CN112945420B - 一种无线pcr仪温度校准系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种无线PCR仪温度校准系统，解决现有PCR仪温度校准系统适应性差、硬件成本高、使用、维修不方便的问题。包括多个适应不同孔板的PCR仪温度采集模块及与温度采集模块无线连接的客户端，孔板上的圆孔划分为多个矩阵式分布区域，每个矩阵式分布区域对应一个PCR温度采集模块；温度采集模块和客户端之间的无线连接采用ZigBee模块，基于ZigBee模块进行组网，采用组网网络给客户端提供交互数据。本发明主要将温度采集模块中的多路温度传感器和数据处理模块集成在同一个电路中，减少温度传感器和额外的数据处理模块的信号线连接，更易于在PCR仪内部狭小空间采集温度，减少数据处理模块的数量，大幅降低硬件成本。
Description
技术领域
本发明涉及PCR仪控制技术领域，具体地说，是涉及一种无线PCR仪温度校准系统。
背景技术
PCR是聚合酶链反应(polymerase chain reaction)的简称，是在短时间内体外大量扩增特定的DNA片段的分子生物学技术。自动完成聚合酶链反应，提供DNA扩增的温度条件而设计的仪器称为PCR仪。
PCR仪的控温精度、升降温速率以及温场的均匀性等直接影响DNA片段扩增的结果。PCR仪经使用后，其温度传感器的计量特性会发生变化，作为计量设备一般须经定期校准后方能继续使用。
传统的PCR仪温度校准仪一般包括多通道温度传感器模块，数据处理模块，客户端软件。温度传感器模块和数据处理模块采用非常薄也很长的信号线固定连接，无法拆卸。在实际校准工作中，由于PCR板的型号较多(如：384孔板，96孔板，48孔板，32孔板，)对多通道温度传感器板的尺寸和传感器分局都有不同的要求。因此，校准不同的PCR仪需要配备多套温度传感器板和数据处理模块。
这种结构存在如下问题：
1、采用有线数据传输测量PCR仪温度时需要将温度传感器板放入PCR仪器内部，然后通过很薄的信号线(FPC/FFC)才能引出来接入数据处理模块，信号线在PCR仪内部很容易因为弯曲和挤压而损坏。
2、适应性差，由于PCR型号较多，PCR板的形状和孔数也各不相同，每种PCR板都要又对应的温度采集板测量。目前的传感器板尺寸和外形都是固定的，例如：96孔温度采集板就只能测96孔PCR板，48孔温度采集板就只能测48孔板，因此，要测量PCR板的温度就需要针对不用的孔板设计传感器采集板。成本较高，每个温度传感器板都要配备一个数据处理模块，硬件成本非常高
3、由于信号线很薄也很长，很容易损坏，而且有可能导致PCR仪器密封不好，影响温度测量。
4、携带不方便，温度传感器板和数据处理模块固定连接，信号线很容易断，而且硬件数量较多，包装箱体积很大。
5、维修不方便，硬件之间采用固定连接，故障率较高，一旦出问题要把整套设备返修，非常不便。
6、效率低，一个数据处理模块只能处理一个温度传感器板。
发明内容
本发明的目的在于提供一种无线PCR仪温度校准系统，主要解决现有PCR仪温度校准系统适应性差、硬件成本高、设备维修不方便的问题。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：
一种无线PCR仪温度校准系统，包括多个适应不同孔板的PCR温度采集模块及与温度采集模块无线连接的客户端，所述孔板上的圆孔划分为多个矩阵式分布区域，每个矩阵式分布区域对应一个PCR温度采集模块；温度采集模块和客户端之间的无线连接采用ZigBee模块，基于ZigBee模块进行组网，采用组网网络给客户端提供交互数据。
进一步的，不同孔板的行数均设置为8，列数为N，N为正偶数，孔板的8行2列圆孔对应设定一个PCR温度采集模块，每个孔板设定N/2个PCR温度采集模块。
进一步的，所述PCR温度采集模块包括4个设置在1列的温度传感器，温度传感器的位置与孔板的其中1列中的圆孔位置重合，PCR温度采集模块的长度为65mm，宽度为18mm，4个温度传感器距离顶部的长度分别为1mm、19mm、37mm、64mm。
