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温度控制系统在PCR仪中的应用

作者：陈辉郭义超

来源：《电子世界》2013年第05期

【摘要】介绍了PCR仪的温度控制系统的工作原理，并对温度控制系统软硬件进行了设

计，提高了温度控制系统的升降温速度，具有广泛的应用前景。

【关键词】PCR；温度控制系统；pt100

引言1.

聚合酶链式反应（PolymeraseChainReaction，简称PCR），又称无细胞分子克隆或特异

性DNA序列体外引物定向酶促扩增技术。PCR技术应用非常广泛，广泛应用在生命科学研

究、生化分析、临床诊断、药物分析、法医鉴定和疫情快速检验等各个领域。

温度控制系统的主要任务就是让样品内基因在腔体内进行高温变性（T1）、低温退火

（T2）和适温延伸（T3）三个温度阶段的反复循环，使样品内基因完成增殖。温控系统升降

温工作循环曲线如图1所示。

目前，PCR检测仪的变温方式主要有两种，分别是变温铝块及变温气流。其优缺点为变温

铝块方式应用比较广泛，升降温速率比变温水浴要快，但因PCR管与铝块不可能完全贴使之

温度均匀性较差。半导体制冷片变温结构简单，只需向半导体制冷片通电即可加热，改变电压

极性即可制冷，所以变温速度较快，但是半导体制冷片容易损坏。变温气流方式，即采用电热

丝进行加热，吹入冷空气进行制冷。通过调节功率输出的占空比，就可以调节温度的大小，从

而可以实现对温度的升温、降温和恒温的自动控制。另一方面，由于传递热量的介质为空气，

空气可以和样品之间实现无缝接触，从而样品溶液的吸热和散热的速度就会很快。

本研究设计并实现了一套适用于实时PCR仪的温度控制系统。系统采用变温气流的方式

进行加热，使用常规PID算法进行温度控制。升降温速度极快，实时性强、升降温周期短，为

研制商品化的实时定量PCR仪奠定了基础。

系统2.结构

温度控制系统的机械结构主体是一个风腔，采用电热丝加热，冷空气制冷。风腔设有进风

口和出风口，风门由步进电机控制，可以任意控制风门的旋转角度，从而达到通过风门改变腔

体内的空气流动特性，主要作用是让冷空气进入腔体，热空气从腔体流出，带走热量，达到制

冷的作用。腔体内部安装有横流风机，用于加快腔体内部的空气流动，在加热时保持腔体内部

空气温度的均匀，在制冷时加快空气流动达到腔体快速降温。腔体上设有装样品的盖口，用于

放置样品。腔体内部结构示意图如图2所示。

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温控控制系统的硬件执行部件主要包括一个横流风机、两个步进电机、两个霍尔信号传感

器、温度采集模块以及加热与制冷模块。图3是整个温度控制系统的具体组成框图。

温度控制包括制冷模块和加热模块，制冷模块主要包括两个风门、一个风机。两个风门分

为进风门和出风门，由步进电机控制。风机的主要作用是加快内腔空气流动，保持内腔温度均

匀一致，而在降温过程中吹动从风门进入的冷空气，并将风腔内的热空气吹出，达到空气制冷

效果。随着冷空气的不断进入，热空气的不断流出，样品温度会不断降低。加热模块主要包括

加热装置和加热控制电路两部分。本温控系统采用变温空气加热方式，加热装置选用的电热丝

的方式进行加热，而加热控制部分主要是对电热丝的通断控制，从而实现对加热量的控制。

对电热丝加热功率的控制采用PWM控制技术。图4是PWM控制示意图，ON是一个脉

冲周期内高电平持续时间，假设当单片机的I/O口为高电平时加热模块工作，则该PWM的占

空比=ON/脉冲周期。一般情况下加热的周期都是固定的，所以ON的大小直接决定了PWM占

空比的大小，进而影响加热器的功率。而通过模糊PID运算可以得到控制量u（k）的值，并

把u（k）的值转化为百分比，然后乘以周期时间，则可以得到ON值，从而得到该周期内加

热模块工作的时间，实现对温度的有效控制。

温度采集模块主要由温度传感器、温度变送器、A/D数据采集三大部分组成。由于本温控

系统控温范围在50℃～100℃，属于中低温测温范围，且对温度测量精度有较高的要求。基于

热电阻式温度传感器的测量精度