CN104914045B - 便携式致病菌快速检测系统和装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种便携式致病菌快速检测系统和装置，包括电源单元电源输出端连接核酸提取单元电源输入端，所述电源单元电源输出端还连接第一控制芯片电源输入端，所述第一控制芯片恒温信号传输端连接恒温控制单元信号传输端，所述激光检测单元信号传输端连接第一控制芯片激光信号传输端，所述恒温控制单元和激光检测单元电源输入端连接电源单元电源输出端，所述第一控制芯片信号输出端通过串口通信连接第二控制芯片信号输入端，所述第二控制芯片信号输出端连接人机交互模块信号输入端，所述电源单元分别连接第二控制芯片电源输入端和人机交互模块电源输入端。本发明体现了经济性和轻便性，检测准确高效。

Description

便携式致病菌快速检测系统和装置

技术领域

本发明涉及自动化控制领域，尤其涉及一种便携式致病菌快速检测系统和装置。

背景技术

近年来，由于食源性致病微生物中毒事件频发、动植物病原体变异或跨境传播以及转基因成分的安全性等，引发的生物安全问题越来越突出。生物安全领域的检测技术和检测装备成为研究的热点之一。譬如2013年发生新西兰“肉毒杆菌”奶粉事件和德国“毒黄瓜”和“掺假马肉成分”等事件，以致国内外食品安全形势的不断恶化。在这个背景下，任何一项有利于致病微生物及其基因成分的快速检测技术均有巨大的应用价值和市场前景。

本发明旨在开发的便携式基因扩增检测装置，首先利用手持式磁力架提取样品中的核酸DNA，然后采用恒温的孵育器进行核酸扩增，并利用微型光电检测器，对结果进行分析和判读。本发明开发的其装备不仅原理特别，且轻巧便携，造价低于市售的同类的生物基因检测设备。譬如，杜邦公司推出的Q7全自动病原微生物快速检测系统，系采用荧光定量PCR的原理对微生物进行检测，该系统BAXQ 7重量多达40公斤，售价高达40余万人民币。再如美国BioLumix公司的BioLumix 32，系采用32个并行的检测管，根据微生物液体培养基中的化学特性变化，再通过感光试剂进行检测。Biolumix32系统的重量为14公斤。且不说上述商化系统的灵敏度和准确性，就其重量和售价而言，并不适合食品微生物的现场检测工作。日本荣研公司的实时浊度仪以及其它普通PCR仪也可以应用于食品微生物的基因快速检测，但并未集成核酸提取部件，自动化程度低，设备笨重，只适合实验室检测。

发明内容

本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题，特别创新地提出了一种便携式致病菌快速检测系统和装置。

为了实现本发明的上述目的，本发明提供了一种便携式致病菌快速检测系统，其关键在于，包括：电源单元、第一控制芯片、第二控制芯片、恒温控制单元、激光检测单元、核酸提取单元、人机交互模块、通讯模块，

所述电源单元电源输出端连接核酸提取单元电源输入端，所述电源单元电源输出端还连接第一控制芯片电源输入端，所述第一控制芯片恒温信号传输端连接恒温控制单元信号传输端，所述激光检测单元信号传输端连接第一控制芯片激光信号传输端，所述恒温控制单元和激光检测单元电源输入端连接电源单元电源输出端，所述第一控制芯片信号输出端通过串口通信连接第二控制芯片信号输入端，所述第二控制芯片信号输出端连接人机交互模块信号输入端，所述电源单元分别连接第二控制芯片电源输入端和人机交互模块电源输入端，通讯模块数据传输端连接上位机数据接收端，所述通讯模块控制芯片数据传输端连接第一控制芯片和第二控制芯片数据传输端。

上述方案的有益效果为：通过上述控制电路能够实现核酸的分析与判断，快速检测结果，并且实时显示数据。

本发明还公开一种便携式致病菌快速检测装置，其关键在于，包括：核酸提取模块、加热槽1、加热片2、控制电路板3、激光传感器固定座5、激光传感器14、激光发射器6、激光发射器下固定座7，待测物质放置孔22、待测物质固定片23、激光过孔24，

激光发射器6固定在激光发射器下固定座7上，激光传感器14固定在激光传感器固定座5上，激光发射器6、加热槽1和激光传感器14依次平行放置，加热槽1立面设置激光过孔24，由激光发射器6发出的激光穿过激光过孔24到达激光传感器14，

加热槽1顶面封盖待测物质固定片23，在待测物质固定片23上开设待测物质放置孔22，在待测物质放置孔22下方的加热槽1设置凹槽，用于放置待测物质，激光发射时，穿过凹槽内的待测物质；

