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【摘 要】本文阐述设计一套控制效果好、体积小、成本低的PCR仪热循环温度控制系统，该系统整体设计经济性好、控制效果佳，可为国内PCR仪的发展应用提供一定的科研价值。
【关键词】PCR仪 温度控制 ATmage16单片机 自适应模糊PID算法
【中图分类号】G 【文献标识码】A
【文章编号】0450-9889（2017）05C-0187-04
PCR（Polymerase Chain Reaction）是在生物技术和医学领域应用得比较广泛的一种基因扩增仪。它是在体外利用DNA聚合酶、一对引物和四种dNTP（dATP，dGTP，dCTP，dTTP）对模板DNA进行多次复制而得到大量基因产物的过程。PCR技术是生物医学领域中的一次重大革命，它使生物医学研究从整体水平和细胞水平发展到分子水平。现在该技术主要应用在病原体检测、基因表达、突变和多态性等方面。然而受到温度控制精度的影响，国内的PCR仪发展水平远落后于发达国家，目前我国的PCR仪主要是从国外购买，同时由于高价格因素的制约，大多只能应用于较大医院的医疗系统或是较好的高等院校、研究院等科研单位进行拆解研究，没有满足国内市场的需求。
PCR仪的核心技术是能够实现快速、精确的温度控制，从而完成多次热循环以达到基因擴增的目的，其主要包括变性、退火和延伸三个基本反应步骤。变性就是将温度加热到95℃左右时模板DNA解离成为单链DNA的过程。变性环节结束后进入退火步骤，此时温度降至55℃左右，引物与模板DNA单链的互补序列进行互补配对结合。将温度调节至72?C左右时，Taq DNA聚合酶从引物起始进行延伸，得到一条新的与模板DNA链互补的半保留复制链。重复循环变性—退火—延伸三个反应步骤就可以得到几万甚至几百万倍的目的基因产物。PCR扩增过程的循环工作曲线图和DNA复制过程如图1所示。
本文设计一套以ATmega16为核心的温度控制系统，系统利用半导体加热制冷片进行加热制冷，通过控制风扇的开关进行散热降温，采用自适应模糊PID控制算法进行温度控制。该系统整体设计方案原理比较简单，功耗低，控制效果好，实用性强，对推动国内PCR仪市场的发展有一定科研价值。
一、系统总体设计方案
该PCR仪温度控制系统的设计分为硬件电路和软件两部分。硬件电路主要包括主控制电路模块、温度信号处理模块、温度调节模块以及人机交互界面等，系统硬件电路总体设计如图2所示。
主控制电路模块由处理能力极强的ATmage16单片机最小系统、电源电路和报警电路等部分组成，作为PCR仪整个控制系统的核心，它的主要功能是处理输入输出的数字温度信号，并进行反馈控制调节系统温度。信号处理模块主要是对温度信号进行滤波、调零、放大以及A/D转换等处理。温度调节模块主要包括驱动电路和加热/制冷电路。单片机接收到传感器感应到的温度信号后，进行计算比较，然后输出相应的脉宽调制波（PMW）驱动半导体加热或启动风扇降温，从而控制PCR仪温度的变化。人机交互界面由键盘和液晶显示两部分构成，用来输入各种实验的参数或显示工作时的温度变化情况等，以便用户可以更好地进行操作和观察。
软件部分采用模块化结构设计，主要包括初始化程序、温度控制程序、温度信号采集处理程序、键盘扫描电路和按键处理程序、超温报警程序等。在控制算法的选择上，该设计主要采取了自适应模糊PID控制算法，也就是将PID控制和模糊控制结合起来使用，当采集到的当前温度与预设温度相差较大时，采用模糊控制，已经接近预设温度时就转换成PID控制，并通过预先编写程序来实现两种控制算法的转换。
二、硬件电路设计
（一）ATmega16主控电路
