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基于STC单片机的PCR温控系统的设计

作　者: 曹玉
导　师: 李振华
学　校: 山东大学
专　业: 控制工程
关键词: PCR 单片机模糊控制温控系统均匀度
分类号: TP273
类　型: 硕士论文
年　份: 2013年
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内容摘要

PCR仪是在医学工程方面应用非常广泛的一种仪器,它的关键技术是温度控制系统,即能实现快速、精确的温度控制从而完成多次热循环,来达到基因扩增的目的。一个热循环一般包括三个阶段,即变性、退火、延伸。本设计的目的就制作一种结构不复杂、价格较低、体积较小、性能精确度、温度均匀度能够满足要求的PCR扩增仪。论文首先介绍了当前PCR仪的原理和国内外发展现状,提出了PCR仪目前存在的一些问题,并对着问题进行了讨论,提出了论文的研究的意义和内容以及设计的特点。主要研究的内容包括(1)测温模块和变温模块,这是硬件电路中的重点内容,关系到温控系统的精确度和可靠性。本设计中采用的AD590作为热传感器组成测温电路,既提高了精确度,又减少了硬件的复杂程度。变温模块就是对温度的控制部分,主要采用的热电制冷片进行控制,既能减少设计的体积还能提高精确度。另外为了提高降温速率,还增加了一个散热风扇。(2)STC单片机主控电路的搭建,包括人机通信模块、AD和DA转换模块、串口通信模块、复位单元等。这部分主要是硬件电路的搭建内容,是温控系统正常工作的基础。其中AD转换是测温精确度的保障,所以硬件要保证其电压稳定,软件中多次采样对比来降低误差。DA转换则是通过连接差分放大电路来控制制冷片达到升降温的目的。(3)温控算法的设计。在软件算法上,设计主要采取了自适应模糊控制的原理。也就是将PID控制和模糊控制结合,当实际温度和设定温度相差较大的时候采取比例控制,当偏差在范围之内时候采取自适应模糊PID控制来进行准确的温度调节。并通过MATLAB对算法进行了仿真和对比。(4)温度均匀度的仿真和改进。反应槽是温度变化载体,其温度均匀度直接影响了反应试管的受热和最终实验结果。本论文对反应槽的受热进行了有限元的分析,得到其温度的分布情况,并且提出了相应的改进方法。通过有限元的分析和实际测量进行了对改进效果的验证。(5)软件的设计。系统的编程是采用C语言进行编程,主要程序有PID的算法程序、温度采集程序、数字滤波程序等。通过仿真和调试,初步体现了设计PCR仪的体积小、成本低、速度较快的优点。同时实验表明,系统的温控精确度在0.3℃左右,升降温速度大约在4℃/S,温度均匀度大约在0.4℃。性能能够满足当前医院和研究所的需要。

全文目录

摘要  8-10
Abstract  10-12
第1章绪论  12-20
  1.1 PCR技术简介  12
  1.2 PCR技术的原理  12-13
  1.3 PCR技术的发展现状及研究意义  13-16
    1.3.1 PCR扩增仪的现状介绍  13-15
    1.3.2 研究的意义  15-16
  1.4 论文的研究内容  16-17
    1.4.1 论文主要研究内容  16-17
  1.5 设计的特点  17-18
  1.6 本章小结  18-20
第2章温控系统硬件电路的设计  20-44
  2.1 PCR温度控制系统的总体框图  20
  2.2 温度采集系统模块  20-26
    2.2.1 AD590选择与测温原理  21-23
    2.2.2 AD590的非线性误差补偿方法  23-26
  2.3 运算放大模块设计  26-27
  2.4 温度控制模块的设计  27-33
    2.4.1 热电制冷器  28-29
    2.4.2 热电制冷器的参数选择及验证  29-31
    2.4.3 温度控制电路的连接  31-32
    2.4.4 PCR反应槽的设计  32-33
  2.5 MCU的选择  33-35
  2.6 人机交互模块设计  35-43
    2.6.1 LCD显示部分  35-37
    2.6.2 系统键盘电路  37-38
    2.6.3 单片机与PC机的通讯电路  38-40
    2.6.4 系统的复位电路  40-41
    2.6.5 AD转换电路  41-42
    2.6.6 DA转换电路  42-43
    2.6.7 散热风扇的设计  43
  2.7 本章小结  43-44
第3章 PCR温控系统的算法研究  44-58
  3.1 PID控制的基本原理  44-48
    3.1.1 PID控制原理  44-45
    3.1.2 数字型PID的基本原理  45-46
    3.1.3 位置PID算法  46-47
    3.1.4 增量PID控制算法  47-48
  3.2 模糊控制  48-50
    3.2.1 模糊控制原理  49
    3.2.2 模糊控制器  49-50
  3.3 模糊PID控制  50-51
  3.4 PCR的温控系统模糊PID的设计  51-56
    3.4.1 自适应模糊PID的框图及原理  51-52
    3.4.2 模糊自适应PID的参数调整策略  52-53
    3.4.3 模糊推理机的参数确定  53-56
  3.5 本章小结  56-58
第4章温控系统的软件设计  58-70
  4.1 主程序模块设计  58-59
  4.2 AD转换模块  59-60
  4.3 温度控制模块设计  60-61
  4.4 PID算法程序模块  61-64
  4.5 通信程序设计  64-65
    4.5.1 STC单片机通讯程序  64
    4.5.2 PC机通信  64-65
  4.6 数字软件滤波的设计  65-68
  4.7 本章小结  68-70
第5章系统的仿真与调试  70-84
  5.1 温控系统的仿真  70-72
    5.1.1 模糊控制仿真  70-71
    5.1.2 模糊PID的仿真  71-72
  5.2 PCR系统的调试  72-74
    5.2.1 硬件电路的调试与结果  72-74
  5.3 PCR系统的软件调试  74-75
  5.4 PGR温度曲线的比较  75-76
  5.5 PCR仪的温度均匀度  76-83
    5.5.1 模型受热环境分析  76-77
    5.5.2 热方程和边界条件  77-78
    5.5.3 反应槽的温度场仿真  78-79
    5.5.4 PCR反应槽的改进  79-81
    5.5.5 仿真结果的实验  81-83
  5.6 本章小结  83-84
总结和展望  84-86
参考文献  86-90
致谢  90-91
附件  91

基于STC单片机的PCR温控系统的设计

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