加热片2放置在加热槽1和加热槽固定座13之间；

所述核酸提取模块插入装有待提取待物质的试管中提取待测物质的核酸。

上述技术方案的有益效果为：通过将检测装置安装在检测系统中，结合检测系统的检测结构有效的进行待测物质的检测。

所述的便携式致病菌快速检测装置，有效的，所述核酸提取模块包括：提手16、弹力固定夹17、接触棒19、磁力区20、管套18，

提手16下端安装固定板，所述固定板下端设置弹力固定夹17，所述弹力固定夹17用于固定管套18，所述接触棒19固定在固定板的固定孔，所述固定孔的内螺纹与接触棒19的外螺纹相配合，将接触棒19固定在固定板上，所述接触棒19底端进行磁化产生磁力区20，所述磁力区20用于探入加热槽1的凹槽中吸附磁珠，所述提手16两侧由连接柱21与固定板进行连接。

上述技术方案的有益效果为：核酸提取模块结构设计合理，携带方便。

所述的便携式致病菌快速检测装置，优选的，还包括：激光发射器上固定座15，

所述激光发射器上固定座15为对合而成的夹持部件，所述激光发射器上固定座15中间夹持激光发射器6，通过穿钉将对合而成的激光发射器上固定座15固定，所述穿钉穿过激光发射器上固定座15钉入激光发射器下固定座7。

上述技术方案的有益效果为：激光发射器上固定座压固激光发射器，从而使激光发射稳定，不产生偏差。

所述的便携式致病菌快速检测装置，优选的，还包括：隔热板12，所述隔热板12包覆在加热槽1和加热槽固定座13周围，所述隔热板12与激光过孔24相对的两侧立面开设透光孔。

上述技术方案的有益效果为：隔热板能够防止使用者烫伤，并且使加热槽内的待测物质保持温度恒定。

所述的便携式致病菌快速检测装置，优选的，还包括：显示模组9，所述显示模组9安装在控制电路板3上，用于显示数据。

所述的便携式致病菌快速检测装置，优选的，还包括：微调旋钮10，所述微调旋钮10设置在激光传感器固定座5的下方的四周，用于调节激光传感器14的高度。

所述的便携式致病菌快速检测装置，优选的，所述控制电路板3包括：第一控制芯片、第二控制芯片、恒温控制单元、激光检测单元、电源，

所述第一控制芯片信号传输端连接第二控制芯片信号传输端，所述第一控制芯片恒温信号传输端连接恒温控制单元信号传输端，所述激光检测单元信号传输端连接第一控制芯片激光检测信号端，所述电源连接第一控制芯片、第二控制芯片、显示模组、恒温控制单元、激光检测单元的电源输入端。

所述的便携式致病菌快速检测装置，优选的，所述恒温控制单元包括：温度传感器、加热器和MOS管，

所述加热器一端连接MOS管漏极，所述加热器另一端连接电源正极，所述电源负极连接MOS管源极，所述MOS管栅极连接第一控制芯片PWM脉冲调制端，所述温度传感器温度信号输入端连接加热器温度信号输出端，所述温度传感器温度信号输出端连接第一控制芯片温度信号输入端。

上述技术方案的有益效果为：通过恒温控制单元保证加热槽中的待测物质保证恒温，效果显著。

综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：

本发明一种便携式食源性致病菌快速检测装置，便携式食源性致病菌的快速检测装置是生物技术与自动化技术的结合，它采用了目前国际上比较先进的检测方法—激光检测,通过检测溶液的浑浊度判断样品的阴阳性，它的硬件结构相对简单，软件也是采用可移植性较高的C语言编写，该装置每次能同时检测四组样品，提高了检测效率。该检测装置解决了户外检测的需求，通过与目前市场上相类似产品对比，本文发明的检测装置有以下特点：

轻便性

整个检测装置的大小为255mm*150mm*53mm，相比于国外的同类检测装置它的体积较小，便于携带，国外的检测装置必须提供220V的交流电源，并且大多比较笨重，这限制了其只能在实验室使用，无法完成户外的检测工作。本发明使用的电源是5V的直流电源，一块锂电池即可满足它的工作需求，且重量在5kg左右，这使它可以顺利的完成户外的检测工作。

经济性

从经济的角度比较本装置和国外同类型的装置，可以清晰的得出其优越性，同类型的产品中杜邦公司推出的Q7在国内的售价高达40万元人民币，本发明装置的成本不足其十分之一，且国外装置的维护也相当麻烦，装置如果出了问题，必须被送回国外的厂家维修，周期较长，本发明使用国内技术，售后维护相对方便。

