STC單片機(jī)PCR測控系統(tǒng)

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所謂PCR（聚合酶鏈?zhǔn)椒磻?yīng)polymerasechainreaction），即體外基因擴(kuò)增技術(shù)，是將試管中標(biāo)本的單個復(fù)制的目的基因在短時間內(nèi)由人工復(fù)制到數(shù)千萬倍，從而對疾病發(fā)展過程中相關(guān)基因的變化特征進(jìn)行檢測的新技術(shù)。其原理是：先將含有所需擴(kuò)增分析序列的靶DNA雙鏈經(jīng)熱變性處理（溫度t1），解開為兩個單鏈，然后加入引物與互補(bǔ)DNA結(jié)合后，經(jīng)反鏈雜交復(fù)性（退火溫度t2），在聚合酶的作用下將引物延伸（溫度t3），使DNA重新復(fù)制成雙鏈。然后開始下一次循環(huán)擴(kuò)增，每次循環(huán)延伸的模板增加1倍，理論上PCR可以按2的n次方倍數(shù)擴(kuò)增，從而將極微量的靶DNA成百萬倍地?cái)U(kuò)增到足夠檢測分析量的DNA。

PCR的循環(huán)程序?yàn)椋?3℃變性30s，55℃退火20s，然后在72℃延伸30s，共循環(huán)30～35次。最后一次循環(huán)結(jié)束后，再將反應(yīng)管置72℃溫育5分鐘，以確保充分延伸。

綜上所述，PCR循環(huán)過程實(shí)際上就是一個溫度循環(huán)控制的過程。在我們的系統(tǒng)中，PCR熱循環(huán)采用單片機(jī)控制先進(jìn)的平面薄膜加熱技術(shù)和成熟的冰機(jī)致冷系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)快速升、降溫控制。考慮互換性和便于調(diào)試，溫度傳感器用鉑電阻Pt100，測溫精度達(dá)±0.2℃；溫度控制采用PID調(diào)節(jié)算法，控制精度達(dá)±0.3℃，有效地保證了PCR過程的實(shí)現(xiàn)。

硬件設(shè)計(jì)

1單片機(jī)系統(tǒng)

在這個系統(tǒng)中，我們選用了STC系列的STC12C5408AD單片機(jī)。這是高速、低功耗、超強(qiáng)抗干擾的新一代8051單片機(jī)，全部中國本土自主知識產(chǎn)權(quán)，指令和8051完全兼容，其中90%的指令僅用3個時鐘周期即可完成；內(nèi)有8KBFLASH程序存儲器，512BSRAM和12KBEEPROM，地址0000H～2FFFH；有ISP（在系統(tǒng)可編程）功能，無須專用編程器，通過串口可直接下載用戶程序。STC12C5408AD的管腳如圖1所示。

2溫度變送器

我們采用AD693信號變送器。AD693是一種具有信號放大、補(bǔ)償基準(zhǔn)電壓源、V/I變換等功能的單片集成電路，能夠和多種傳感器相配合，處理0～60mV之間的模擬量信號，并以（4～20mA＼0～20mA＼12±8mA）標(biāo)準(zhǔn)電流形式輸出到測量或控制系統(tǒng)。AD693的12-13短接時，測溫范圍為0～104℃，輸出電流為4～20mA。AD693的內(nèi)部基準(zhǔn)電阻為l00Ω，其溫度特性很好，可作為鉑電阻的接口用電阻。

鉑電阻Pt100的溫度特性曲線如圖2所示。

由圖2可見，鉑電阻Pt100與溫度的線性關(guān)系還比較好，但對于精密測量而言，應(yīng)依下列公式進(jìn)行處理。

0≤t

AD693和鉑電阻（Ptl00）組成的測溫電路如圖1所示。由圖可見，由于AD693的1-5，2-4腳短接，V5=75mV，因此流過鉑電阻（Ptl00）的電流為75mV/l00Ω=0.75mA，在+SIG端V（17）=75mV+RTD×0.75mA；V（17）與V（18）的電壓差經(jīng)AD693電壓放大和V/I轉(zhuǎn)換，得到4～20mA的電流輸出，再經(jīng)250Ω精密電阻，得到1～5V的輸出電壓V0。

