基于DSP式的小型实时PCR仪温度控制系统

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聚合酶链式反应(Polymerase Chain Reaction,PCR)由Kary B.Mullis博士于1983年发明。PCR技术是一项革命性的创新,它在生物医学领域具有重要的作用。实时PCR通过在PCR反应体系中加入荧光探针,利用荧光信号累积实时监测整个PCR进程,最后通过标准曲线对未知模板进行分析。由于此项技术灵敏度高,准确性强,因此已广泛应用于生物医学领域,如医学诊断、食品安全、动物检疫和遗传学研究等。  本文旨在开发一套基于DSP式的小型实时PCR仪温度控制系统,论文工作包括硬件的开发和下位机软件的开发两个部分。  硬件主要包括:电源、DSP主控电路、H桥驱动电路、半导体加热制冷片、硅橡胶加热垫以及温度传感电路。在对开关电源和线性电源的优缺点进行比较之后,选择开关电源作为实时PCR仪的电源;DSP主控电路则包括电压转换电路、晶振电路、JTAG接口、复位电路、PWM波输出管脚、A/D转换电路和串行通信接口;H桥驱动电路由光电隔离电路和H桥功率放大电路构建而成;采用半导体加热制冷片和硅橡胶加热垫分别对PCR反应和热盖进行温度调控;采用热敏电阻Pt100作为温度传感器,并设计了四线制温度传感电路和惠斯通电桥式温度传感电路进行温度探测。  下位机软件主要包括:软件初始化子程、A/D转换子程、PID算法子程、PWM波输出子程、串口通信子程和Flash程序的烧写。  最后,对所研制的温度控制系统进行了调节与测试。实验结果表明,四线制温度传感电路测温曲线的线性度为0.9915,均方差为0.2℃;惠斯通电桥式温度传感电路测温曲线的线性度为0.9981,均方差为0.05℃;A/D转换的相对误差为0.16%;半导体加热制冷片的温度变化速率为3℃/s,温度控制精度为±0.3℃:硅橡胶加热垫的升温速率为2.5℃/s,温度控制精度为±0.3℃。温度数据可通过串行通信接口以9600的波特率传输至上位机,并由上位机软件绘制温度曲线。在室温下,所开发的温度控制系统已经历了25小时的持续测试。测试结果表明,系统运行稳定。
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