本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1是本发明便携式致病菌快速检测系统示意图；

图2是本发明便携式致病菌快速检测系统立体图；

图3是本发明便携式致病菌快速检测系统核酸提取模块示意图；

图4是本发明便携式致病菌快速检测装置示意图；

图5是本发明便携式致病菌快速检测装置恒温控制单元驱动电路图；

图6是本发明便携式致病菌快速检测装置流程图；

图7是本发明便携式致病菌快速检测装置激光发射器电路图；

图8是本发明便携式致病菌快速检测装置激光传感器电路图；

图9是本发明便携式致病菌快速检测方法流程图；

图10是本发明便携式致病菌快速检测方法实验数据图；

图11是本发明便携式致病菌快速检测方法实验数据图；

图12是本发明便携式致病菌快速检测装置通讯模块示意图；

图13是本发明便携式致病菌快速检测装置通讯模块示意图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，除非另有规定和限定，需要说明的是，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是机械连接或电连接，也可以是两个元件内部的连通，可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。

便携式食源性致病菌的快速检测装置以食源性致病菌为检测对象，通过激光传感器实时检测样品溶液浊度的变化，并将检测信号传递给控制芯片1，控制芯片1经过计算处理后将数据传递给控制芯片2，控制芯片2将结果显示在人机交互模块上，系统的工作原理如图1所示

图中：1、加热槽，2、陶瓷加热片，3、控制电路板，4、电池，5、激光传感器固定座，6、激光发射器，7、激光发射器下 固定座，8、风扇，9、显示器，10、微调旋钮，11、散热器，12、隔热板，13、加热器底座，14、激光传感器，15、激光发射器上 固定座，

激光发射器6固定在激光发射器下固定座7上，激光传感器14固定在激光传感器固定座5上，激光发射器6、加热槽1和激光传感器14依次平行放置，激光发射器6通过固定螺栓固定在激光发射器下固定座7上，所述控制电路板3第一延长端连接激光发射器下固定座7侧边缘，加热槽1与激光发射器平行放置，加热槽1立面设置激光过孔24，所述激光过孔24用于激光发射器6发射激光穿过激光过孔24到达激光传感器14，所述控制电路板3第二延长端连接在加热槽底座13的侧边缘，激光传感器14与加热槽1平行放置，激光传感器14固定在激光传感器固定座5上，所述控制电路板3第三延长端连接激光传感器固定座5的侧边缘，激光发射器6发射端与加热槽1立面的激光过孔24和激光传感器14在同一直线，由激光发射器6发出的激光穿过激光过孔24到达激光传感器14，

如图4所示，本发明提供了一种便携式致病菌快速检测系统，其关键在于，包括：电源单元、第一控制芯片、第二控制芯片、恒温控制单元、激光检测单元、核酸提取单元、人机交互模块，

所述电源单元电源输出端连接核酸提取单元电源输入端，所述电源单元电源输出端还连接第一控制芯片电源输入端，所述第一控制芯片恒温信号传输端连接恒温控制单元信号传输端，所述激光检测单元信号传输端连接第一控制芯片激光信号传输端，所述恒温控制单元和激光检测单元电源输入端连接电源单元电源输出端，所述第一控制芯片信号输出端通过串口通信连接第二控制芯片信号输入端，所述第二控制芯片信号输出端连接人机交互模块信号输入端，所述电源单元分别连接第二控制芯片电源输入端和人机交互模块电源输入端。

上述方案的有益效果为：通过上述控制电路能够实现核酸的分析与判断，快速检测结果，并且实时显示数据。

所述人机交互模块包括：

①触摸屏的界面设计

便携式食源性致病菌检测系统是一个触屏模式的检测系统。触摸屏除了具有显示功能外，还必须具有触摸功能。整个检测过程的所有指令都可以通过触摸的方式实现，包括系统初始化，参数设定，启动运行，图像处理等功能。通过比较分析，最后选用德飞莱公司生产的一块大小为3.5寸，分辨率为480*320的液晶触摸屏作为整个装置的显示器。

②按键模块的设计

根据连接方式不同可分为矩阵键盘和非矩阵键盘。矩阵键盘和非矩阵键盘有各自不同的优缺点，对矩阵键盘而言，它占用系统的I/O接口资源少，能有效的节约系统的I/O资源，适用于I/O接口相对紧张的控制电路中；非矩阵键盘占用的I/O接口资源多，但使用方便，编程简单，适用于I/O接口相对宽松的控制电路中。例如，设计一个3*3的矩阵键盘只需要占用6个I/O，但是设计同样含有9个按键的非矩阵键盘则需要占用9个I/O接口。本课题设计的便携式食源性致病菌检测系统采用的控制器是64引脚的dsPIC33FJ64GS606控制芯片，I/O接口相对宽裕，因此本设计选用非矩阵键盘。

