 4 STM32F101R8T6 芯片 3 3 LCD 液晶显示和键盘输入模块液晶显示和键盘输入模块 LCD 液晶显示和键盘的输入是人机交流的基本设施 操作员通过键盘输入 命令 操作系统接到命令之后立即执行 并将执行结果通过显示器显示 从而 完成人机交流 3 3 1 液晶显示器驱动电路设计液晶显示器驱动电路设计 键盘和显示器的驱动电路一起构成基因扩增仪温控系统的监控部分 本设 计要求能够实时显示试验中的温度和各种用户输入的数据等 所以显示内容比 较复杂 需要采用显示内容丰富且自身功能完备的 LCD 型液晶显示器来达到系 统人机交流的目的 LCD 型液晶显示器是一种采用液晶为材料的显示器 液晶是介于固态和液 态间的有机化合物 将其加热会变成透明液态 冷却后会变成结晶的混浊固态 在电场作用下 液晶分子会发生排列上的变化 从而影响通过其的光线变化 这种光线的变化通过偏光片的作用可以表现为明暗的变化 通过对电场的控制 最终控制了光线的明暗变化 从而达到显示图像的目的 本设计选用的 FM12864 12L 汉字图形点阵液晶显示器 该液晶显示模块是 128 64 点阵的汉字图形型液晶显示模块 可显示汉字及图形 内置 8192 个中 文汉字 16X16 点阵 128 个字符 8X16 点阵 及 64X256 点阵显示 RAM GDRAM 可与 CPU 直接接口 提供两种界面来连接微处理机 8 位 并行及串行两种连接方式 具有多种功能 光标显示 画面移位 睡眠模式等 该液晶模块引脚说明见表 3 1 表 3 1 128X64 引脚说明 该液晶显示模块与 CPU 有并行和串行两种连接模式 本设计采用并行方式 逻辑工作电压 VDD 4 5 5 5V 电源地 GND 0V 工作温度 Ta 0 60 常温 20 75 宽温 外部连接如图 3 5 图 3 5 LCD 液晶显示器外部链接 引 脚名称 方 向 说明引脚名称 方 向 说明 1 VSS GND 0V 11DB4 I数据 4 2 VDD Supply Voltage For Logic 5v 12DB5 I数据 5 3 VO Supply Voltage For LCD 悬空 13DB6 I数据 6 4 RS CS O H Data L Instruction Code 14DB7 I数据 7 5 R W SID O H Read L Write 15PSB O H Parallel Mode L Serial Mode 6 E SCLK O Enable Signal 16NC 空脚 7 DB0I数据 017 RS T O Reset Signal 低电平 有效 8 DB1I数据 118NC 空脚 9 DB2I数据 219 LED A 背光源正极 LED 5V 1 0 DB3I数据 320 LED K 背光源负极 LED OV 3 3 2 键盘驱动电路设计键盘驱动电路设计 键盘控制电路用于完成系统参数的输入 实现如确定 删除 确定 后退 及数字输入等功能 键盘可分为独立式和行列式 独立式是直接用 I O 线构成 的单键电路 每个按键占用一根 I O 线 I O 线之间互相独立 电路配置灵活简 单 但是当按键较多时会占用许多 I O 资源 行列式键盘是由数根行线和列线 共同组成的 每对行线和列线竖直交叉 交点不连通 而是通过按键连接 该 按键是一个机械开关 当按键按下时行线和列线接通 对应行列的电平发生变 化 就可以确定哪个按键被按下 行列式按键的优势在于 N 根线可以组成远大 于 N 个按键 节省了系统资源 本次设计采用 4 4 非编阵列式键盘 它的功能 容易实现 可以用 8 根线控制 16 个键 逐行扫描法的原理是首先判断整个键盘中是否有按键被按下 如图 7 可知 PC10 PB5 为连接到 MCU 的行线 PB6 PB9 为列线 将连接到 MCU 行线的端 日 PC10 PB5 输出低电平 然后读取连接到列线的端口 PB6 PB9 电平状态 当 其读进来的数据位 OFH 时 说明没有按键被按下 如果不是 OFH 则说明有按 键被按下 因为只要有按键被按下 该按键连接到的列线电平就会被拉至低电 平 如图 3 6 所示 110 29 38 47 56 JP2jianpan PC10 PC11 PC12 PB5 PB6 PB7 PB8 PB9 G ND 图 3 6 键盘电路 3 4 温度数据采集模块设计温度数据采集模块设计 温度采集模块作为闭环反馈系统的输入 是负责检测基因扩增仪变温反应 室内的温度变化 检测过程是待温度检测传感器检测到温度差值后 将该 mv 级的电压差值信号经过放大并滤波 输入单片机 然后单片机对其进行 AD 转 换 转换之后的值将参与控制系统的运算处理 温度传感器是温度采集模块的中心 常用的温度传感器有以下几种 热电 偶测温范围宽 但其检测灵敏度低 热敏电阻器制作的温度传感器 在较窄的 温度范围内检测灵敏度高 超出范围则线性度非常差且检测范围较窄不适用于 本课题 因此 要精确检测 1000 以内的温度 上述各类温度传感器均不适用 而铂 Pt 