CN107817850A - Pcr仪温度控制系统 - Google Patents
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Abstract
本申请公开了一种PCR仪温度控制系统，该系统包括半导体加热致冷器、驱动器和温度控制器，驱动器在温度控制器的控制下采用双极性电流驱动电路为半导体加热致冷器提供电流或电压。本发明驱动其采用双极性电流驱动电路，输出的电压可以在‑V和+V之间全范围内变化，从而克服驱动器单极性输出由于PN结压降而造成输出不能达到0的不足。
Description
技术领域
本申请涉及一种PCR仪温度控制系统，主要应用于体外诊断仪器聚合酶链反应(PCR)仪中。
背景技术
PCR仪是实现核酸分子在体外复制的仪器装置，即实现核酸分子扩增的仪器。核酸分子扩增要经历变性过程(92-95℃)、退火(52-55℃)、延伸(72-73℃)的过程，每经过一个温度循环过程，核酸分子的数量增加一倍，一般经过30-40个温度循环后，核酸分子的数量可以达到检出限。因而温度循环加热装置是PCR仪的一个重要组成部分。
温度循环加热装置除了要求温度控制精度要达到0.1℃，还要求温度循环加热装置要有快速的升温和降温能力，要求升温速度达到3-5℃/s，降温速度达到2-4℃/s。
发明内容
本发明的目的在于提供一种PCR仪温度控制系统，实现PCR仪的温度精确控制和快速的升温和降温过程。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
本申请实施例公开一种PCR仪温度控制系统，包括半导体加热致冷器、驱动器和温度控制器，驱动器在温度控制器的控制下采用双极性电流驱动电路为半导体加热致冷器提供电流或电压。
优选的，在上述的PCR仪温度控制系统中，所述双极性电流驱动电路包括：
第一驱动电路，连接于半导体加热致冷器P端，所述第一驱动电路包括第一驱动芯片、第一MOS管和第二MOS管，所述第一MOS管和第二MOS管的栅极分别连接于所述第一驱动芯片的正负极，所述第一MOS管的源极和第二MOS管的漏极共接后连接于第一驱动芯片的参考端、以及半导体加热致冷器的P端；
第二驱动电路，连接于半导体加热致冷器N端，所述第二驱动电路包括第二驱动芯片、第三MOS管和第四MOS管，所述第三MOS管和第四MOS管的栅极分别连接于所述第二驱动芯片的正负极，所述第三MOS管的源极和第四MOS管的漏极共接后连接于第二驱动芯片的参考端、以及半导体加热致冷器的N端。
优选的，在上述的PCR仪温度控制系统中，所述第一驱动芯片和第二驱动芯片分别独立控制。
优选的，在上述的PCR仪温度控制系统中，所述第一MOS管的漏极接参考电压，所述第二MOS管的源极接地，所述第一MOS管的源极和第二MOS管的漏极共接后通过第一检测电阻连接于半导体加热致冷器P端，所述第一检测电阻的两端设置有第一电流检测芯片；所述第三MOS管的漏极接地，所述第四MOS管的源极接参考电压，所述第三MOS管的源极和第四MOS管的漏极共接后通过第二检测电阻连接于半导体加热致冷器N端。
优选的，在上述的PCR仪温度控制系统中，第一驱动电路和第二驱动电路中还分别设置有一缓冲电路。
优选的，在上述的PCR仪温度控制系统中，所述第一驱动芯片和第二驱动芯片为同一控制芯片，在工作时，所述第一驱动电路和第二驱动电路中产生相同的电流方向。
优选的，在上述的PCR仪温度控制系统中，还包括对半导体加热致冷器工作面的温度进行实时检测的温度传感器，温度信息送入温度控制器。
PCR仪温度控制系统8、根据权利要求1所述的PCR仪温度控制系统，其特征在于，半导体加热致冷器相对工作面的另一个表面设置有散热器，贴近所述散热器设置有风扇。
优选的，在上述的PCR仪温度控制系统中，所述温度传感器采用精度为AA级Pt100或Pt1000电阻温度传感器，所述温度传感器采用四线制输入配置或三线制输入配置。
优选的，在上述的PCR仪温度控制系统中，所述温度控制器首先采用PID方法控制温度上升或下降至设定温度，然后采用LUT方法降低温度变化速度，并控制温度继续上升或下降至目标温度。
与现有技术相比，本发明的优点在于：