根据便携式食源性致病菌检测系统的实际需求，设计的非矩阵键盘中带有8个按键，其中两个按键分别用于控制器1和控制器2的重新启动，一个按键用于恒温系统的温度设定，一个按键用于实验其他参数的设定，一个按键用于实验的启动运行，剩余三个按键当作数字输入按钮。

③SD卡功能模块的设计

在设计中，将一幅螺旋式DNA的结构图作为整个检测系统的开机背景界面，但由于控制器自身的内存RAM仅仅只有64KB，无法容纳这幅分辨率为480*320，大小为300K的DNA双螺旋结构图，因此需要利用外部存储器，本设计增加了SD卡功能，利用一张2GB大小的SD卡作为螺旋式DNA结构图的存储器。SD卡有两种工作模式，SD模式和SPI模式。

如图1、2所示，本发明还公开一种便携式致病菌快速检测装置，其关键在于，包括：核酸提取模块、加热槽1、加热片2、控制电路板3、激光传感器固定座5、激光传感器14、激光发射器6、激光发射器下固定座7，待测物质放置孔22、待测物质固定片23、激光过孔24，

激光发射器6固定在激光发射器下固定座7上，激光传感器14固定在激光传感器固定座5上，激光发射器6、加热槽1和激光传感器14依次平行放置，加热槽1立面设置激光过孔24，由激光发射器6发出的激光穿过激光过孔24到达激光传感器14，

加热槽1顶面封盖待测物质固定片23，在待测物质固定片23上开设待测物质放置孔22，在待测物质放置孔22下方的加热槽1设置凹槽，用于放置待测物质，激光发射时，穿过凹槽内的待测物质；

加热片2放置在加热槽1和加热槽固定座13之间；

所述核酸提取模块插入装有待提取待物质的试管中提取待测物质的核酸。

上述技术方案的有益效果为：通过将检测装置安装在检测系统中，结合检测系统的检测结构有效的进行待测物质的检测。

如图3所示，所述的便携式致病菌快速检测装置，有效的，所述核酸提取模块包括：提手16、弹力固定夹17、接触棒19、磁力区20、管套18，

提手16下端安装固定板，所述固定板下端设置弹力固定夹17，所述弹力固定夹17用于固定管套18，所述接触棒19固定在固定板的固定孔，所述固定孔的内螺纹与接触棒19的外螺纹相配合，将接触棒19固定在固定板上，所述接触棒19底端进行磁化产生磁力区20，所述磁力区20用于探入加热槽1 的凹槽中吸附磁珠，所述提手16两侧由连接柱21与固定板进行连接。

上述技术方案的有益效果为：核酸提取模块结构设计合理，携带方便。

核酸提取模块

核酸提取模块在整个检测过程中最先执行，它是一个前处理模块，核酸提取的成功与否直接影响最后的检测结果。核算提取模块主要是利用磁场对核酸进行吸附，从而达到提取的目的。

在检测开始前，先向待提取的样品中放入一定量的磁珠，然后将样品放入恒温模块中进行加热，恒温温度设置在80度左右，再将图3所示的核酸提取装置放入待提取的样品中，并且使之上下移动，破坏细胞的生物结构，释放DNA，磁珠会与DNA结合，在磁场的作用下，核酸提取装置上的磁力棒将磁珠吸走，这样就到达了提取核酸的目的。

所述的便携式致病菌快速检测装置，优选的，还包括：激光发射器上固定座15，

所述激光发射器上固定座15为对合而成的夹持部件，所述激光发射器上固定座15中间夹持激光发射器6，通过穿钉将对合而成的激光发射器上固定座15固定，所述穿钉穿过激光发射器上固定座15钉入激光发射器下固定座7。

上述技术方案的有益效果为：激光发射器上固定座压固激光发射器，从而使激光发射稳定，不产生偏差。

所述的便携式致病菌快速检测装置，优选的，还包括：隔热板12，所述隔热板12包覆在加热槽1和加热槽固定座13周围，所述隔热板12与激光过孔24相对的两侧立面开设透光孔。