进一步的，每个所述PCR温度采集模块包括依次连接的多路温度传感器、信号调理电路、模拟开关电路、AD转换电路、微处理器及无线传输模块，以及与微处理相连器的电源模块；其中，模拟开关电路还与微处理器相连；多路温度传感器的位置和孔板的圆孔位重合。
进一步的，所述信号调理电路包括与多路温度传感器的输出端相连的电感L1，与电感L1另一端相连的电容C1，与电感L1、电容C1的公共端相连的电阻R1、R3，与电阻R1另一端均相连的电阻R2、电容C2、电容C3，正相输入端与电容C2另一端相连且负相输入端与电阻R3另一端相连的运算放大器A1，连接于运算放大器A1的反相输入端与输出端之间的电阻R4，与运算放大器A1的输出端相连的电容C4，第8引脚与电容C4的另一端相连的型号为74HCT14D的芯片U1，连接于芯片U1的第2、3引脚之间的电阻R5，与芯片U1的第6引脚连接并依次串联的电阻R6、R8、电容C5，一端与电阻R8、电容C5连接处相连且另一端接地的电阻R9，连接于芯片U1的第7、8引脚之间的电阻R10，串联后一端连接于芯片U1的第1引脚且另一端连接于芯片U1的第4引脚的电阻R11、R12，串联后一端连接于芯片U1的第1引脚且另一端连接于芯片U1的第4引脚的电阻R13、滑动变阻器RP1、电阻R14，一端与芯片U1的第5引脚相连且另一端接地的电阻R15，以及一端连接于电阻R6、R8连接点且连一端与芯片U1的第9引脚相连的电阻R7；其中，所述滑动变阻器RP1的滑动端与芯片U1的第10引脚相连，电阻R11、R12、电容C5的一端接地，芯片U1的第1引脚与模拟开关电路相连。
进一步地，所述模拟开关电路包括负极与芯片U1的第1引脚相连的电解电容C6，与电解电容C6的正极相连的电阻R16、R17，正相输入端、反相输入端与电阻R16的另一端、电阻R17的另一端对应连接的运算放大器A2，连接于运算放大器A2的反相输入端与输出端之间的电阻R18，正极与运算放大器A2的输出端相连的电解电容C7，与运算放大器A2的正相输入端相连的电阻R19，集电极与电阻R19另一端相连且发射极接地的三极管VT1，以及一端与三极管VT1的基极相连且另一端与微处理器的开关控制引脚相连的电阻R20；其中，电解电容C7的负极与AD转换电路相连。
进一步地，所述AD转换电路包括型号为AD651的AD转换芯片U2，串联后正极与AD转换芯片U2的第15引脚相连且另一端接地的二极管D1、D2，一端与AD转换芯片U2的第15引脚相连且另一端接15V电压的电阻R21，连接于AD转换芯片U2的第4、第5引脚之间的电容C8，正极与AD转换芯片U2的第6引脚相连且负极与AD转换芯片U2的第5引脚相连的二极管D3，一端与AD转换芯片U2的第4引脚和第7引脚相连的电阻R22，以及并联后一端与电阻R22的另一端相连且另一端接地的电容C9、电阻R23；其中，AD转换芯片U2的第14引脚与电解电容C7的负极相连，电阻R22、C9、电阻R23的公共端与微处理器上的对应引脚相连。
作为优选，所述微处理器的型号为STM32F103CB。
作为优选，所述温度传感器采用热敏电阻式温度传感器。
作为优选，所述无线传输模块的型号为CC2530。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
(1)本发明通过在同一温度校准系统上集成适用于多孔板的温度采集模块，实现不同PCR仪的校准。同时在同一个温度采集模块中将多路温度传感器和数据处理模块集成在同一个电路中，减少温度传感器和额外的数据处理模块的信号线连接，减少数据处理模块的数量，大幅降低硬件成本。
(2)本发明通过设计信号调理模块，利用信号调理模块实现对多路温度传感器采集的温度信号进行处理，使温度数据的采集更加准确，提高PCR仪的温度校准精度。
(3)本发明硬件数量减少后大幅减少包装盒体积，使温度校准仪更方便携带，维修也更加方便。
附图说明
图1为本发明的整体结构框图。
