生物芯片检测仪控制系统的研制

摘要

生物芯片技术的快速发展给生命科学、医学、微生物学、化学等众多领域带来了巨大的技术革新，具有十分广阔的应用前景。生物芯片技术是将核酸片段等生物大分子样品有序地固化在硅片等固相支持物上，然后与待测样品中的靶分子进行杂交，通过特定设备对杂交后的样品进行快速、精确、高效的检测分析，进而判断生物样品中靶分子的数量。国内外厂家以生物芯片技术为基础，研发出多种型号的生物芯片检测仪，其主要包括PCR扩增温控系统和荧光检测系统，但是大部分厂家的生物芯片检测仪在PCR扩增阶段花费大量的时间，导致整个检测过程时间长、效率低。因此，研发出一套快速PCR扩增温控系统是提高生物芯片检测仪检测效率的关键，同时为了对PCR扩增效果进行检测，本文设计并搭建一套荧光检测实验平台。 本文以研发一套快速温控系统为基础，提出了最大升降温速度、风场温度均匀性、控温稳定性等技术参数。为了满足这些技术参数，本文以STM32单片机为下位机，以智能LCD触摸屏为上位机进行控制系统总体设计。在软件方面，以JavaScript语言为基础设计人机交互界面、通讯协议等模块；以改进型PID算法为基础，采用软件模拟PID控制器的方法进行控温，同时为了满足系统在不同工作环境温度下仍能良好控温，本文设计出一套新型PID参数自整定程序，利用该程序可以在较短的时间内自动整定出适合当前环境温度的控温参数。在硬件设计方面，根据实际使用场合设计出主MCU控制板、温度采集板、步进电机驱动板等印刷电路板，并进行电路板的静态和动态调试。在控温方式上，本文提出一种基于PID算法“双PWM”控制的加热方式，提高了风场温度均匀性。为了满足国家对医疗设备出厂要求，本文还对温控系统进行了电磁兼容设计。 温控系统和荧光检测平台的原理样机已经搭建完成，并通过了软、硬件系统调试。通过实验表明，温控系统的技术参数均满足设计要求，同时在荧光检测平台上进行标准荧光染料PCR预混液的荧光检测实验，验证了系统整体的可行性。

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