上述技术方案的有益效果为：隔热板能够防止使用者烫伤，并且使加热槽内的待测物质保持温度恒定。

所述的便携式致病菌快速检测装置，优选的，还包括：显示模组9，所述显示模组9安装在控制电路板3上，用于显示数据。

所述的便携式致病菌快速检测装置，优选的，还包括：微调旋钮10，所述微调旋钮10设置在激光传感器固定座5的下方的四周，用于调节激光传感器14的高度。

所述的便携式致病菌快速检测装置，优选的，所述控制电路板3包括：第一控制芯片、第二控制芯片、恒温控制单元、激光检测单元、电源，

所述第一控制芯片信号传输端连接第二控制芯片信号传输端，所述第一控制芯片恒温信号传输端连接恒温控制单元信号传输端，所述激光检测单元信号传输端连接第一控制芯片激光检测信号端，所述电源连接第一控制芯片、第二控制芯片、显示模组、恒温控制单元、激光检测单元的电源输入端。

所述的便携式致病菌快速检测装置，优选的，所述恒温控制单元包括：温度传感器、加热器和MOS管，

所述加热器一端连接MOS管漏极，所述加热器另一端连接电源正极，所述电源负极连接MOS管源极，所述MOS管栅极连接第一控制芯片PWM脉冲调制端，所述温度传感器温度信号输入端连接加热器温度信号输出端，所述温度传感器温度信号输出端连接第一控制芯片温度信号输入端。

上述技术方案的有益效果为：通过恒温控制单元保证加热槽中的待测物质保证恒温，效果显著。

恒温控制模块

恒温控制模块是该装置中十分重要的一部分，食源性致病菌在快速增值过程中需要合适的环境温度，因此需要设计一个恒温模块满足此需求。恒温模块的主要电路原理图如图5所示：

控制器选用Microchip系列中的dsPIC33FJ64GS606，该控制器内部有独立的PWM发生器和10位A/D采样器，避免了外接A/D芯片，简化了整个电路结构；加热器选用5V的陶瓷加热片，加热槽由铝块加工而成，温度传感器选用达拉斯半导体公司的DS18B20。恒温模块的恒温设定值一般在60度以上，为了避免该模块对其他模块产生较大影响，在恒温模块的四周分别加上了一块隔热板，这样既能减小对其他模块的影响，又能提高恒温模块的性能。根据电路的参数特性，选取MOSFET的驱动电路如下：

隔离芯片选用双通道的光耦隔离HCPL_2631，驱动芯片选用双通道的MAX17600，由于整个检测装置设计为四通道采样，因此需要多路驱动电路，采用双通道的隔离、驱动芯片有利于简化电路。

如图6所示，控制器通过MOSFET的占空比控制陶瓷加热片的输出功率，从而达到控制温度的目的。占空比越大，陶瓷加热片的输出功率越大，当以一定占空比进行加热时，温度传感器将加热槽的温度实时的传递给控制器，控制器计算判断后更改占空比的值，通过不断的修正占空比，改变加热片的输出功率，进而使加热槽的温度恒定。常用的控制方法有PID控制、滑模控制、棒棒控制等，本装置采用的方法是模糊PID控制，模糊PID控制器可以不依赖于被控对象的数学模型，适用于本装置的被控对象，且模糊PID控制器更易于实现。

激光检测技术是当代最先进的技术之一，已经被越来越多的领域运用，相比于传统的化学检测方法，它的检测精度更高，使用更便捷。本装置采用的便是激光检测，通过激光检测溶液浊度的变化推测出检测结果。为了提高检测的工作效率，本装置设计了四路同时检测的功能，由四路激光发射电路和四路激光检测电路组成，每一路激光发射电路图如图7所示：

由于激光发射器长时间工作时，激光发射器的温度会明显升高，从而导致激光发射器的输出功率变小，进而使检测结果出现较大偏差，为了解决这一问题，设计了一个温度控制系统，用来保证激光发射器的温度稳定在一定范围内。将激光发射器固定在金属底座上，金属底座放在制冷片上方，制冷片的工作方式由外部的控制电路控制，当激光发射器的温度过高时，制冷片开始工作，通过热传导作用使发射器的温度降低，当发射器的温度低于设定值时，制冷片停止工作，通过这种方式使激光发射器的温度稳定在一定范围内，从而提高检测结果的精度。

当激光发射器发出的激光透过样品溶液后照在激光接收器上，激光接收器将光信号转化成电信号，其接受到的激光的光强越强，产生的光电流越大，再通过电阻RL将光电流转化成电压，用A/D采样器测出采样电压。如果溶液的浊度发生变化，透过溶液的光强会随之变化，接收器产生的光电流也会变化，采样电压也会出现变化，因此通过采用电压的变化就可以判断出检测结果。R1和C1构成滤波电路，电源采用3.3V直流电源，如图8所示，激光传感器选用FDS100，A/D采样器选用控制器内部自带的10位A/D模块。采样时间可以根据整个检测装置的工作时间进行调整。

