基于ARM的酶链聚合扩增仪温度控制研究

摘要

聚合酶链式反应(Polymerase Chain Reaction)，简称PCR反应，是一种体外核酸扩增技术，利用该技术能够从复杂的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反应的仪器就是PCR仪，称为酶链聚合扩增仪。目前，PCR仪已经广泛应用于生命科学研究、生化分析、临床诊断、药物分析、法医鉴定和疫情快速检验等多个领域。
　　 本课题针对PCR仪的温度控制进行研究，完成了基于ARM9的嵌入式PCR仪硬件系统的设计，并在此基础上研究PCR仪温度控制算法和温度均匀性控制。论文的主要内容如下：
　　 第一章概述了PCR反应的基本原理以及PCR仪的国内外发展现状，阐述了温度控制器和温度控制算法的研究现状，最后提出论文的研究内容、方法以及难点。
　　 第二章主要介绍了PCR仪硬件系统设计，首先概述了硬件系统的组成，然后详细介绍了基于半导体制冷方式的变温系统设计和基于ARM9的嵌入式温度控制器设计，最后简要介绍了热盖、风扇等辅助部件设计。
　　 第三章研究了PCR仪的温度控制算法，在继电自整定PID控制的基础之上，引入不依赖于模型的给定前馈补偿控制和模糊控制，提出模糊—前馈PID控制算法，在PCR仪上得到良好的应用效果。
　　 第四章研究了PCR仪温度均匀性控制，建立了PCR仪变温系统的有限元模型，对变温系统进行有限元的仿真，根据仿真分析改进系统模型，并通过仿真和实验证明了模型改进方案的可行性。
　　 第五章对PCR仪的样机进行实验分析，分别对继电自整定PID算法、给定前馈补偿的PID算法和模糊．前馈PID控制算法进行了实验，获得温度控制曲线。
　　 第六章对全文进行了总结，对后续工作进行了展望。

目录

文摘

英文文摘

声明

致谢

1绪论

1.1 PCR仪技术概述

1.1.1 PCR反应基本原理

1.1.2 PCR仪的研究现状和发展方向

1.2温度控制器

1.3温度控制策略

1.4研究内容、方法和创新点

1.4.1研究内容

1.4.2研究方法

1.4.3课题难点及创新点

1.5本章小结

2 PCR仪硬件系统设计

2.1 PCR仪硬件系统组成

2.2 PCR仪变温系统设计

2.2.1 PCR仪变温原理

2.2.2 PCR仪变温系统组成

2.2.3样品反应槽设计

2.2.4半导体制冷片的选型

2.3嵌入式控制器设计

2.3.1最小系统设计

2.3.2人机交互系统设计

2.3.3温度采样系统设计

2.3.4 D／A输出及功放系统

2.4辅助部件设计

2.5本章小结

3 PCR仪温度控制算法的研究

3.1继电自整定PID控制算法

3.1.1 PID控制基本原理

3.1.2继电型PID自整定控制策略

3.1.3 PCR仪继电自整定PID控制算法设计

3.2基于给定前馈补偿的PID控制算法

3.2.1基于给定前馈补偿的PID控制原理

3.2.2基于给定前馈补偿的PID控制实现

3.3模糊-前馈PID混合控制算法

3.3.1模糊控制原理

3.3.2模糊-PID混合控制原理

3.3.3 PCR仪模糊-前馈PID混合控制算法设计

3.4本章小结

4 PCR仪温度均匀性控制研究

4.1 PCR仪样品反应槽温度场仿真分析

4.1.1模型受热与环境分析

4.1.2热方程和边界条件

4.1.3有限元模型的建立以及温度场的仿真

4.2 PCR仪变温系统结构改进及仿真分析

4.3 PCR仪温度控制均匀性实验分析

4.3.1温度均匀性实验方法

4.3.2多通道温度采集系统设计

4.3.3温度均匀性实验结果

4.4本章小结

5 PCR仪温度控制实验研究

5.1继电自整定PID控制实验分析

5.2给定前馈补偿PID温度控制实验分析

5.3模糊-前馈PID混合控制实验分析

5.4本章小结

6总结和展望

6.1论文总结

6.2工作展望

参考文献

作者简历及攻读学位期间发表的论文