本发明驱动其采用双极性电流驱动电路，输出的电压可以在-V和+V之间全范围内变化，从而克服驱动器单极性输出由于PN结压降而造成输出不能达到0的不足。
本发明采用双电流驱动方式，以及PID控制和查表法相结合的精确控制算法，实现温度的精确控制，以及快速的温度升降过程，从而实现温度的循环变化，为PCR仪提供最佳的加热装置。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1所示为本发明具体实施例中PCR仪温度控制系统的原理方框图；
图2所示为本发明具体实施例中半导体加热致冷器及散热器的结构示意图；
图3所示为本发明一实施例中驱动器的驱动电路；
图4所示为本发明另一实施例中驱动器的驱动电路；
图5所示为本发明具体实施例中PID控制系统原理示意图；
图6所示为本发明具体实施例中四线制RTD连接示意图；
图7所示为本发明具体实施例中三线制RTD连接示意图；
图8所示为本发明具体实施例中查表法控制曲线示意图。
具体实施方式
本发明的目的是克服现有技术中PCR温度控制中温控精度和升降温速率的不足，采用半导体加热致冷片做为加热、致冷设备，采用双电流驱动方式，以及PID控制和查表法相结合的精确控制算法，实现温度的精确控制，以及快速的温度升降过程，从而实现温度的循环变化，为PCR仪提供最佳的加热装置。
下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“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。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
结合图1所示，PCR仪温度控制系统主要包括三个部分：加热致冷器及散热器、驱动器和温度控制器。
加热致冷器采用帕尔帖半导体加热致冷器(Thermoelectric cooler，简写TEC)，驱动器主要在控制器的控制下为TEC提供电流或电压，实现快速温度上升或下降。
由于PCR反应的温度变化是一个循环加热的过程，因而要求温度快速上升和快速下降，因而本实施例采用半导体器件作为加热致冷器，半导体加热致冷器主要利用帕尔帖效应，又称为热电效应，即在一个N型半导体和一个P型半导体组成的PN结两端接通电源，就会产生一端温度升高，称热端；另一端温度降低，称为冷端。当要温度升高时，加正向电流，从而温度快速升高，当要温度快速下降时，加反向电流。
结合图2所示，如果要使冷端的温度降得更低，且速度更快，就需要将热端的温度快速散去，因此紧贴半导体加热致冷器1的另一面要安装适当的散热器2。
在一实施例中，还可以紧贴散热器安装风扇，通过风扇的散叶旋转将散热器热量带走，从而使冷端温度降得更低。
PCR仪的变性温度在95-96℃，且要求温度在1秒内上升3-5℃或下降2-4℃，这就要求电源能够提供足够大的功率来驱动半导体加热致冷器。
并且为了使温度快速变换变化方向，本实施例采用了双极性电流驱动方式来驱动半导体制冷器。
结合图1所示。驱动器输出两个极性相反的电压V1和V2，V1和V2连接到半导体致冷器的两个输入端，当V1＞V2时，半导体致冷器的上面是热端，温度上升趋势；当V1＜V2时，半导体致冷器的上面变成冷端，温度处于下降趋势，同时对下面的热端散热，冷端温度下降的速度受热端散热量的影响，通常下面的热端采用大功率散热器和风扇。
由于驱动器采用双极性电压输出，输出电压V1和V2的极性相反，二者之间的压差理论上可以在-(V1+V2)和+(V1+V2)之间全范围内变化，从而克服驱动器单极性输出由于PN结压降而造成输出不能达到0的不足。
结合图3所示，为一实施例中双极性电流供电的驱动电路，包括第一驱动电路和第二驱动电路，第一驱动电路包括驱动芯片I(第一驱动芯片)、开关管Q1、Q2(第一MOS管、第二MOS管)。第二驱动电路包括驱动芯片II(第二驱动芯片)、开关管Q3、Q4(第三MOS管、第四MOS管)。