通过理论分析可知，当待测样品为阴性时即不含食源性致病菌，通过恒温加热后，样品中的食源性致病菌的数量不会扩增，溶液的或浊度在整个检测过程中基本保持不变，所以得到的采样电压值在整个检测过程中也基本维持不变，因此得出的采样曲线基本是一条平行的直线，低于阈值线。阈值线是经过生物领域上的专家推导得出的一条用于判断样品阴阳性的标准准线，当采样曲线出现高于这条线的采样值时，表示被检测的样品为阳性，当采样曲线始终低于这条曲线时，表示被检测的样品为阴性。

由于恒温控制模块、核酸提取模块和激光检测模块都在同一个装置中，应充分考虑各个部件的工作温度，为其散热。恒温模模块的温度一般高于60℃，而核酸提取模块工作时温度更高，甚至超过80℃，这两个模块的高温会对其他模块产生影响，特别是对于激光发射器的温度稳定有致命影响，激光发射器如果不能稳定工作，检测电路必然也会随着发射器功率的变化而变化，对检测的准确度会产生较大影响。在恒温模块和核酸提取模块的四周都加上四块隔热板，减缓其与其他模块的热交换作用，在激光发射器下端放上一个较大体积的铝制散热器，在散热器的旁边装上4路风扇，加强空气流通，增强散热能力。

便携式装置的实现离不开人机交互软件技术的支持，该软件应满足功能完整性、实用性、易操作性和美观性等要求。软件系统采用模块化和集成化的设计思想。其中仪器参数设置模块用于设置检测装置的工作时间、恒温模块的恒温值以及四路激光检测的工作状态开/关；A/D采样模块用于采样检测结果。并将结果传给控制器；PID控制模块用于恒温调节，使温度稳定在设定值；串口通讯用于两个控制器之间的数据传输，控制器1的数据要想在显示器上显示，必须先将数据传递给控制器2，通过控制器2将需要显示的数据显示在人机交互模块上；检测结果显示模块用于显示检测的实验数据和温度值。

通讯模块

便携式食源性致病菌检测系统的通讯模块主要分为两个部分，第一部分为便携式食源性致病菌检测系统与上位机之间的通讯；第二部分为两块主控制芯片之间的相互通讯，通讯模块的结构如图12所示；

通讯模块主要包括便携式食源性致病菌检测系统与上位机之间的通讯模块和控制器之间的通讯模块两部分，每部分又包括硬件设计和软件设计两部分。

通讯的种类有很多，为了方便连接，我们采用了一个USB的接口，通过芯片CH340，将USB通讯转化成串口通讯，这样避免了使用复杂的USB通讯协议，具体电路图如图13所示。

控制算法

如图9所示，在设计恒温模块的时，需要对控制对象施加一种控制方法，经过对恒温模块性能参数的考虑，选择了模糊PID控制，因为本装置的被控对象的数学模型不确定，且能够满足恒温模块的各个性能指标，且模糊PID容易实现。

比例积分控制器是目前应用最为广泛的一种控制器，多用于工业生产中液位、压力、流量等控制系统。由于引入积分作用能消除余差，弥补了纯比例控制的缺陷，获得较好的控制质量。但是积分作用的引入，会使系统稳定性变差。对于有较大惯性滞后的控制系统，要尽量避免使用。

本发明共两个模糊自整定PID控制器，其中一个为激光发射器的恒温系统，另外一个为加热槽的恒温系统，两个恒温系统的执行器都相同，为MOSFET的占空比；被控对象不同，激光发射器恒温系统的被控对象为制冷片，加热槽恒温系统的被控对象为陶瓷加热器。

恒温系统中的被控对象为陶瓷加热器或制冷片，因此，恒温系统的模糊PID控制器的输入量为陶瓷加热器的实时温度或制冷片的实时温度与相应的设定温度之间的偏差值e₁(k)与偏差的变化量e_c(k)，输出量为PID控制器的三个参数，即ΔK_P、ΔK_I和ΔK_D。

将e₁、e_c、ΔK_P、ΔK_I和ΔK_D的模糊集设为：{NB、NM、NS、ZE、PS、PM、PB}，其中NB、NM、NS、ZE、PS、PM、PB分别表示负大、负中、负小、零、正小、正中、正大；模糊集论域均为{-3，-2，-1，0，1，2，3}。