3A/D轉(zhuǎn)換TLC2543

STC12C5408AD單片機(jī)本身雖有10位A/D轉(zhuǎn)換功能，但我們需要更加精密的器件，因此選用TLC2543芯片。TLC2543是TI公司的12位串行模數(shù)轉(zhuǎn)換器，使用開關(guān)電容逐次逼近技術(shù)完成A/D轉(zhuǎn)換過程，在工作溫度范圍內(nèi)轉(zhuǎn)換時間10μs。由于是串行輸入輸出結(jié)構(gòu)，能夠節(jié)省51系列單片機(jī)I/O資源；且價格適中，分辨率較高，因此在儀器儀表中有較為廣泛的應(yīng)用。

如圖4所示，TLC2543與電路的連線簡單，三個控制輸入端為CS（片選）、輸入/輸出時鐘（I/OCLOCK）以及串行數(shù)據(jù)輸入端（DATAINPUT），一個串行數(shù)據(jù)輸出端（DATAOUT）和一個轉(zhuǎn)換結(jié)束輸出信號EOC。有11個輸入通道AIN0～AIN10，我們選擇AIN0，接AD693輸出電壓VO。采樣-保持是自動的；轉(zhuǎn)換結(jié)束，EOC輸出變高，轉(zhuǎn)換結(jié)果由輸出端（DATAOUT）串行輸出，第一個數(shù)據(jù)輸出發(fā)生在EOC的上升沿（不用CLK驅(qū)動），其他位發(fā)生在I/O時鐘的下降沿后?；鶞?zhǔn)電壓端REF+接VCC，REF-接50℃時對應(yīng)的輸入電壓VO（50），低于VO（50）的輸入電壓的轉(zhuǎn)換結(jié)果為全0，最大輸入電壓范圍取決于兩端電壓差，這樣，就將輸入溫度范圍縮小到50℃～104℃，從而提高了A/D分辨率。

4溫度控制接口電路

系統(tǒng)的溫度控制如圖5所示，由兩路固態(tài)繼電器（SolidStateRelay，縮寫SSR）來實(shí)現(xiàn)。SSR輸入控制電路具有與TTL/CMOS兼容，正負(fù)邏輯控制和反相等功能，可以方便地與TTL、MOS邏輯電路直接連接。固態(tài)繼電器的輸入與輸出電路的隔離和耦合方式有光電耦合和變壓器耦合兩種：光電耦合通常使用光電二極管-光電三極管、光電二極管-雙向光控可控硅、光伏電池，實(shí)現(xiàn)控制側(cè)與負(fù)載側(cè)隔離控制。SSR的功率開關(guān)直接接入電源與負(fù)載端，實(shí)現(xiàn)對負(fù)載電源的通斷切換。一路SSR通過平面薄膜加熱進(jìn)行升溫控制：由于SSR內(nèi)部有過零觸發(fā)電路，因此很容易就可實(shí)現(xiàn)完整的周波控制，避免了非周波控制的高次諧波干擾，從而提高了系統(tǒng)的可靠性；另一路SSR直接控制冰機(jī)致冷系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)快速降溫控制。

軟件設(shè)計(jì)

