CN105573368A - 一种pcr仪的温度控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种PCR仪的温度控制方法，包括以下步骤：步骤一，采用三个温度传感器分别对PCR仪各部分的温度进行检测；步骤二，温度信号处理；步骤三，PC机根据温度偏差值和偏差的变化率，运用遗传算法计算出比例控制系数、积分控制系数和微分控制系数，并向主控芯片发出温度控制命令；步骤四，控制命令接收，温度实时调节；步骤五，温度控制曲线实时显示。本发明步骤简单、实现方便、控制精度高；能够同时对样品基座的底座和侧壁的温度进行控制，保证了样品基座温度分布的均匀性，使样品基座的每个反应槽的温度以及温度保持的时间控制精确，有效解决了现有温度控制系统精度不高，DNA片段扩增的效率低等问题。

Description

一种PCR仪的温度控制方法

技术领域

本发明涉及自动控制技术领域，尤其是涉及一种PCR仪的温度控制方法。

背景技术

生命科学仪器的发展为生命科学提供了有效工具和强有力的研究手段。使其从细胞水平上的研究飞跃发展到分子层次上的深入研究。离开这些现代化生命科学仪器的支撑，许多重大的研究项目和工程都将举步维艰。PCR仪器是一种应用广泛、十分重要的生命科学仪器。聚合酶链式反应(polymerasechainreaction，PCR)是一种体外快速扩增特异性DNA片段的酶学方法，其PCR反应的基本过程分为三步。第一步，DNA变性(94℃)，双链DNA模板在热作用下氢键断裂，形成单链DNA；第二步，退火(55℃)，系统温度降低，引物与DNA模板结合，形成局部双链；第三步，延伸(72℃)，在Taq酶的作用下，以dNTP为原料从引物的5端到3端延伸，合成与模板互补的DNA链。PCR仪就是通过控制样品达到不同温度，对被扩增的DNA片段进行变性、退火和聚合处理，以达到将DNA片段的量成倍扩增的目的。因此，温度控制的精度，尤其是各个温度值的时间控制，直接影响DNA片段扩增的效率。

现有的PCR仪温度控制方法通常都只对样品基座底部进行温度采样和控制，没有考虑样品基座的侧壁与外围空气的对流换热对基座温度均匀性的影响，从而达不到较高的控温精度，影响了DNA片段扩增的效率。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种快速、精确的PCR仪的温度控制方法，能够同时对样品基座的底座和侧壁的温度进行控制，有效解决了现有温度控制方法精度不高，DNA片段扩增的效率低等问题。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种PCR仪的温度控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一，温度信号检测：采用三个温度传感器分别对PCR仪各部分的温度进行检测；所述PCR仪包括由底座和侧壁组成的样品基座、设置在所述样品基座上用于放置试管的反应槽、设置在所述反应槽正上方用于维持所述试管顶部温度以防止试液蒸发在所述试管顶部形成冷凝水的热盖；所述温度信号检测方式如下：

采用第一温度传感器对分布在底座中间部分的反应槽温度进行实时检测，以获得第一温度信号；

采用第二温度传感器对靠近侧壁的反应槽温度进行实时检测，以获得第二温度信号；

采用第三温度传感器对热盖的温度进行实时检测，以获得第三温度信号；

步骤二，温度信号处理：采用信号采集与处理电路对所述第一温度信号、第二温度信号和第三温度信号分别进行采集和处理；所述信号采集与处理电路包括依序连接的信号隔离电路、放大滤波电路和A/D转换电路；所述第一温度传感器、第二温度传感器、第三温度传感器均与信号隔离电路相接；所述第一温度传感器、第二温度传感器、第三温度传感器将检测到的温度信号分别经信号隔离电路传输给放大滤波电路；放大滤波电路对所述温度信号进行放大和滤波处理，然后传输给A/D转换电路；A/D转换电路将所述温度信号转换为数字量后传输给主控芯片；

步骤三，PID参数计算：主控芯片一方面将温度数据存储在与其相接的EPROM存储器中，另一方面通过USB接口传输给PC机；PC机将接收到的温度信号与预设温度值进行比较，得出温度偏差值，然后采用预设软件算法根据温度偏差值和偏差的变化率计算出比例控制系数、积分控制系数和微分控制系数，并向主控芯片发出温度控制命令；

