基因扩增分析仪的研究与开发

论文摘要

针对国内传统的基因扩增分析仪存在体积大、温度调节范围小、控温精度差、升降温速度慢、人机界面不友好等问题,从实际应用角度出发设计并制作了一种以半导体加热制冷模块为核心的高性能的基因扩增分析仪。首先,分析了聚合酶链式反应(Polymerase Chain Reaction,PCR)的技术原理和实现条件,根据基因扩增分析仪系统的具体要求提出了系统的总体设计方案,研制出以单片机M30627FJPGP为核心的基因扩增分析仪系统,并给出了硬件和软件设计方案。以M30627FJPGP作为系统控制核心,根据采集到的当前模块温度,进行智能算法处理得到控制量,通过PWM控制MOSFET的开关达到控制半导体片两端电压的目的,从而完成模块温度的控制。系统配备了打印机和USB接口,同时采用大液晶屏作为人机交换界面,全部汉语提示,为用户提供了良好的操作和显示界面。其次,由于基因扩增分析仪被控对象机理复杂,具有明显的非线性、纯滞后、模型不确定性等特点,而国内传统的基因扩增分析仪温控系统大多建立在一定的模型基础之上,难以保证控温的精度,所以将模糊控制算法引入传统的基因扩增分析仪控温系统构成智能控制系统,利用模糊参数自整定PID控制器在线调整控制参数,借此提高控制效果。最后,给出了系统安装调试运行的过程和仪器实际运行的数据,并结合仪器特点进行分析。同时分析了影响PCR仪加热/制冷效果的因素和PCR仪对电磁兼容性的特殊要求。实验表明,该系统控温精度达±0.2℃,升降温速度快,性能稳定。系统软、硬件设计方法对于其它类似高精度温度控制场合亦具有一定的借鉴意义。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 基因扩增分析仪概述
• 1.2.1 基因扩增分析仪基本原理
• 1.2.2 基因扩增分析仪分类及发展
• 1.2.3 基因扩增分析仪应用范围
• 1.3 国内外研究现状
• 1.4 本课题的技术要求及主要研究内容
• 1.4.1 技术要求
• 1.4.2 主要研究内容
• 第2章 基因扩增分析仪总体方案设计
• 2.1 基因扩增分析仪系统的要求
• 2.1.1 工艺要求
• 2.1.2 功能技术要求
• 2.2 基因扩增分析仪系统方案设计
• 2.2.1 基因扩增分析仪硬件方案设计
• 2.2.2 基因扩增分析仪软件方案设计
• 2.3 本章小结
• 第3章 模糊参数自整定PID控制器原理及设计
• 3.1 控制算法的提出
• 3.2 PCR仪模糊参数自整定 PID控制器的设计
• 3.2.1 PCR仪模糊参数自整定 PID控制器的结构
• 3.2.2 PCR仪模糊参数自整定 PID控制器算法实现
• 3.3 本章小结
• 第4章 基因扩增分析仪硬件电路设计
• 4.1 基因扩增分析仪硬件电路总体设计
• 4.2 最小系统电路设计
• 4.3 外扩EEPROM电路设计
• 4.4 外扩USB电路设计
• 4.5 实时时钟电路设计
• 4.6 键盘显示电路设计
• 4.6.1 键盘接口电路设计
• 4.6.2 显示接口电路设计
• 4.7 RS232串口电路设计
• 4.8 热盖温度检测与控温电路设计
• 4.8.1 热盖温度检测电路设计
• 4.8.2 热盖温度控制电路设计
• 4.9 模块温度检测与控温电路设计
• 4.9.1 模块温度检测电路设计
• 4.9.2 模块温度控制电路设计
• 4.10 本章小结
• 第5章 基因扩增分析仪软件设计
• 5.1 PCR仪数据存放与数据结构
• 5.1.1 用户程序样例
• 5.1.2 用户程序数据存放格式
• 5.1.3 用户区用户文件数据存放格式
• 5.1.4 设置数据存放区
• 5.2 液晶软件模块设计
• 5.3 键盘系统软件设计
• 5.4 USB接口软件设计
• 5.4.1 动态链接库
• 5.4.2 应用程序与设备间的通讯
• 5.4.3 固件程序设计
• 5.4.4 USB读写操作
• 5.4.5 USB在 PCR嵌入式系统中的难点及解决方案
• 5.5 模糊参数自整定PID控制器软件设计
• 5.5.1 传感器的线性化处理方法
• 5.5.2 模糊参数自整定PID控制
• 5.6 串口打印机软件设计
• 5.6.1 RS232串口通信格式
• 5.6.2 通信数据格式
• 5.6.3 串口通信的流程图
• 5.6.4 打印的说明
• 5.7 本章小结
• 第6章 系统的安装调试及结果分析
• 6.1 基因扩增分析仪系统的安装调试过程
• 6.1.1 实验室设计调试阶段
• 6.1.2 系统组装与仪器调试阶段
• 6.2 基因扩增分析仪系统调试及运行结果分析
• 6.2.1 基因扩增分析仪系统调试
• 6.2.2 基因扩增分析仪运行结果分析
• 6.3 影响 PCR仪加热/制冷效果的因素
• 6.4 生命科学仪器对电磁兼容性的特殊要求
• 6.5 基因扩增分析仪生产运行情况
• 6.6 本章小结
• 结论
• 本文主要的创新工作:
• 对今后研究工作的展望与设想:
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的学术论文和参加科研情况
• 发表的学术论文:
• 参与的科研项目:
• 致谢
• 附录
• 附录 1: PCR仪打印程序样例
• 附录 2: PCR仪流程打印样例
• 附录 3: PCR仪硬件原理图1（检测板图）
• 附录 4: PCR仪硬件原理图2（控制板图）
• 附录 5: PCR仪硬件原理图3（前面板图）
• 附录 6: PCR仪硬件原理图4（电源板图）