本發(fā)明屬于工業(yè)自動化控制領域，具體是一種應用于核酸擴增技術的溫控裝置。

背景技術：

核酸擴增是生命科學領域的常用研究工具，利用聚合酶鏈式反應(pcr)進行的核酸體外擴增是1983年開始發(fā)展起來的一項革命性技術，目前已被廣泛運用于現(xiàn)代化的農(nóng)業(yè)和醫(yī)學以及食品工業(yè)等領域，特別是在人類認知基因和基因組的過程中，體外核酸擴增技術做出了卓越的貢獻。

由于傳統(tǒng)pcr始終受儀器設備和電力以及空間等諸多因素的限制。近年來恒溫pcr技術已經(jīng)開始悄然興起。在過去10年中，若干恒溫核酸擴增技術得到快速發(fā)展，如sda技術、tma技術、hda技術、lamp技術和rpa/raa技術等。新技術的特點是在等溫條件下即可高效、快速、高特異、高靈敏地擴增靶序列。

無論是經(jīng)典、傳統(tǒng)的pcr基因擴增技術還是改進后的新技術，核酸擴增儀的核心是一個溫控設備，可以針對不同的反應要求來實現(xiàn)反應物在變性、復性、延伸不同階段的溫度和時間的控制。而由于溫控系統(tǒng)具有滯后性、時變性和非線性的特性,同時基因擴增儀對實驗溫度的準確性要求也更高，因此設計出一種能自動調(diào)節(jié)溫度以滿足實驗需求的設備就顯得尤為重要。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明結(jié)合國內(nèi)外溫度控制系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀以及核酸擴增的溫度要求，設計了一種體積便攜的溫度控制系統(tǒng)。它很好的解決了當前關于擴增儀制作成本高，操作復雜，控制精度不高的技術難題。

一種應用于核酸擴增技術的溫控裝置，該裝置包括熱蓋、試管、變溫金屬塊、導熱硅脂、半導體制冷片、散熱金屬片、散熱裝置、風扇、橡膠底座、全h橋驅(qū)動模塊、控制器、按鍵、顯示屏、箱體和溫度傳感器；

試管的頂部設有熱蓋，試管下半部分設置在變溫金屬塊內(nèi)，熱蓋和變溫金屬塊上設有溫度傳感器，變溫金屬塊底部設有半導體制冷片，半導體制冷片下方設有散熱金屬片，變溫金屬塊和半導體制冷片之間以及半導體制冷片和散熱金屬片之間涂有導熱硅脂；散熱金屬片下方設有通過風扇進行散熱的散熱裝置；所述的溫度傳感器的信號輸出端與控制器的溫度信號輸入端連接，控制器的驅(qū)動信號輸出端與全h橋驅(qū)動模塊驅(qū)動信號輸入端連接，全h橋驅(qū)動模塊的信號輸出端接半導體制冷片；所述的箱體底部設有橡膠底座；箱體的外側(cè)面上設有顯示屏和按鍵；所述的溫度傳感器型號為ds18b20。

一種應用于核酸擴增技術的溫控裝置的控制方法，該方法具體包括以下步驟：

步驟一：將傳感器檢測到的當前溫度值y傳送到控制器，設定溫度為x，則我們規(guī)定誤差e＝x-y以及誤差變化率ec作為控制器的輸入語言變量，控制驅(qū)動裝置的信號量u選作輸出語言變量。

步驟二：確定輸出量和輸入量的量化等級、量化因子以及論域。取三個語言變量的量化等級都為9級；采用非線性量化，故量化因子為非常量；溫度偏差e的基本論域選為{100,100}，選其模糊化時的論域為{3,3}，則量化因子為ge＝3/100＝0.03。偏差變化率ec的基本論域選為{10,10}，其模糊化時的論域為{3,3}，則量化因gc＝3/10＝0.3。輸出比例系數(shù)修正量δkp的基本論域選{0.24,0.24}，其模糊論域選為{3,3}，則量化因子為gp＝0.24/3＝0.08。積分系數(shù)修正量δki的基本論域為{0.06,0.06}，其模糊論域為{3,3}，則量化因子為gi＝0.06/3＝0.02。微分系數(shù)修正量δkd的基本論域為{0.03,0.03}，其模糊論域為{3,3}，則量化因子gd＝0.03/3＝0.01。

