基于STC单片机的PCR温控系统的设计

摘要

PCR仪是在医学工程方面应用非常广泛的一种仪器，它的关键技术是温度控制系统，即能实现快速、精确的温度控制从而完成多次热循环，来达到基因扩增的目的。一个热循环一般包括三个阶段，即变性、退火、延伸。本设计的目的就制作一种结构不复杂、价格较低、体积较小、性能精确度、温度均匀度能够满足要求的PCR扩增仪。
　　论文首先介绍了当前PCR仪的原理和国内外发展现状，提出了PCR仪目前存在的一些问题，并对着问题进行了讨论，提出了论文的研究的意义和内容以及设计的特点。主要研究的内容包括(1)测温模块和变温模块，这是硬件电路中的重点内容，关系到温控系统的精确度和可靠性。本设计中采用的AD590作为热传感器组成测温电路，既提高了精确度，又减少了硬件的复杂程度。变温模块就是对温度的控制部分，主要采用的热电制冷片进行控制，既能减少设计的体积还能提高精确度。另外为了提高降温速率，还增加了一个散热风扇。
　　(2) STC单片机主控电路的搭建，包括人机通信模块、AD和DA转换模块、串口通信模块、复位单元等。这部分主要是硬件电路的搭建内容，是温控系统正常工作的基础。其中AD转换是测温精确度的保障，所以硬件要保证其电压稳定，软件中多次采样对比来降低误差。DA转换则是通过连接差分放大电路来控制制冷片达到升降温的目的。
　　(3)温控算法的设计。在软件算法上，设计主要采取了自适应模糊控制的原理。也就是将PID控制和模糊控制结合，当实际温度和设定温度相差较大的时候采取比例控制，当偏差在范围之内时候采取自适应模糊PID控制来进行准确的温度调节。并通过MATLAB对算法进行了仿真和对比。
　　(4)温度均匀度的仿真和改进。反应槽是温度变化载体，其温度均匀度直接影响了反应试管的受热和最终实验结果。本论文对反应槽的受热进行了有限元的分析，得到其温度的分布情况，并且提出了相应的改进方法。通过有限元的分析和实际测量进行了对改进效果的验证。
　　(5)软件的设计。系统的编程是采用C语言进行编程，主要程序有PID的算法程序、温度采集程序、数字滤波程序等。
　　通过仿真和调试，初步体现了设计PCR仪的体积小、成本低、速度较快的优点。同时实验表明，系统的温控精确度在0.3℃左右，升降温速度大约在4℃/S，温度均匀度大约在0.4℃。性能能够满足当前医院和研究所的需要。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 PCR技术简介

1．2 PCR技术的原理

1．3 PCR技术的发展现状及研究意义

1．3．1 PCR扩增仪的现状介绍

1．3．2 研究的意义

1．4 论文的研究内容

1．4．1 论文主要研究内容

1．5 设计的特点

1．6 本章小结

第2章 温控系统硬件电路的设计

2．1 PCR温度控制系统的总体框图

2．2 温度采集系统模块

2．2．1 AD590选择与测温原理

2．2．2 AD590的非线性误差补偿方法

2．3 运算放大模块设计

2．4 温度控制模块的设计

2．4．1 热电制冷器

2．4．2 热电制冷器的参数选择及验证

2．4．3 温度控制电路的连接

2．4．4 PCR反应槽的设计

2．5 MCU的选择

2．6 人机交互模块设计

2．6．1 LCD显示部分

2．6．2 系统键盘电路

2．6．3 单片机与PC机的通讯电路

2．6．4 系统的复位电路

2．6．5 AD转换电路

2．6．6 DA转换电路

2．6．7 散热风扇的设计

2．7 本章小结

第3章 PCR温控系统的算法研究

3．1 PID控制的基本原理

3．1．1 PID控制原理

3．1．2 数字型PID的基本原理

3．1．3 位置PID算法

3．1．4 增量PID控制算法

3．2 模糊控制

3．2．1 模糊控制原理

3．2．2 模糊控制器

3．3 模糊PID控制

3．4 PCR的温控系统模糊PID的设计

3．4．1 自适应模糊PID的框图及原理

3．4．2 模糊自适应PID的参数调整策略

3．4．3 模糊推理机的参数确定

3．5 本章小结

第4章 温控系统的软件设计

4．1 主程序模块设计

4．2 AD转换模块

4．3 温度控制模块设计

4．4 PID算法程序模块

4．5 通信程序设计

4．5．1 STC单片机通讯程序

4．5．2 PC机通信

4．6 数字软件滤波的设计

4．7 本章小结

第5章 系统的仿真与调试

5．1 温控系统的仿真

5．1．1 模糊控制仿真

5．1．2 模糊PID的仿真

5．2 PCR系统的调试

5．2．1 硬件电路的调试与结果

5．3 PCR系统的软件调试

5．4 PCR温度曲线的比较

5．5 PCR仪的温度均匀度

5．5．1 模型受热环境分析

5．5．2 热方程和边界条件

5．5．3 反应槽的温度场仿真

5．5．4 PCR反应槽的改进

5．5．5 仿真结果的实验

5．6 本章小结

总结和展望

参考文献

致谢