ATmega16单片机是增强型的8位微控制器，它的特点是功耗低、指令为单时钟周期以及可以直接驱动LED和继电器，处理数据的能力可以达到1mps/mhz。
本文采用ATmega16单片机作为PCR仪的主控制器，可以很好地缓解PCR仪温控系统在功耗和温度调节速度之间的矛盾。
ATmega16芯片的A端口（PA0-PA7引脚）主要作为模拟输入端，端口B、端口C和端口D都是8位双向I/O口。在该系统中，P4.7（RST1）为复位脚，与总开关S相连；PA4-PA7引脚连接到键盘，用于将键入的模拟信号转换成数字控制信号；PB0、PB1、PB4和PA0引脚分别连到反相器7406的3、5、9、13号引脚，实现逻辑数字的输入功能；PB2和PB3与四组二输入逻辑与门7408芯片的12和13号引脚相连再接到风扇的开关电路，用来控制电风扇的开关；PB5、PB6、PB7分别与A/D7705S转换器的I/O引脚和SCKL引脚连接，作用是将数字信号传送到单片机中。PC2-PC5引脚连接到JTAG接口，用于芯片内部测试；PD4-PD7、PC0、PC1与液晶显示屏连接，用于显示操作选择、键盘输入的参数以及PCR仪运行情况等；XTAL1/XTAL2引脚和晶振、电容器件组成时钟电路，向主控制器提供基准频率。
（二）电源电路
电源模块主要是给ATmage16单片机、AD623、蜂鸣器、数码显示逻辑电路等提供5V的直流电压，为IR110芯片、MOSFET管提供12V的工作电压。该系统的电源模块采用降压开关型集成稳压器LM2576，电源电路如图3所示，其稳定电压为5V，它工作的方式只有两种，一是处于完全导通状态，此时大电流流过低导通电压的开关管；另一种则是完全截止状态，开关管完全没有电流经过。同时，该稳压器除了内含固定的频率振荡器和基准稳压器之外，还具有电流限制和热关断电路等保护功能，只需要极少的外围器件，就可以组成高效的电源稳压电路。因而，利用该器件可以在一定程度上减小例如PCR仪的体积，节约了成本。 三、信号处理电路
（一）放大电路
通过传感器采集到的温度信号是非常弱的，且具有干扰，需要进行滤波放大作用才能利用。AD623是一款性能非常好的仪表放大器，能在单电源3V～12V下提供满电源输出，使电路设计更为简单。增益通过滑动变阻器和一只外接电阻方便调节，且相比由几个高精度运放如OP07组成的放大器来说，减少了元器件的使用，从而减小了PCR仪温控系统的PCB板面积。
在信号放大电路中，为避免出现零输入时有输出的零点漂移现象，需要用调零电路来进行调节。该调零电路利用滑动变阻器与电阻并联，通过调节滑动变阻器的值，改变它与并联电阻阻值之比，直到没有电压输入时，电路两端电压为零。
（二）A/D转换电路
由于ATmage16只能处理数字信号，所以要想将采集到的温度模拟信号传输到控制芯片中，需要在输入的前端加入A/D转换器进行模数转换。该系统采用的是AD7705S转换器，它具有可编程、分辨率高、动态范围宽等特点，同时采用SPI/QSPI兼容的三线串行接口，可方便地和单片机进行连接，大大节省了CPU的输入输出口。当外接晶振和少量去耦电容时可以连续进行A/D转换，而在PCR仪温度控制系统中需要连续的采集温度信号并转换成数字信号以供控制器进行控制，因此AD7705是很好的选择。
（三）驅动电路
该硬件系统的驱动电路工作电压为12V，而ATmage16单片机控制芯片输出的PWM信号的电压为5V，该系统采用的IR2110驱动器，兼有光电耦合和电磁隔离的功能，可以防止这两部分电路直接连接，具有很强的抗干扰能力。对于PCR仪的全桥电路，采用2片IR2110驱动2个桥臂，只需要10V-20V的电压，减小了变压器的体积和电源数目，从而提高了系统的可靠性，降低了PCR仪的成本。其驱动电路原理如图4所示：ATmage16控制器的PB6引脚输出控制信号驱动IR2110工作，IR2110的12V电源电压、二极管、电容与IR110芯片的6、7引脚构成一个自举电路，使得电容器的放电电压和12V电源电压叠加，使电压升高驱动放大电路导通。通过控制场效应管T1、T1、T3、T4的关断来实现驱动半导体加热制冷和风扇降温功能。
