基于嵌入式的多路数字PCR温度控制系统.pdf
摘要
数字聚合酶链式反应（PCR）作为一种新型核酸分析方法，在精准定量方面表
现出了突出优势，具有极高的检测灵敏度。凭借这些优势，数字PCR在病毒检测、
突变检测、无创产前检查和食品监测等领域具有广阔的应用前景，目前已成为生物
研究领域相当重要的一个板块。由于数字PCR反应发生于数以万计的反应腔室中，
为保证每个腔室中温度的均匀性、精度以及升降温速率达到要求，降低反应的非特
异性，本文对数字PCR温度控制系统进行研究具有重要意义。
在热仿真方面，本文利用AnsysIcepak软件，对可能影响多路数字PCR温度控
制系统中导热板温度均匀性的因素进行了热仿真分析。并对热仿真分析得出的结论
进行实验验证，确定仿真结论的可靠性，为提高数字PCR温度控制系统的温度均匀
性提供了一定的理论帮助；
在算法和软件方面，针对实际的PCR温度循环过程，本文提出一种分段式自适
应模糊PID算法，介绍了温度采集、分段式自适应模糊PID控制和温度过冲程序设
计思路；
在硬件方面，完成了基于STM32F303CBT6的数字PCR温度控制系统的硬件设
计。选用A级铂电阻PT1000实现温度的采集，采集信号经多通道精密ADC芯片输
出至MCU进行分段式自适应模糊PID处理，并通过恒流源驱动TEC工作，实现多
路数字PCR的温度控制。
经过实验测试，系统的平均升温速率为2.6℃/s，平均降温速率为3.9℃/s，最大
的平均升降温速度的绝对误差为0.3℃/s，最大的平均升降温速度的相对误差为2%，
温度控制的最大温度差值为0.1℃，温度均匀性为0.2℃。
关键词：数字PCR；热仿真；温度均匀性；分段式自适应模糊PID算法；STM32
I
目录
摘要I
ABSTRACTII
目录III
第1章绪论1
1.1研究背景和意义1
1.2国内外研究现状2
1.3本文的主要研究内容4
1.4章节安排4
第2章多路数字PCR温控的热仿真分析6
2.1电子热设计6
2.1.1热传导6
2.1.2强迫风冷6
2.1.3半导体制冷器7
2.2多路数字PCR仪有限元模型9
2.3网格划分及检查10
2.4多路数字PCR仪电热仿真11
2.4.1导热板厚度11
2.4.2强迫风冷14
2.4.3TEC间距16
2.5本章小结18
第3章多路数字PCR温控硬件设计19
3.1总体设计方案19
3.2主控电路19
3.3恒流源驱动TEC电路20
3.4温度采集电路22
3.4.1温度传感器22
3.4.2ADC芯片23
3.5电源电路25
3.5.1开关电源转换器25
3.5.2低压差线性稳压器26
3.6本章小结27
第4章多路数字PCR温控算法与软件设计28
III
4.1总体设计方案28
4.2系统算法设计28
4.2.1经典PID控制29
4.2.2自适应模糊PID控制30
4.2.3分段式自适应模糊PID控制34
4.2.4算法仿真对比36
4.3系统软件设计38