图2为本发明中的PCR温度采集模块的温度传感器孔位示意图。
图3为本发明中96孔PCR板设置温度采集模块的结构示意图。
图4为本发明中组网实现的结构示意图。
图5为本发明中的PCR温度采集模块的结构框图。
图6为本发明中信号调理电路原理图。
图7为本发明中模拟开关电路原理图。
图8为本发明的AD转换电路原理图。
图9为本发明中无线传输模块的电路原理图。
具体实施方式
下面结合附图说明和实施例对本发明作进一步说明，本发明的方式包括但不仅限于以下实施例。
实施例
如图1～9所示，本发明公开的一种无线PCR仪温度校准系统，包括N个适应不同孔板的PCR温度采集模块(PCR仪温度采集模块1#、PCR仪温度采集模块2#，…,PCR仪温度采集模块N#)及与温度采集模块无线连接的客户端。其中，所述孔板上的圆孔划分为多个矩阵式均匀分布区域(一般32孔PCR板为8行4列，48孔板为8行6列，96孔板为8行12列，384孔板为8行48列，也可以是16行24列)，每个矩阵式均匀分布区域对应一个PCR温度采集模块；每个采集模块按一定规律排列4个温度传感器，温度传感器位置与PCR板孔位重合。一个温度采集模块能检测8行2列的PCR板孔的温度，将多个温度采集板组合起来就能适配不同规格的PCR板。(其中图3示例出了96孔PCR板设置温度采集模块的情况，96孔PCR板需要6个温度采集模块；32孔PCR板需要2个温度采集模块；48孔PCR板需要3个温度采集模块；384孔PCR板需要24个温度采集模块)通过组合形成温度采集模块。这样PCR温度采集模块通过组合拼接的方式能够适应各种孔数的PCR板。
如图2所示，所述PCR温度采集模块包括4个设置在1列的温度传感器，温度传感器的位置与孔板的其中1列中的圆孔位置重合，PCR温度采集模块的长度为65mm，宽度为18mm，4个温度传感器距离PCR温度采集模块顶部的长度分别为1mm、19mm、37mm、64mm。
本实施例的PCR仪温度校准系统使用了ZigBee无线传输技术，无线连接采用ZigBee模块，并采用星形网络、树状网络、网状网络等组网方式进行连接实现组网获得组网网络，最终客户端所需要的数据由组网网络进行数据交互；所述客户端接收数据，解析每个通道终端硬件地址码和数据；以星形网络为例，如图4所示即组网过程使用了多个终端设备(PCR温度采集模块)和一个协调器(数据交互模块)根据星形网络拓扑结构方式进行连接实现组网，组网具体实现为：数据交互模块作为协调器是整个ZigBee网络中的核心，首先会对所处空间进行信息扫描以选择信道，而后发起请求并构建一个PAN网络，当数据交互模块网络建立后会频繁的发送信标帧，而作为终端设备的PCR温度采集模块通过监听信标帧发现父节点后，发送入网请求，当作为协调器的数据接收模块接受入网请求后，会检查自身短地址资源，如果短地址资源未满，便分配一个16位的短地址给子节点并发送入网响应，如果子节点收到入网响应便可成功加入网络，从而实现组网，最终客户端所需要的数据由组网网络中数据交互模块进行数据交互。
根据每个通道数据绘制历史曲线，同时将每个通道数据存入数据库生成报表。
在本实施例中，每个所述PCR温度采集模块包括依次连接的多路温度传感器、信号调理电路、模拟开关电路、AD转换电路、微处理器及无线传输模块，以及与微处理相连器的电源模块；其中，模拟开关电路还与微处理器相连，所述微处理器的型号为STM32F103CB，所述无线传输模块采用ZigBee模块，在本实施例中采用的ZigBee模块的型号为CC2530。