四、系统软件设计
（一）控制算法的选择
本文的温度控制系统在算法的选择上采用的是自适应模糊PID控制，即将PID控制和模糊控制相结合，组成自适应模糊PID控制器，使其能动态地调整PID的参数并进行优化，而不依赖于被控对象的数学模型。该算法集合了模糊控制和PID控制的优点，即在超调量大时，充分利用模糊控制快速性、灵活性和适应性的特点，在微调时就发挥PID控制的精度高的优势。这样就可以很好解决PCR仪三个基本环节的温度控制问题。
该算法采用模糊规则对算法中的比例、积分和微分参数KP、KI、KD进行模糊化处理，然后进行PID控制。把当前的PCR温度信号通过温测模块，送到单片机中。单片机将接收到的温度信号与预设的温度值进行对比，计算当前的温度偏差e和温度偏差变化率Δe，然后进行模糊化处理，再通过查询模糊规则表，得到输出的变化值。如图5所示，即为自适应模糊PID控制方法实现PCR仪温度控制的原理图。
（二）软件设计
系统软件部分主要包括主程序、温度信号处理程序、温度控制程序和超温保护等。以自适应模糊PID控制算法程序为核心，由单片机对采集到的温度信号进行比较计算，然后输出控制信号调节系统的温度。系统的工作过程：首先对系统进行初始化设置，包括三个基本反应步骤温度参数的初始化、A/D转换初始化、液晶显示初始化等。然后用键盘来选择操作模式，设置变性温度参数（95℃）、退火温度参数（55℃）、延伸温度参数（72℃）、允许的误差范围（2℃）、控制算法转换温度以及温度上限等。单片机通过获取温度采集电路的温度信号与预设参考温度进行比较，如果温度偏差大于控制算法转换温度，则用模糊控制，反之则转到PID控制。同时单片机还要判断系统当前温度是否超过温度上限，如果超过，则报警。当温度到达预设的温度时，计时开始，计时结束后循环变性、退火、延伸这三个基本反应环节，就可以实现基因扩增的目的。PCR仪温度控制系统整体程序流程如图6所示。
本文针对国内现有PCR仪控制灵敏度不足、成本高、体积大等问题，设计了一套以半导体加热制冷片进行加热制冷和风扇进行散热降温原理为基础的热循环仪温度控制系统。设计包括ATmage16单片机最小系统模块、电源模块、驱动模块、温度采集处理模块以及键盘、显示模块等硬件电路。软件部分则将模糊控制算法和PID控制算法结合起来使用，系统根据采集到的温度偏差的大小来切换使用两种控制算法，以提高控制的快速性和准确度。本文设计的热循环温度控制系统，原理简单、功耗低、实用性强，可满足我国PCR仪工程需要。
【参考文献】
[1]张新磊，冯继宏，孔晶晶.实时PCR仪中温度控制系统的研制[J].中国生物医学工程学报，2012（1）
[2]曹玉.基于STC单片机的PCR温控系统的设计[D].山东大学，2013
[3]江丽，刘志斌.基于mega16微控制器的温度采集系统[J].山西电子技术，2014（6）
[4]苏成仁，刘永智.二次可调开关直流电源的设计[J].电子技术，2013（2）
[5]王宇松，张德伟.PCR仪温度控制系统设计[J].生命科学仪器，2009（10）
[6]马瑞卿，刘卫国.自举式IR2110集成驱动电路的特殊应用[J].电力电子技术，2000（1）
[7]郭丽萍，吴钦木，解雪妮.温度控制系统的模糊PID控制方法研究[J].现代机械，2014（6）
[8]杨婉荣.PCR仪温度控制系统的研究与设计[D].西安工业大学，2014
