便携式PCR仪温控系统设计与仿真研究

摘要

随着社会发展，医疗水平的不断提高，人们对自身健康状态有了更高的需求，这就使得疾病预防与早期检测具有了更迫切的现实意义，并得到了社会的广泛关注。PCR是聚合酶链式反应(Polymerase Chain Reaction)的简称，是一种体外核酸扩增技术，可从复杂的DNA分子中选择性的复制扩增一段特异的序列，能够自动完成PCR反应的仪器称为酶链聚合扩增仪（下文简称PCR仪）。目前，PCR仪已经广泛应用于疫情快速检验、临床诊断、法医鉴定和生化分析等多个传统领域，但PCR技术相对于船舶污水检测领域还是一个空白，本课题设计的PCR仪可完成对船舶生活污水的致病菌定性的快速检测，实现了对船舶污水排放的标准化检测，减少了对海洋环境的污染，具有较强的实际应用前景。与国外PCR技术相比，国内因起步晚，研究基础薄弱，导致国内PCR仪性能一定程度落后于国外同类产品，由此研究并开发具有精度高、成本低的PCR仪便具有一定的理论意义和经济价值。
　　课题分析了PCR仪的温度控制要求和流程;设计并完成了基于C8051F020单片机的嵌入式PCR仪软/硬件系统;提出了模糊PID温度控制优化模型，并与传统PID控制进行了仿真比较与效果分析。论文的主要研究如下:
　　(1)概述了PCR反应的基本原理和国内外PCR仪的发展现状，对国内外当前PCR仪进行了参数对比和分析;
　　(2)主要是以C8051F020单片机为开发平台完成了课题的硬件系统设计。给出硬件电路总体设计架构，重点对电源模块、传感器模块及控制器模块等电路进行了设计与测试，完成人机交互界面设计及设备平台搭建和实验测试;
　　(3)采用模块化原则对系统软件进行功能块定义与接口设计，完成系统主程序及各中断程序代码的编写，并对程序结构和代码进行了优化，提高运行效率和稳定性;
　　(4)针对PCR技术温度控制的特殊要求，提出模糊PID控制模型，并与传统PID控制效果进行了仿真比较。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 研究背景与意义

1．1．1 课题的研究背景

1．1．2 课题的理论意义与应用价值

1．2 PCR技术概述

1．2．1 PCR反应的基本原理

1．2．2 PCR仪国内外研究现状

1．3 研究内容

1．4 本章小结

第2章 硬件系统设计

2．1 硬件总体结构方案

2．2 硬件电路设计

2．2．1 电源模块

2．2．2 时钟电路模块

2．2．3 复位电路模块

2．2．4 CPU控制模块

2．2．5 温度检测与放大电路

2．2．6 通信接口电路

2．3 温控元件的选取

第3章 软件系统设计

3．1 软件的组成和模块化功能

3．2 主程序设计

3．3 中断程序设计

3．3．1 T0中断服务程序

3．3．2 T1中断服务程序

3．3．3 DAC0中断服务程序

3．3．4 UART0中断服务程序

第4章 PCR仪温度控制算法

4．1 PID控制理论简介

4．1．1 PID控制模型

4．1．2 PID参数整定

4．2 模糊控制模型

4．2．1 模糊控制理论简介

4．2．2 模糊控制器

4．3 基于模糊PID控制的PCR温度控制算法

4．3．1 物理量的模糊化

4．3．2 模糊规则和推理

4．3．3 输出的反模糊化

4．3．4 算法程序的实现

4．3．5 模糊-PID控制算法仿真

第5章 系统软硬件平台测试与分析

5．1 人机交互界面参数设置

5．2 后期实验成果

总结与展望

参考文献

致谢

研究生履历