步骤四，控制命令接收，温度实时调节：主控芯片接收到所述温度控制命令后，根据所述比例控制系数、积分控制系数、微分控制系数和温度偏差值对PCR仪的温度进行调节，包括以下方式：

采用第一温控电路对底座的温度进行调节；

采用第二温控电路对侧壁的温度进行调节；

采用加热电路将热盖加热到设定温度；

所述第一温控电路和第二温控电路均包括依次连接的光电耦合器、D/A转换电路、功率放大驱动电路和半导体制冷片，所述半导体制冷片的数量为多个，且多个所述半导体制冷片分别贴装在底座的底面和侧壁的四周；所述第一温控电路分别与主控芯片和底座相接，所述第二温控电路分别与主控芯片和侧壁相接，所述加热电路分别于主控芯片和热盖相接；

步骤五，温度控制曲线实时显示：主控芯片根据检测到的温度信号和PCR仪的运行工况，通过内部集成的图形生成软件得出温度控制曲线，并在LCD显示器上实时显示出来以供参考；所述LCD显示器与主控芯片相接。

上述一种PCR仪的温度控制方法，其特征是：所述比例控制系数、积分控制系数和微分控制系数的计算方法为遗传算法。

上述一种PCR仪的温度控制方法，其特征是：所述遗传算法计算所述比例控制系数、积分控制系数和微分控制系数时采用的是格雷码编码方式。

上述一种PCR仪的温度控制方法，其特征是：所述主控芯片为ARM微处理器。

本发明与现有技术相比具有以下优点：步骤简单、实现方便、控制精度高；能够同时对样品基座的底座和侧壁的温度进行控制，保证了样品基座温度分布的均匀性，使样品基座的每个反应槽的温度以及温度保持的时间控制精确，有效解决了现有温度控制系统精度不高，DNA片段扩增的效率低等问题。

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

图1为本发明的流程图。

具体实施方式

如图1所示，本发明包括以下步骤：

步骤一，温度信号检测：采用三个温度传感器分别对PCR仪各部分的温度进行检测；所述PCR仪包括由底座和侧壁组成的样品基座、设置在所述样品基座上用于放置试管的反应槽、设置在所述反应槽正上方用于维持所述试管顶部温度以防止试液蒸发在所述试管顶部形成冷凝水的热盖；所述温度信号检测方式如下：

采用第一温度传感器对分布在底座中间部分的反应槽温度进行实时检测，以获得第一温度信号；

采用第二温度传感器对靠近侧壁的反应槽温度进行实时检测，以获得第二温度信号；

采用第三温度传感器对热盖的温度进行实时检测，以获得第三温度信号；

步骤二，温度信号处理：采用信号采集与处理电路对所述第一温度信号、第二温度信号和第三温度信号分别进行采集和处理；所述信号采集与处理电路包括依序连接的信号隔离电路、放大滤波电路和A/D转换电路；所述第一温度传感器、第二温度传感器、第三温度传感器均与信号隔离电路相接；所述第一温度传感器、第二温度传感器、第三温度传感器将检测到的温度信号分别经信号隔离电路传输给放大滤波电路；放大滤波电路对所述温度信号进行放大和滤波处理，然后传输给A/D转换电路；A/D转换电路将所述温度信号转换为数字量后传输给主控芯片；

步骤三，PID参数计算：主控芯片一方面将温度数据存储在与其相接的EPROM存储器中，另一方面通过USB接口传输给PC机；PC机将接收到的温度信号与预设温度值进行比较，得出温度偏差值，然后采用预设软件算法根据温度偏差值和偏差的变化率计算出比例控制系数、积分控制系数和微分控制系数，并向主控芯片发出温度控制命令；

步骤四，控制命令接收，温度实时调节：主控芯片接收到所述温度控制命令后，根据所述比例控制系数、积分控制系数、微分控制系数和温度偏差值对PCR仪的温度进行调节，包括以下方式：

采用第一温控电路对底座的温度进行调节；

采用第二温控电路对侧壁的温度进行调节；

采用加热电路将热盖加热到设定温度；

所述第一温控电路和第二温控电路均包括依次连接的光电耦合器、D/A转换电路、功率放大驱动电路和半导体制冷片，所述半导体制冷片的数量为多个，且多个所述半导体制冷片分别贴装在底座的底面和侧壁的四周；所述第一温控电路分别与主控芯片和底座相接，所述第二温控电路分别与主控芯片和侧壁相接，所述加热电路分别于主控芯片和热盖相接；