输入量e₁、e_c和输出量ΔK_P、ΔK_I和ΔK_D的实际取值范围，就是系统的基本论域。基本论域中的量是连续取值的模拟量。设偏差e₁的基本论域为[-x,x]，如果偏差e₁的模糊集论域为{-n，-(n-1)，…，n-1，n}，则定义精确量e₁的模糊量化因子为K_e为：

同理，可定义偏差变化量e_c的量化因子

2)隶属函数的确定

常用的隶属函数有三角形、梯形和高斯型隶属函数。由于三角形隶属函数最为简单，所以本文选取三角形函数作为偏差和偏差变化量的隶属函数，如图10所示，选取三角形函数作为PID控制器三个参数修正量的隶属函数，如图11所示。

控制器规则的设定

从系统的稳定性、响应速度、超调量及稳态精度等方面综合考虑PID控制器三个控制参数K_P、K_I、K_D的作用，可得出模糊控制规则如下：

第一，在PID控制中，系统的响应速度是由K_P决定的。为了使系统获得良好的性能，当处于调节初期时，应该适当选取较大的K_P值以提高系统响应速度；当处于调节中期时，K_P应该选取较小的值，以便使系统在保证一定响应速度的同时具有较小的超调量；在处于调节末期时，K_P应该选取较大的值以便减小系统的稳态误差，提高控制精度。

第二，积分作用可以消除系统的稳态误差。当处于调节初期时，因为一些诸如饱和非线性的因素，可能产生积分饱和的现象，导致超调量较大。所以，为避免积分饱和现象，在调节初期应该减弱积分环节作用，K_I甚至可以为零；当处于调节中期时，为了避免对系统稳定性造成影响，K_I应该选取适中的值；当处于调节末期时，需要适当增大积分作用，以减小系统稳态误差，提高控制精度。

第三，微分环节能预测误差变化的趋势，提前使抑制误差的控制作用等于零，甚至为负值，从而避免了被控量的严重超调，改善系统在调节过程中的动态特性。根据实际经验，结合理论分析，在调节初期，应当加大微分作用，即取较大的K_D值，以便使超调量较小甚至无超调量；在调节中期，K_D应选取适当大小的值；在调节末期，应当减小K_D的值，以便削弱被控过程的制动作用。

由上述分析，根据“IF A AND B THEN C”模糊语句得出ΔK_P、ΔK_I和ΔK_D的模糊控制规则分别如表1、表2和表3所示。

表1ΔK_P的模糊控制规则表

表2ΔK_I的模糊控制规则表

表3ΔK_D的模糊控制规则表

4)解模糊化

从输出模糊集合提出精确输出量的过程称为解模糊化，又称清晰化、反模糊化、去模糊化。模糊量的解模糊化常用的方法有最大隶属度法、取中位数法和重心法。重心法包括和利用了模糊集合的全部信息，并且根据隶属度的不同而有所侧重，所以得到了较为广泛的应用。

本文适用重心法实现解模糊化，因为重心法在输入信号有较小的变化时，其推理的输出值也会发生变化。重心法其实质上就是加权平均法，可用下式表示：

其中，u^*是精确量，x_i是输出量论域中相应元素的值，表示x_i的隶属度。

经过解模糊化得到u^*，还需要把其转化为基本论域中的精确量u。设输出量u的基本论域为[-y，y]，模糊论域为{-n，-(n-1)，…，n-1，n}，定义比例因子K＝y/n，那么可得

5)P、I、D自整定

根据模糊控制器得出ΔK_P、ΔK_I和ΔK_D的输出值后，利用公示5.1、5.2和5.3将P、I、D参数进行修正，得出新的P、I、D参数值。

K_P＝K_P0+ΔK_P (5.1)

K_I＝K_I0+ΔK_I (5.2)

K_D＝K_D0+ΔK_D (5.3)

控制器只能够处理数字信号，需将PID控制离散化，然后以P、I、D为输出值，MOSFET的占空比为输出值，通过占空比的值控制制冷片的输出功率或者陶瓷加热片的输出功率，最终达到恒温的目的。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。

Claims (8)