【作者简介】莫 寒（1991— ），女，广西河池人，广西现代职业技术学院教师，研究方向：控制工程，分布式光伏发电；张 玉（1980— ），女，湖北应城人，硕士，桂林理工大学副教授，研究方向：分布式光伏发电，物联网应用。
（责编 丁 梦）
【关键词】PCR仪 温度控制 ATmage16单片机 自适应模糊PID算法
【中图分类号】G 【文献标识码】A
【文章编号】0450-9889（2017）05C-0187-04
PCR（Polymerase Chain Reaction）是在生物技术和医学领域应用得比较广泛的一种基因扩增仪。它是在体外利用DNA聚合酶、一对引物和四种dNTP（dATP，dGTP，dCTP，dTTP）对模板DNA进行多次复制而得到大量基因产物的过程。PCR技术是生物医学领域中的一次重大革命，它使生物医学研究从整体水平和细胞水平发展到分子水平。现在该技术主要应用在病原体检测、基因表达、突变和多态性等方面。然而受到温度控制精度的影响，国内的PCR仪发展水平远落后于发达国家，目前我国的PCR仪主要是从国外购买，同时由于高价格因素的制约，大多只能应用于较大医院的医疗系统或是较好的高等院校、研究院等科研单位进行拆解研究，没有满足国内市场的需求。
PCR仪的核心技术是能够实现快速、精确的温度控制，从而完成多次热循环以达到基因擴增的目的，其主要包括变性、退火和延伸三个基本反应步骤。变性就是将温度加热到95℃左右时模板DNA解离成为单链DNA的过程。变性环节结束后进入退火步骤，此时温度降至55℃左右，引物与模板DNA单链的互补序列进行互补配对结合。将温度调节至72?C左右时，Taq DNA聚合酶从引物起始进行延伸，得到一条新的与模板DNA链互补的半保留复制链。重复循环变性—退火—延伸三个反应步骤就可以得到几万甚至几百万倍的目的基因产物。PCR扩增过程的循环工作曲线图和DNA复制过程如图1所示。
本文设计一套以ATmega16为核心的温度控制系统，系统利用半导体加热制冷片进行加热制冷，通过控制风扇的开关进行散热降温，采用自适应模糊PID控制算法进行温度控制。该系统整体设计方案原理比较简单，功耗低，控制效果好，实用性强，对推动国内PCR仪市场的发展有一定科研价值。
一、系统总体设计方案
该PCR仪温度控制系统的设计分为硬件电路和软件两部分。硬件电路主要包括主控制电路模块、温度信号处理模块、温度调节模块以及人机交互界面等，系统硬件电路总体设计如图2所示。
主控制电路模块由处理能力极强的ATmage16单片机最小系统、电源电路和报警电路等部分组成，作为PCR仪整个控制系统的核心，它的主要功能是处理输入输出的数字温度信号，并进行反馈控制调节系统温度。信号处理模块主要是对温度信号进行滤波、调零、放大以及A/D转换等处理。温度调节模块主要包括驱动电路和加热/制冷电路。单片机接收到传感器感应到的温度信号后，进行计算比较，然后输出相应的脉宽调制波（PMW）驱动半导体加热或启动风扇降温，从而控制PCR仪温度的变化。人机交互界面由键盘和液晶显示两部分构成，用来输入各种实验的参数或显示工作时的温度变化情况等，以便用户可以更好地进行操作和观察。
软件部分采用模块化结构设计，主要包括初始化程序、温度控制程序、温度信号采集处理程序、键盘扫描电路和按键处理程序、超温报警程序等。在控制算法的选择上，该设计主要采取了自适应模糊PID控制算法，也就是将PID控制和模糊控制结合起来使用，当采集到的当前温度与预设温度相差较大时，采用模糊控制，已经接近预设温度时就转换成PID控制，并通过预先编写程序来实现两种控制算法的转换。
二、硬件电路设计
（一）ATmega16主控电路
ATmega16单片机是增强型的8位微控制器，它的特点是功耗低、指令为单时钟周期以及可以直接驱动LED和继电器，处理数据的能力可以达到1mps/mhz。