具体地，第一MOS管和第二MOS管的栅极分别连接于所述第一驱动芯片的正负极，所述第一MOS管的源极和第二MOS管的漏极共接后连接于第一驱动芯片的参考端、以及半导体加热致冷器的P端。第三MOS管和第四MOS管的栅极分别连接于所述第二驱动芯片的正负极，所述第三MOS管的源极和第四MOS管的漏极共接后连接于第二驱动芯片的参考端、以及半导体加热致冷器的N端。
第一MOS管的漏极接参考电压，所述第二MOS管的源极接地，所述第一MOS管的源极和第二MOS管的漏极共接后通过第一检测电阻连接于半导体加热致冷器P端，所述第一检测电阻的两端设置有第一电流检测芯片；所述第三MOS管的漏极接地，所述第四MOS管的源极接参考电压，所述第三MOS管的源极和第四MOS管的漏极共接后通过第二检测电阻连接于半导体加热致冷器N端，第二检测电阻的两端设置有第二电流检测芯片。
该技术方案中，第一电流检测芯片和第二电流检测芯片分别用以检测第一驱动电路和第二驱动电路的电流方向。
第一驱动电路和第二驱动电路中还分别设置有一缓冲电路。
在优选的实施例中，缓冲电路为一电感。
本实施例中，第一驱动芯片和第二驱动芯片为分别独立的两个芯片，驱动芯片的(+)输出端和(-)输出端输出由控制电路控制的可调宽度脉冲，在脉冲为高电平期间，Q1和Q3截止，Q2和Q4导通，电流从半导体加热致冷器的N端流入，P端流出，电流检测芯片1可以检测到电流方向，并将检测信号反馈给控制器进行信号控制。在脉冲为低电平期间，Q1和Q3导通，Q2和Q4截止，电流从半导体加热致冷器的P端流入，N端流出，电流检测芯片2可以检测到电流方向。
结合图4所示，为另一实施例中双极性电流供电的驱动电路，第一驱动电路和第二驱动电路共用一个驱动芯片。该电路中，将Q1和Q3的控制端连接到一起，Q2和Q4的控制端连接到一起，参考端连接到一起，保证所述第一驱动电路和第二驱动电路中产生相同的电流方向，控制器只对一个驱动芯片进行调节，此实施方案仍然可以产生双极性电流。
温度控制器采用比例积分微分(PID)控制和查表法(Look-Up Table，LUT)相结合的方法。
PID控制是一种经典的温度控制算法，应用广泛。但是单一的PID控制算法要实现快速的温度上升，就会产生较大的超调量，达到目标温度的稳定时间也比较长，控制精度达不到要求，即采用单一的PID控制难以同时实现上升速度和控制精度两个指标的要求。
本实施例采用PID控制和LUT相结合的方法，则可以实现两者的兼顾。PID控制调节温度快速上升，当接近目标温度时，为避免过冲，则采用查表的方法，查表法可先根据实验条件确定控制量，将控制参数写入表中，从而可以实现温度的精确控制。控制算法的切换则由系统根据传感器的反馈量来实现。
结合图5所示，PID控制器是采用并联结构将比例环节(Proportion)，积分环节(Integral)和微分环节(Derivative)线性组合在一起。偏差量通过PID控制器的处理得到控制量u(t)，进而对被控对象进行控制。其中r(t)为系统的期望值，c(t)为控制对象的实际输出值，e(t)是系统期望值与实际输出值之间的偏差量：e(t)＝r(t)-c(t)。
比例、积分和微分环节并联组合构成PID控制器，其控制算法表达式如公式(1)所示：
Kp、Ti、、Td分别为比例、积分和微分常数。
本实施例中采用数字增量式PID控制算法，算法表达式如公式(2)所示。
Δu(n)＝KP(en-en-1)+KIen+KD(en-2en-1+en-2)(2)
所谓增量式PID是指数字控制器的输出只是控制量的变化量Δu(n)，从而一方面避免u(n)的大幅变化造成温度的大幅度变化，另一方面可以大大减少计算机的运算量。公式(2)中KP、K1、KD分别为增量式PID的比例、积分和微分常数。en、en-1、en-2表示第n次、n-1次和n-2次偏差量。
采用增量式PID控制算法，同样存在的问题是温度上升过快，当要达到目标温度时会产生较大的超调，为解决这一问题，本实施例在接近目标温度时采用查表法逼近目标温度。查表法是根据被控量的范围和精度制作一张表，查表法求值所需的计算就是根据输入值确定表的地址，根据地址就可得到相应的控制量，精度要求越高，控制的范围越大，则所需的表格就越大，即存储量也越大。表中的控制量可以事先针对特定的控制对象和控制目标进行学习而获得。