在本实施例中，所述信号调理电路包括与多路温度传感器的输出端相连的电感L1，与电感L1另一端相连的电容C1，与电感L1、电容C1的公共端相连的电阻R1、R3，与电阻R1另一端均相连的电阻R2、电容C2、电容C3，正相输入端与电容C2另一端相连且负相输入端与电阻R3另一端相连的运算放大器A1，连接于运算放大器A1的反相输入端与输出端之间的电阻R4，与运算放大器A1的输出端相连的电容C4，第8引脚与电容C4的另一端相连的型号为74HCT14D的芯片U1，连接于芯片U1的第2、3引脚之间的电阻R5，与芯片U1的第6引脚连接并依次串联的电阻R6、R8、电容C5，一端与电阻R8、电容C5连接处相连且另一端接地的电阻R9，连接于芯片U1的第7、8引脚之间的电阻R10，串联后一端连接于芯片U1的第1引脚且另一端连接于芯片U1的第4引脚的电阻R11、R12，串联后一端连接于芯片U1的第1引脚且另一端连接于芯片U1的第4引脚的电阻R13、滑动变阻器RP1、电阻R14，一端与芯片U1的第5引脚相连且另一端接地的电阻R15，以及一端连接于电阻R6、R8连接点且连一端与芯片U1的第9引脚相连的电阻R7；其中，所述滑动变阻器RP1的滑动端与芯片U1的第10引脚相连，电阻R11、R12、电容C5的一端接地，芯片U1的第1引脚与模拟开关电路相连。其中，所述温度传感器的型号为热敏电阻温度传感器。首先，电感L1和电容C1构成的电路对采集到的型号进行滤波处理，处理后型号再经过由运算放大器A1、电阻R1～R4及电容C2、C3构成的放大电路对信号进行放大处理，放大后的信号再经过74HCT14D芯片为主的调制电路进行调制。
在本实施例中，所述模拟开关电路包括负极与芯片U1的第1引脚相连的电解电容C6，与电解电容C6的正极相连的电阻R16、R17，正相输入端、反相输入端与电阻R16的另一端、电阻R17的另一端对应连接的运算放大器A2，连接于运算放大器A2的反相输入端与输出端之间的电阻R18，正极与运算放大器A2的输出端相连的电解电容C7，与运算放大器A2的正相输入端相连的电阻R19，集电极与电阻R19另一端相连且发射极接地的三极管VT1，以及一端与三极管VT1的基极相连且另一端与微处理器的开关控制引脚相连的电阻R20；其中，电解电容C7的负极与AD转换电路相连。模拟开关电路主要起到接通信号或断开信号的作用。
在本实施例中，所述AD转换电路包括型号为AD651的AD转换芯片U2，串联后正极与AD转换芯片U2的第15引脚相连且另一端接地的二极管D1、D2，一端与AD转换芯片U2的第15引脚相连且另一端接15V电压的电阻R21，连接于AD转换芯片U2的第4、第5引脚之间的电容C8，正极与AD转换芯片U2的第6引脚相连且负极与AD转换芯片U2的第5引脚相连的二极管D3，一端与AD转换芯片U2的第4引脚和第7引脚相连的电阻R22，以及并联后一端与电阻R22的另一端相连且另一端接地的电容C9、电阻R23；其中，AD转换芯片U2的第14引脚与电解电容C7的负极相连，电阻R22、C9、电阻R23的公共端与微处理器上的对应引脚相连。AD转换电路主要将模拟信号转换成数字信号并通过微处理器对信号进行处理。
温度校准仪系统通过微处理器控制模拟开关选通通道，使温度传感器采集的模拟信号进行传输，使采集信号经过AD转换电路将模拟信号转换为数字信号，微处理器对数字信号进行处理，并通过无线传输模块传输至客户端。本发明主要将温度采集模块中的多路温度传感器和数据处理模块集成在同一个电路中，减少温度传感器和额外的数据处理模块的信号线连接，减少数据处理模块的数量，大幅降低硬件成本。因此，与现有技术相比，本发明具有突出的实质性特点和显著的进步。
最后应说明的是：以上各实施例仅仅为本发明的较优实施例用以说明本发明的技术方案，而非对其限制，当然更不是限制本发明的专利范围；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；也就是说，但凡在本发明的主体设计思想和精神上作出的毫无实质意义的改动或润色，其所解决的技术问题仍然与本发明一致的，均应当包含在本发明的保护范围之内；另外，将本发明的技术方案直接或间接的运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。
Claims (4)
1.一种无线PCR仪温度校准系统，其特征在于，包括多个适应不同孔板的PCR仪温度采集模块及与温度采集模块无线连接的客户端，所述孔板上的圆孔划分为多个矩阵式分布区域，每个矩阵式分布区域对应一个PCR温度采集模块；