测温度电阻的电阻温度精确度高 线性度好 灵敏度比较高 因此 是金属制品所以不会变质 耐酸碱 非常适合在有液体或气体的系统中使用 并且适用于测量 0 100 范围内的温度 所以本次设计的系统使用铂电阻作为温 度传感器 3 4 1 温度传感器温度传感器 铂电阻温度传感器是利用其电阻和温度成一定函数关系而制成的温度传感 器 铂电阻有普通型 铠装 薄膜铂电阻等种类 其中工业用薄膜铂电阻因其 体积微小 稳定性好 抗抖动并且性价比高而被广泛应用与各种测温电子设备 中 本次温检电路中的温度传感器采用薄膜铂电阻 PT100 PT100 是在 0 时阻 值为 1000 欧姆的铂电阻 为高阻值铂电阻敏感元件 其电阻值 RT 与温度呈线 性关系 该电阻能将 0 104 范围内的温度转换成 4 20mA 的电流 完成温度 电流转换 PT100 与其铂电阻 PT100 和 PT500 相比具有更高的精度和检测灵敏 度 并且因为温度传感器的阻值为 1000 欧姆阻值很大 所以手板间电阻的干扰 非常小 下表为铂电阻 PT100 的参数表 表 3 2 PT100 参数表 0 电阻值 1000 精度 0 15 0 002t 温度系数 3850PPM 温度范围 70 400 最大测量电流 0 5mA 响应时间5 15sec Max 尺寸 mm 3 1 5 1 5 Pt100 温度传感器阻值的计算方法 金属铂电阻的电阻值和温度可以用下列公式近似表示 R t R0 1 At Bt t 3 1 式 1 中 R t 是温度为 t 时铂热电阻的电阻值 R0 是温度为 0 时铂热电 阻的电阻值 1000 欧姆 A B 为分度常数 A 0 00386 B 0 000000653 将所有 温度下的电阻值列表称为铂电阻的分度表 利用该表就可以直接得到某温度下 的电阻值 3 4 2 温度检测电路的设计温度检测电路的设计 工程中的温度检测电路普遍采用电桥测量法 电桥是一种比较式电路 结 构简单 准确度和灵敏度高 并且采用电桥具有一定的优点 一 电桥输出受 电压的波动及飘移的影响较小 二 电桥输出受环境因素的影响较小 三 电 桥易校正零点 因此电桥在医学等方面有广泛的应用 生物医学仪器中检测电 路经常采用不平衡电桥 惠斯通电桥是一种可以精确测量电阻的电路 它利用电桥的四个桥臂上电 阻满足 R1 R4 R2 R3 关系 已知其中三个电阻阻值即可求得第四只电阻阻 值 由于这种平衡关系 所以惠斯通电桥又称为平衡电桥 当平衡电桥中某个 电阻阻值发生变化时 电桥变为不平衡电桥 如图 3 7 所示的温度检测电路中 测量温度传感器的方法就采用不平衡电桥法 利用传感器随温度变化导致电阻 值的变化测量实际温度 图中检测端是由铂电阻和三个 1K 的电阻构成不平衡 电桥 当图中 a 点电压比 b 点电压高时 说明传感器组值变大 温度升高 反 之阻值变小 温度下降 当 ab 间出现差值 该差值传至电压比较器 因为系统 上电压最初 Va Vb PT1000 的端电压是电压比较器 R1 1k PT1000 R2 1k R3 1k R4 10k R5 10k R7R6R8 tc1 15V C1 10u a b 图 3 7 温度检测电路 3 5 半导体驱动模块设计半导体驱动模块设计 3 5 1 输出控制方式输出控制方式 电路的输出控制方式一般采用 DAC 输出控制或脉宽调制输出控制 PWM DAC 输出是通过数模转换器将单片机输出的数字控制量转换为控制模拟元件的 模拟信号 使用数模转换器的弊端是会产生由离散化转换为连续量时产生得的 误差 脉冲宽度控制简写为 PWM 是通过改变脉冲信号的周期调节模拟控制 信号的频率 改变脉冲的占空比调节模拟信号的电压的方式对模拟信号电平进 行编码的控制方式 PWM 控制技术具有控制简单 快速灵活和动态响应好等 特点 PWM 信号是数字的 因为在任一时刻 直流供电只有高电平和低电平两 种状态 负载上的电信号是以通或断的脉冲序列加载的 PWM 调制波可以用硬件模拟电路产生 也可以利用微处理器采用软件编 程实时产生 后者具有明显优势 并且主控 CPU 单片机自带 PWM 控制模块 可以同时使用五路 PWM 控制 每一个都可以独立选择接通时间和周期 PWM 脉宽调制是从微处理器到被控制系统信号都是数字形式的 不用进行数模转换 让信号保持数字形式可以将噪声降到最小 综上各种优势 本次设计就采用软 件脉宽调制技术 3 5 2 半导体制冷器介绍半导体制冷器介绍 半导体致冷器是由半导体所组成的一种冷却装置 于 1960 年左右才出现 然而其理论基础 Peltiereffect 可追溯到 19 世纪 这现象最早是在 1821 年 由一 位德国科学家 ThomasSeeback 首先发现 不过他当时做了错误的推论 并没有 领悟到背后真正的科学原理 到了 1834 年 一位法国表匠 同时也是兼职研究 这现象的物理学家 JeanPeltier 才发现背后真正的原因 这个现象直到近代随 著半导体的发展才有了实际的应用 也就是 致冷器 的发明 注意 这种叫致冷 器 还不叫半导体致