步骤五，温度控制曲线实时显示：主控芯片根据检测到的温度信号和PCR仪的运行工况，通过内部集成的图形生成软件得出温度控制曲线，并在LCD显示器上实时显示出来以供参考；所述LCD显示器与主控芯片相接。

本实施例中，所述比例控制系数、积分控制系数和微分控制系数的计算方法为遗传算法。

本实施例中，所述遗传算法计算所述比例控制系数、积分控制系数和微分控制系数时采用的是格雷码编码方式。

本实施例中，所述主控芯片为ARM微处理器。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何限制，凡是根据本发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效结构变化，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。

Claims (4)

1.一种PCR仪的温度控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一，温度信号检测：采用三个温度传感器分别对PCR仪各部分的温度进行检测；所述PCR仪包括由底座和侧壁组成的样品基座、设置在所述样品基座上用于放置试管的反应槽、设置在所述反应槽正上方用于维持所述试管顶部温度以防止试液蒸发在所述试管顶部形成冷凝水的热盖；所述温度信号检测方式如下：

采用第一温度传感器对分布在底座中间部分的反应槽温度进行实时检测，以获得第一温度信号；

采用第二温度传感器对靠近侧壁的反应槽温度进行实时检测，以获得第二温度信号；

采用第三温度传感器对热盖的温度进行实时检测，以获得第三温度信号；

步骤二，温度信号处理：采用信号采集与处理电路对所述第一温度信号、第二温度信号和第三温度信号分别进行采集和处理；所述信号采集与处理电路包括依序连接的信号隔离电路、放大滤波电路和A/D转换电路；所述第一温度传感器、第二温度传感器、第三温度传感器均与信号隔离电路相接；所述第一温度传感器、第二温度传感器、第三温度传感器将检测到的温度信号分别经信号隔离电路传输给放大滤波电路；放大滤波电路对所述温度信号进行放大和滤波处理，然后传输给A/D转换电路；A/D转换电路将所述温度信号转换为数字量后传输给主控芯片；

步骤三，PID参数计算：主控芯片一方面将温度数据存储在与其相接的EPROM存储器中，另一方面通过USB接口传输给PC机；PC机将接收到的温度信号与预设温度值进行比较，得出温度偏差值，然后采用预设软件算法根据温度偏差值和偏差的变化率计算出比例控制系数、积分控制系数和微分控制系数，并向主控芯片发出温度控制命令；

步骤四，控制命令接收，温度实时调节：主控芯片接收到所述温度控制命令后，根据所述比例控制系数、积分控制系数、微分控制系数和温度偏差值对PCR仪的温度进行调节，包括以下方式：

采用第一温控电路对底座的温度进行调节；

采用第二温控电路对侧壁的温度进行调节；

采用加热电路将热盖加热到设定温度；

所述第一温控电路和第二温控电路均包括依次连接的光电耦合器、D/A转换电路、功率放大驱动电路和半导体制冷片，所述半导体制冷片的数量为多个，且多个所述半导体制冷片分别贴装在底座的底面和侧壁的四周；所述第一温控电路分别与主控芯片和底座相接，所述第二温控电路分别与主控芯片和侧壁相接，所述加热电路分别于主控芯片和热盖相接；

步骤五，温度控制曲线实时显示：主控芯片根据检测到的温度信号和PCR仪的运行工况，通过内部集成的图形生成软件得出温度控制曲线，并在LCD显示器上实时显示出来以供参考；所述LCD显示器与主控芯片相接。

2.按照权利要求1所述的一种PCR仪的温度控制方法，其特征在于：所述比例控制系数、积分控制系数和微分控制系数的计算方法为遗传算法。

3.按照权利要求2所述的一种PCR仪的温度控制方法，其特征在于：所述遗传算法计算所述比例控制系数、积分控制系数和微分控制系数时采用的是格雷码编码方式。

4.按照权利要求1或2所述的一种PCR仪的温度控制方法，其特征在于：所述主控芯片为ARM微处理器。