本文采用ATmega16单片机作为PCR仪的主控制器，可以很好地缓解PCR仪温控系统在功耗和温度调节速度之间的矛盾。
ATmega16芯片的A端口（PA0-PA7引脚）主要作为模拟输入端，端口B、端口C和端口D都是8位双向I/O口。在该系统中，P4.7（RST1）为复位脚，与总开关S相连；PA4-PA7引脚连接到键盘，用于将键入的模拟信号转换成数字控制信号；PB0、PB1、PB4和PA0引脚分别连到反相器7406的3、5、9、13号引脚，实现逻辑数字的输入功能；PB2和PB3与四组二输入逻辑与门7408芯片的12和13号引脚相连再接到风扇的开关电路，用来控制电风扇的开关；PB5、PB6、PB7分别与A/D7705S转换器的I/O引脚和SCKL引脚连接，作用是将数字信号传送到单片机中。PC2-PC5引脚连接到JTAG接口，用于芯片内部测试；PD4-PD7、PC0、PC1与液晶显示屏连接，用于显示操作选择、键盘输入的参数以及PCR仪运行情况等；XTAL1/XTAL2引脚和晶振、电容器件组成时钟电路，向主控制器提供基准频率。
（二）电源电路
电源模块主要是给ATmage16单片机、AD623、蜂鸣器、数码显示逻辑电路等提供5V的直流电压，为IR110芯片、MOSFET管提供12V的工作电压。该系统的电源模块采用降压开关型集成稳压器LM2576，电源电路如图3所示，其稳定电压为5V，它工作的方式只有两种，一是处于完全导通状态，此时大电流流过低导通电压的开关管；另一种则是完全截止状态，开关管完全没有电流经过。同时，该稳压器除了内含固定的频率振荡器和基准稳压器之外，还具有电流限制和热关断电路等保护功能，只需要极少的外围器件，就可以组成高效的电源稳压电路。因而，利用该器件可以在一定程度上减小例如PCR仪的体积，节约了成本。 三、信号处理电路
（一）放大电路
通过传感器采集到的温度信号是非常弱的，且具有干扰，需要进行滤波放大作用才能利用。AD623是一款性能非常好的仪表放大器，能在单电源3V～12V下提供满电源输出，使电路设计更为简单。增益通过滑动变阻器和一只外接电阻方便调节，且相比由几个高精度运放如OP07组成的放大器来说，减少了元器件的使用，从而减小了PCR仪温控系统的PCB板面积。
在信号放大电路中，为避免出现零输入时有输出的零点漂移现象，需要用调零电路来进行调节。该调零电路利用滑动变阻器与电阻并联，通过调节滑动变阻器的值，改变它与并联电阻阻值之比，直到没有电压输入时，电路两端电压为零。
（二）A/D转换电路
由于ATmage16只能处理数字信号，所以要想将采集到的温度模拟信号传输到控制芯片中，需要在输入的前端加入A/D转换器进行模数转换。该系统采用的是AD7705S转换器，它具有可编程、分辨率高、动态范围宽等特点，同时采用SPI/QSPI兼容的三线串行接口，可方便地和单片机进行连接，大大节省了CPU的输入输出口。当外接晶振和少量去耦电容时可以连续进行A/D转换，而在PCR仪温度控制系统中需要连续的采集温度信号并转换成数字信号以供控制器进行控制，因此AD7705是很好的选择。
（三）驅动电路
该硬件系统的驱动电路工作电压为12V，而ATmage16单片机控制芯片输出的PWM信号的电压为5V，该系统采用的IR2110驱动器，兼有光电耦合和电磁隔离的功能，可以防止这两部分电路直接连接，具有很强的抗干扰能力。对于PCR仪的全桥电路，采用2片IR2110驱动2个桥臂，只需要10V-20V的电压，减小了变压器的体积和电源数目，从而提高了系统的可靠性，降低了PCR仪的成本。其驱动电路原理如图4所示：ATmage16控制器的PB6引脚输出控制信号驱动IR2110工作，IR2110的12V电源电压、二极管、电容与IR110芯片的6、7引脚构成一个自举电路，使得电容器的放电电压和12V电源电压叠加，使电压升高驱动放大电路导通。通过控制场效应管T1、T1、T3、T4的关断来实现驱动半导体加热制冷和风扇降温功能。