温度采集模块和客户端之间的无线连接采用ZigBee模块，基于ZigBee模块进行组网，采用组网网络给客户端提供交互数据；
不同孔板的行数均设置为8，列数为N，N为正偶数，孔板的8行2列圆孔对应设定一个PCR温度采集模块，每个孔板设定N/2个PCR温度采集模块；
所述PCR温度采集模块包括4个设置在1列的温度传感器，温度传感器的位置与孔板的其中1列中的圆孔位置重合，PCR温度采集模块的长度为65mm，宽度为18mm，4个温度传感器距离顶部的长度分别为1mm、19mm、37mm、64mm；
每个所述PCR温度采集模块包括依次连接的多路温度传感器、信号调理电路、模拟开关电路、AD转换电路、微处理器及无线传输模块，以及与微处理相连器的电源模块；其中，模拟开关电路还与微处理器相连；多路温度传感器的位置和孔板的圆孔位重合；
所述信号调理电路包括与多路温度传感器的输出端相连的电感L1，与电感L1另一端相连的电容C1，与电感L1、电容C1的公共端相连的电阻R1、R3，与电阻R1另一端均相连的电阻R2、电容C2、电容C3，正相输入端与电容C2另一端相连且负相输入端与电阻R3另一端相连的运算放大器A1，连接于运算放大器A1的反相输入端与输出端之间的电阻R4，与运算放大器A1的输出端相连的电容C4，第8引脚与电容C4的另一端相连的型号为74HCT14D的芯片U1，连接于芯片U1的第2、3引脚之间的电阻R5，与芯片U1的第6引脚连接并依次串联的电阻R6、R8、电容C5，一端与电阻R8、电容C5连接处相连且另一端接地的电阻R9，连接于芯片U1的第7、8引脚之间的电阻R10，串联后一端连接于芯片U1的第1引脚且另一端连接于芯片U1的第4引脚的电阻R11、R12，串联后一端连接于芯片U1的第1引脚且另一端连接于芯片U1的第4引脚的电阻R13、滑动变阻器RP1、电阻R14，一端与芯片U1的第5引脚相连且另一端接地的电阻R15，以及一端连接于电阻R6、R8连接点且连一端与芯片U1的第9引脚相连的电阻R7；其中，所述滑动变阻器RP1的滑动端与芯片U1的第10引脚相连，电阻R11、R12、电容C5的一端接地，芯片U1的第1引脚与模拟开关电路相连；
所述模拟开关电路包括负极与芯片U1的第1引脚相连的电解电容C6，与电解电容C6的正极相连的电阻R16、R17，正相输入端、反相输入端与电阻R16的另一端、电阻R17的另一端对应连接的运算放大器A2，连接于运算放大器A2的反相输入端与输出端之间的电阻R18，正极与运算放大器A2的输出端相连的电解电容C7，与运算放大器A2的正相输入端相连的电阻R19，集电极与电阻R19另一端相连且发射极接地的三极管VT1，以及一端与三极管VT1的基极相连且另一端与微处理器的开关控制引脚相连的电阻R20；其中，电解电容C7的负极与AD转换电路相连；
所述AD转换电路包括型号为AD651的AD转换芯片U2，串联后正极与AD转换芯片U2的第15引脚相连且另一端接地的二极管D1、D2，一端与AD转换芯片U2的第15引脚相连且另一端接15V电压的电阻R21，连接于AD转换芯片U2的第4、第5引脚之间的电容C8，正极与AD转换芯片U2的第6引脚相连且负极与AD转换芯片U2的第5引脚相连的二极管D3，一端与AD转换芯片U2的第4引脚和第7引脚相连的电阻R22，以及并联后一端与电阻R22的另一端相连且另一端接地的电容C9、电阻R23；其中，AD转换芯片U2的第14引脚与电解电容C7的负极相连，电阻R22、C9、电阻R23的公共端与微处理器上的对应引脚相连。
2.根据权利要求1所述的一种无线PCR仪温度校准系统，其特征在于，所述微处理器的型号为STM32F103CB。
3.根据权利要求2所述的一种无线PCR仪温度校准系统，其特征在于，所述温度传感器采用热敏电阻式温度传感器。
4.根据权利要求3所述的一种无线PCR仪温度校准系统，其特征在于，所述无线传输模块的型号为CC2530。
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