步驟三：在輸入和輸出語言變量的量化域內(nèi)定義模糊子集。選定的模糊論域全部為{3,3}，語言變量需選取7個語言值：nb，nm，ns，zo，ps，pm，pb。選取三角形隸屬度函數(shù)。

步驟四：確定模糊控制規(guī)則并建立模糊控制規(guī)則表。

步驟五：求出模糊控制表。根據(jù)建好的模糊控制規(guī)則表和隸屬度函數(shù)值，查出模糊推理器輸出的pid三個修正參數(shù)kp、ki、kd的模糊輸出值。

步驟六：控制器將經(jīng)模糊推理系統(tǒng)修正過參數(shù)的控制量輸出給驅(qū)動模塊。

步驟七：控制信號經(jīng)驅(qū)動模塊放大處理后輸出給熱電制冷器，實現(xiàn)對溫度的調(diào)節(jié)。

步驟八：判斷當前溫度是否達到設定定溫度值，是則執(zhí)行相應時間的定時以實現(xiàn)核酸擴增，否則循環(huán)執(zhí)行步驟一，對當前反應溫度繼續(xù)進行調(diào)節(jié)。

步驟九：在到達恒溫要求后，判斷設定的擴增時間是否滿足，是則結(jié)束溫度控制程序。否則跳轉(zhuǎn)到步驟八，在溫度達到動態(tài)平衡條件下執(zhí)行定時程序，直至設定的擴增時間滿足，結(jié)束擴增。

與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明具有如下特點：

1.生產(chǎn)成本低。隨著半導體制作工藝的不斷發(fā)展，選用更高效且實用的設計材料很好的控制了制作成本。

2.操作簡單，應用廣。盡管核酸擴增技術不斷更新發(fā)展，但其需要的核心技術沒有變。不論是早期的pcr擴增技術，或是新興的lamp和rpa擴增技術，均可在這一臺設備上通過人機交互界面進行切換或者自定義設置。

3.控制效果更佳。相比于傳統(tǒng)的pid控制，對溫度進行模糊pid智能控制可以得到更快的響應速度，更小的超調(diào)量和更強的抗干擾能力。

附圖說明

圖1模糊pid控制系統(tǒng)框圖；

圖2擴增儀結(jié)構示意圖。

具體實施方式

如圖2所示，一種應用于核酸擴增技術的溫控裝置，其特征在于：該裝置包括熱蓋1、試管2、變溫金屬塊3、導熱硅脂4、半導體制冷片5、散熱金屬片6、散熱裝置7、風扇8、橡膠底座9、全h橋驅(qū)動模塊10、控制器11、按鍵12、顯示屏13、箱體14和溫度傳感器15；

試管2的頂部設有熱蓋1，試管下半部分設置在變溫金屬塊3內(nèi)，熱蓋1和變溫金屬塊3上設有溫度傳感器15，變溫金屬塊3底部設有半導體制冷片5，半導體制冷片5下方設有散熱金屬片6，變溫金屬塊3和半導體制冷片5之間以及半導體制冷片5和散熱金屬片6之間涂有導熱硅脂4；散熱金屬片6下方設有通過風扇8進行散熱的散熱裝置7；所述的溫度傳感器的信號輸出端與控制器11的溫度信號輸入端連接，控制器的驅(qū)動信號輸出端與全h橋驅(qū)動模塊10驅(qū)動信號輸入端連接，全h橋驅(qū)動模塊10的信號輸出端接半導體制冷片；所述的箱體14底部設有橡膠底座9；箱體的外側(cè)面上設有顯示屏13和按鍵12；所述的溫度傳感器型號為ds18b20。

如圖1所示，一種應用于核酸擴增技術的溫控裝置的控制方法，該方法具體包括以下步驟：

步驟一：將傳感器檢測到的當前溫度值y傳送到控制器，設定溫度為x，則我們規(guī)定誤差e＝x-y以及誤差變化率ec作為控制器的輸入語言變量，控制驅(qū)動裝置的信號量u選作輸出語言變量。

步驟二：確定輸出量和輸入量的量化等級、量化因子以及論域。取三個語言變量的量化等級都為9級；采用非線性量化，故量化因子為非常量；溫度偏差e的基本論域選為{100,100}，選其模糊化時的論域為{3,3}，則量化因子為ge＝3/100＝0.03。偏差變化率ec的基本論域選為{10,10}，其模糊化時的論域為{3,3}，則量化因gc＝3/10＝0.3。輸出比例系數(shù)修正量δkp的基本論域選{0.24,0.24}，其模糊論域選為{3,3}，則量化因子為gp＝0.24/3＝0.08。積分系數(shù)修正量δki的基本論域為{0.06,0.06}，其模糊論域為{3,3}，則量化因子為gi＝0.06/3＝0.02。微分系數(shù)修正量δkd的基本論域為{0.03,0.03}，其模糊論域為{3,3}，則量化因子gd＝0.03/3＝0.01。