四、系统软件设计
（一）控制算法的选择
本文的温度控制系统在算法的选择上采用的是自适应模糊PID控制，即将PID控制和模糊控制相结合，组成自适应模糊PID控制器，使其能动态地调整PID的参数并进行优化，而不依赖于被控对象的数学模型。该算法集合了模糊控制和PID控制的优点，即在超调量大时，充分利用模糊控制快速性、灵活性和适应性的特点，在微调时就发挥PID控制的精度高的优势。这样就可以很好解决PCR仪三个基本环节的温度控制问题。
该算法采用模糊规则对算法中的比例、积分和微分参数KP、KI、KD进行模糊化处理，然后进行PID控制。把当前的PCR温度信号通过温测模块，送到单片机中。单片机将接收到的温度信号与预设的温度值进行对比，计算当前的温度偏差e和温度偏差变化率Δe，然后进行模糊化处理，再通过查询模糊规则表，得到输出的变化值。如图5所示，即为自适应模糊PID控制方法实现PCR仪温度控制的原理图。
（二）软件设计
系统软件部分主要包括主程序、温度信号处理程序、温度控制程序和超温保护等。以自适应模糊PID控制算法程序为核心，由单片机对采集到的温度信号进行比较计算，然后输出控制信号调节系统的温度。系统的工作过程：首先对系统进行初始化设置，包括三个基本反应步骤温度参数的初始化、A/D转换初始化、液晶显示初始化等。然后用键盘来选择操作模式，设置变性温度参数（95℃）、退火温度参数（55℃）、延伸温度参数（72℃）、允许的误差范围（2℃）、控制算法转换温度以及温度上限等。单片机通过获取温度采集电路的温度信号与预设参考温度进行比较，如果温度偏差大于控制算法转换温度，则用模糊控制，反之则转到PID控制。同时单片机还要判断系统当前温度是否超过温度上限，如果超过，则报警。当温度到达预设的温度时，计时开始，计时结束后循环变性、退火、延伸这三个基本反应环节，就可以实现基因扩增的目的。PCR仪温度控制系统整体程序流程如图6所示。
本文针对国内现有PCR仪控制灵敏度不足、成本高、体积大等问题，设计了一套以半导体加热制冷片进行加热制冷和风扇进行散热降温原理为基础的热循环仪温度控制系统。设计包括ATmage16单片机最小系统模块、电源模块、驱动模块、温度采集处理模块以及键盘、显示模块等硬件电路。软件部分则将模糊控制算法和PID控制算法结合起来使用，系统根据采集到的温度偏差的大小来切换使用两种控制算法，以提高控制的快速性和准确度。本文设计的热循环温度控制系统，原理简单、功耗低、实用性强，可满足我国PCR仪工程需要。
【参考文献】
[1]张新磊，冯继宏，孔晶晶.实时PCR仪中温度控制系统的研制[J].中国生物医学工程学报，2012（1）
[2]曹玉.基于STC单片机的PCR温控系统的设计[D].山东大学，2013
[3]江丽，刘志斌.基于mega16微控制器的温度采集系统[J].山西电子技术，2014（6）
[4]苏成仁，刘永智.二次可调开关直流电源的设计[J].电子技术，2013（2）
[5]王宇松，张德伟.PCR仪温度控制系统设计[J].生命科学仪器，2009（10）
[6]马瑞卿，刘卫国.自举式IR2110集成驱动电路的特殊应用[J].电力电子技术，2000（1）
[7]郭丽萍，吴钦木，解雪妮.温度控制系统的模糊PID控制方法研究[J].现代机械，2014（6）
[8]杨婉荣.PCR仪温度控制系统的研究与设计[D].西安工业大学，2014
【作者简介】莫 寒（1991— ），女，广西河池人，广西现代职业技术学院教师，研究方向：控制工程，分布式光伏发电；张 玉（1980— ），女，湖北应城人，硕士，桂林理工大学副教授，研究方向：分布式光伏发电，物联网应用。
（责编 丁 梦）