查表法就是根据自变量x，在表格中寻找y，使y＝f(x)。LUT表格比较小的时候，程序简单，执行速度快。但是当表格数据大的时候，逐个查表的方法会导致查表的时间过长，影响程序的执行效率，程序执行速度就会下降。
因此，结合图8所示，A为起始温度，C为目标温度，B为一接近C的温度，本实施例以目标温度C的90％为例进行说明。在温度上升速度较快的区间A-B段，采用PID控制方式，当温度达到设定温度的90％时，停止PID控制方式，进入到B-C段，采用查表法进行温度控制。温度控制的自变量x是控制量电流，被控量y就是温度。
温度传感器对半导体加热致冷器工作面的温度进行实时检测，温度信息送入温度控制器。
温度传感器采用精度为AA级Pt100或Pt1000电阻温度传感器(RTD)，四线制输入配置或三线制输入配置。
结合图6所示，RTD四线制输入配置中，RTD温度传感器信号和RTD调理放大电路的电源分别采用不同的传输线，即信号线2根，电源线2根。
结合图7所示，RTD三线制输入配置中，RTD温度传感器信号和RTD调理放大电路的电源共用地线，即三线制。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。
Claims (10)
1.一种PCR仪温度控制系统，其特征在于，包括半导体加热致冷器、驱动器和温度控制器，驱动器在温度控制器的控制下采用双极性电流驱动电路为半导体加热致冷器提供电流或电压。
2.根据权利要求1所述的PCR仪温度控制系统，其特征在于，所述双极性电流驱动电路包括：
第一驱动电路，连接于半导体加热致冷器P端，所述第一驱动电路包括第一驱动芯片、第一MOS管和第二MOS管，第一驱动芯片输出可调宽度脉冲，所述第一MOS管和第二MOS管的栅极分别连接于所述第一驱动芯片的正负输出端，所述第一MOS管的源极和第二MOS管的漏极共接后连接于第一驱动芯片的参考端、以及半导体加热致冷器的P端；
第二驱动电路，连接于半导体加热致冷器N端，所述第二驱动电路包括第二驱动芯片、第三MOS管和第四MOS管，第二驱动芯片输出可调宽度脉冲，所述第三MOS管和第四MOS管的栅极分别连接于所述第二驱动芯片的正负输出端，所述第三MOS管的源极和第四MOS管的漏极共接后连接于第二驱动芯片的参考端、以及半导体加热致冷器的N端。
3.根据权利要求2所述的PCR仪温度控制系统，其特征在于，所述第一驱动芯片和第二驱动芯片分别独立控制。
4.根据权利要求3所述的PCR仪温度控制系统，其特征在于，所述第一MOS管的漏极接参考电压，所述第二MOS管的源极接地，所述第一MOS管的源极和第二MOS管的漏极共接后通过第一检测电阻连接于半导体加热致冷器P端，所述第一检测电阻的两端设置有第一电流检测芯片；所述第三MOS管的漏极接地，所述第四MOS管的源极接参考电压，所述第三MOS管的源极和第四MOS管的漏极共接后通过第二检测电阻连接于半导体加热致冷器N端，第二检测电阻的两端设置有第二电流检测芯片。
5.根据权利要求3所述的PCR仪温度控制系统，其特征在于，第一驱动电路和第二驱动电路中还分别设置有一缓冲电路。
6.根据权利要求2至5任一所述的PCR仪温度控制系统，其特征在于，所述第一驱动芯片和第二驱动芯片为同一控制芯片，在工作时，所述第一驱动电路和第二驱动电路中产生相同的电流方向。
7.根据权利要求1所述的PCR仪温度控制系统，其特征在于，还包括对半导体加热致冷器工作面的温度进行实时检测的温度传感器，温度信息送入温度控制器。
8.根据权利要求1所述的PCR仪温度控制系统，其特征在于，半导体加热致冷器相对工作面的另一个表面设置有散热器，贴近所述散热器设置有风扇。
9.根据权利要求1所述的PCR仪温度控制系统，其特征在于，所述温度传感器采用精度为AA级Pt100或Pt1000电阻温度传感器，所述温度传感器采用四线制输入配置或三线制输入配置。
10.根据权利要求1所述的PCR仪温度控制系统，其特征在于，所述温度控制器首先采用PID方法控制温度上升或下降至设定温度，然后采用查表法降低温度变化速度，并控制温度继续上升或下降至目标温度。
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