步驟三：在輸入和輸出語言變量的量化域內(nèi)定義模糊子集。選定的模糊論域全部為{3,3}，語言變量需選取7個語言值：nb，nm，ns，zo，ps，pm，pb。選取三角形隸屬度函數(shù)。

步驟四：確定模糊控制規(guī)則并建立模糊控制規(guī)則表。

步驟五：求出模糊控制表。根據(jù)建好的模糊控制規(guī)則表和隸屬度函數(shù)值，查出模糊推理器輸出的pid三個修正參數(shù)kp、ki、kd的模糊輸出值。

步驟六：控制器將經(jīng)模糊推理系統(tǒng)修正過參數(shù)的控制量輸出給驅(qū)動模塊。

步驟七：控制信號經(jīng)驅(qū)動模塊放大處理后輸出給熱電制冷器，實現(xiàn)對溫度的調(diào)節(jié)。

步驟八：判斷當前溫度是否達到設定定溫度值，是則執(zhí)行相應時間的定時以實現(xiàn)核酸擴增，否則循環(huán)執(zhí)行步驟一，對當前反應溫度繼續(xù)進行調(diào)節(jié)。

步驟九：在到達恒溫要求后，判斷設定的擴增時間是否滿足，是則結(jié)束溫度控制程序。否則跳轉(zhuǎn)到步驟八，在溫度達到動態(tài)平衡條件下執(zhí)行定時程序，直至設定的擴增時間滿足，結(jié)束擴增。

下面以三段式溫控要求為基礎的pcr核酸擴增為例，來詳細說明溫控裝置的工作過程。

pcr擴增技術分為三個溫控階段：

準備階段：以最快的時間達到設定溫度(60-65℃)，以滿足基因擴增的條件。

擴增階段：保持恒溫環(huán)境不變，單鏈dna進行擴增。

復性階段：使環(huán)境溫度上升到相應溫度(98℃)，在平穩(wěn)降溫至80℃，以實現(xiàn)變性dna重新聚合成雙鏈螺旋結(jié)構。

步驟一：按下開關按鍵k1啟動溫控設備。根據(jù)設定的擴增溫度t1＝65℃，迅速進行模糊pid溫度自動控制。

步驟二：判斷反饋溫度y(k)是否達到t1恒溫狀態(tài)，否則繼續(xù)執(zhí)行溫控調(diào)節(jié)，是則啟動延時子程序，用來控制擴增階段的溫控時間t1的長短。

步驟三：判斷t1＝30min恒溫時間是否到時，不滿足則繼續(xù)等待；滿足則將溫度設定值t2＝98℃賦值給t1，以新的溫度設定值再執(zhí)行模糊pid控制。(至此擴增階段結(jié)束)

步驟四：判斷反饋溫度y(k)是否達到t2值，否繼續(xù)執(zhí)行原pid控制，是則將t3＝80℃重新賦值給t1，以新的溫度設定值執(zhí)行pid控制。

步驟五：判斷反饋溫度y(k)是否達到t3值，否繼續(xù)執(zhí)行原模糊pid控制，是則輸出一信號驅(qū)動揚聲器報警，提示實驗結(jié)束，操作員按下開關按鍵k1關閉溫控設備(至此dna的復性過程結(jié)束)。

此外對于該設備的幾點說明和建議：

根據(jù)pwm控制基本原理:沖量相等而形狀不同的窄脈沖加在具有慣性環(huán)節(jié)上的時候其效果相同,因此在設計該系統(tǒng)硬件結(jié)構的時候采用的是do(數(shù)字量輸出)環(huán)節(jié)，而不是常用的d/a轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)。

作為改進方向，硬件方面可以附加sd卡電路，便于實驗數(shù)據(jù)的記錄存儲；此外亦可附加上藍牙模塊，從而實現(xiàn)無線傳輸和控制功能；或者對于溫度的異常變化添加超溫報警電路，從而更好地完善了設備的功能，使實驗檢測更加簡便。