1.一种便携式致病菌快速检测系统，其特征在于，包括：电源单元、第一控制芯片、第二控制芯片、恒温控制单元、激光检测单元、核酸提取单元、人机交互模块、通讯模块，

所述电源单元电源输出端连接核酸提取单元电源输入端，所述电源单元电源输出端还连接第一控制芯片电源输入端，所述第一控制芯片恒温信号传输端连接恒温控制单元信号传输端，所述激光检测单元信号传输端连接第一控制芯片激光信号传输端，所述恒温控制单元和激光检测单元电源输入端连接电源单元电源输出端，所述第一控制芯片信号输出端通过串口通信连接第二控制芯片信号输入端，所述第二控制芯片信号输出端连接人机交互模块信号输入端，所述电源单元分别连接第二控制芯片电源输入端和人机交互模块电源输入端，通讯模块数据传输端连接上位机数据接收端，所述通讯模块控制芯片数据传输端连接第一控制芯片和第二控制芯片数据传输端；

还包括：加热槽(1)、加热片(2)、控制电路板(3)、激光传感器固定座(5)、激光传感器(14)、激光发射器(6)、激光发射器下固定座(7)，待测物质放置孔(22)、待测物质固定片(23)、激光过孔(24)，

激光发射器(6)固定在激光发射器下固定座(7)上，激光传感器(14)固定在激光传感器固定座(5)上，激光发射器(6)、加热槽(1)和激光传感器(14)依次平行放置，加热槽(1)立面设置激光过孔(24)，由激光发射器(6)发出的激光穿过激光过孔(24)到达激光传感器(14)，通过激光检测溶液浊度的变化，推测出检测结果；

加热槽(1)顶面封盖待测物质固定片(23)，在待测物质固定片(23)上开设待测物质放置孔(22)，在待测物质放置孔(22)下方的加热槽(1)设置凹槽，用于放置待测物质，激光发射时，穿过凹槽内的待测物质；

加热片(2)放置在加热槽(1)和加热槽固定座(13)之间；

所述核酸提取单元插入装有待提取待物质的试管中提取待测物质的核酸。

2.根据权利要求1所述的便携式致病菌快速检测系统，其特征在于，所述核酸提取模块包括：提手(16)、弹力固定夹(17)、接触棒(19)、磁力区(20)、管套(18)，

提手(16)下端安装固定板，所述固定板下端设置弹力固定夹(17)，所述弹力固定夹(17)用于固定管套(18)，所述接触棒(19)固定在固定板的固定孔，所述固定孔的内螺纹与接触棒(19)的外螺纹相配合，将接触棒(19)固定在固定板上，所述接触棒(19)底端进行磁化产生磁力区(20)，所述磁力区(20)用于探入加热槽(1)的凹槽中吸附磁珠，所述提手(16)两侧由连接柱(21)与固定板进行连接。

3.根据权利要求1所述的便携式致病菌快速检测系统，其特征在于，还包括：激光发射器上固定座(15)，

所述激光发射器上固定座(15)为对合而成的夹持部件，所述激光发射器上固定座(15)中间夹持激光发射器(6)，通过穿钉将对合而成的激光发射器上固定座(15)固定，所述穿钉穿过激光发射器上固定座(15)钉入激光发射器下固定座(7)。

4.根据权利要求1所述的便携式致病菌快速检测系统，其特征在于，还包括：隔热板(12)，所述隔热板(12)包覆在加热槽(1)和加热槽固定座(13)周围，所述隔热板(12)与激光过孔(24)相对的两侧立面开设透光孔。

5.根据权利要求1所述的便携式致病菌快速检测系统，其特征在于，还包括：显示模组(9)，所述显示模组(9)安装在控制电路板(3)上，用于显示数据。

6.根据权利要求1所述的便携式致病菌快速检测系统，其特征在于，还包括：微调旋钮(10)，所述微调旋钮(10)设置在激光传感器固定座(5)的下方的四周，用于调节激光传感器(14)的高度。

7.根据权利要求1所述的便携式致病菌快速检测系统，其特征在于，所述控制电路板(3)包括：第一控制芯片、第二控制芯片、恒温控制单元、激光检测单元、电源，

所述第一控制芯片信号传输端连接第二控制芯片信号传输端，所述第一控制芯片恒温信号传输端连接恒温控制单元信号传输端，所述激光检测单元信号传输端连接第一控制芯片激光检测信号端，所述电源连接第一控制芯片、第二控制芯片、显示模组、恒温控制单元、激光检测单元的电源输入端。

8.根据权利要求1所述的便携式致病菌快速检测系统，其特征在于，所述恒温控制单元包括：温度传感器、加热器和MOS管，

所述加热器一端连接MOS管漏极，所述加热器另一端连接电源正极，所述电源负极连接MOS管源极，所述MOS管栅极连接第一控制芯片PWM脉冲调制端，所述温度传感器温度信号输入端连接加热器温度信号输出端，所述温度传感器温度信号输出端连接第一控制芯片温度信号输入端。