1Pt100溫度與A/D轉(zhuǎn)換值

由溫度、Pt100電阻值、輸出電壓VO、A/D轉(zhuǎn)換值的一一對應(yīng)關(guān)系，我們事先制作了A/D轉(zhuǎn)換值與溫度的對應(yīng)關(guān)系表，存儲在STC12C5408AD的12KBEEPROM中；單片機(jī)在運(yùn)行時，由A/D轉(zhuǎn)換值可直接查出對應(yīng)的溫度值，從而節(jié)省了大量的計(jì)算時間。調(diào)試時，我們又發(fā)現(xiàn)，升溫至69℃和90℃之前，以及降溫至58℃之前，P15和P16分別都處于低電平狀態(tài)，即全導(dǎo)通狀態(tài)；只有當(dāng)升/降溫到了距目標(biāo)值還差3℃之后，系統(tǒng)才進(jìn)入PD調(diào)控區(qū)。因此，我們只要將54～58℃、69～73℃和90～94℃三個區(qū)間按0.1℃的精度制作A/D轉(zhuǎn)換值與溫度的精確對應(yīng)關(guān)系表，每個區(qū)間40個分度，三個區(qū)間共120個分度，每個分度3字節(jié)，共360字節(jié)，這樣我們就完成了一個非常精致的A/D轉(zhuǎn)換值與溫度的精確對應(yīng)關(guān)系表，既節(jié)省了存儲空間，又減少了查表的寶貴時間。

2控制算法

溫度控制一搬采用PID調(diào)節(jié)算法，即比例、微分、積分算法。在我們的系統(tǒng)中，由于要控制溫度的介質(zhì)質(zhì)量少，恒溫時間短，調(diào)節(jié)速度快，因此采用PD調(diào)節(jié)算法，即比例、微分算法。當(dāng)升/降溫距目標(biāo)值還差3℃之前，P1.5和P1.6分別都處于低電平狀態(tài)，即全導(dǎo)通狀態(tài)；當(dāng)升/降溫到了距目標(biāo)值還差3℃之后，系統(tǒng)才進(jìn)入PD調(diào)控區(qū)。

為減少設(shè)計(jì)工作量，提高程序運(yùn)行速度，我們直接用溫度的A/D轉(zhuǎn)換值作程序參數(shù)，如用AD55、AD72、AD93分別作目標(biāo)溫度的A/D轉(zhuǎn)換值，用AD58D、AD69D、AD90D分別作與目標(biāo)溫度前3℃的偏差絕對值的A/D轉(zhuǎn)換值，用AD553D、AD723D、AD933D分別作與目標(biāo)溫度±0.3℃偏差絕對值的A/D轉(zhuǎn)換值等，匯編時分別用偽指令賦值。

控制周期設(shè)為40ms，用定時器0設(shè)40ms中斷來控制。

中斷服務(wù)程序

1）首先執(zhí)行七次連續(xù)溫度采集，并對其進(jìn)行排隊(duì)、取中值，作為本輪溫度采集值，存入RAM60H61H，并作為FIFO隊(duì)列的數(shù)據(jù)N0，高字節(jié)在高位；

2）計(jì)算與目標(biāo)溫度的偏差。

當(dāng)偏差≥目標(biāo)溫度前3℃的偏差的A/D轉(zhuǎn)換值A(chǔ)DXXD時，P1.5或P1.6處于低電平狀態(tài)，即全導(dǎo)通狀態(tài)；

當(dāng)偏差

當(dāng)偏差≥目標(biāo)溫度±0.3℃偏差絕對值的A/D轉(zhuǎn)換值A(chǔ)DXX3D時，計(jì)算FIFO隊(duì)列的數(shù)據(jù)N0與N-4的隊(duì)列偏差；

當(dāng)偏差大而隊(duì)列偏差小，說明系統(tǒng)偏離目標(biāo)較大，且進(jìn)展較慢，必須加大調(diào)控量，P1.5或P1.6處于低電平狀態(tài)40ms，即全導(dǎo)通狀態(tài)；

當(dāng)偏差大而隊(duì)列偏差亦大時，說明系統(tǒng)偏離目標(biāo)較大，但進(jìn)展較快，必需減少調(diào)控量，P1.5或P1.6處于低電平狀態(tài)20ms，即半導(dǎo)通狀態(tài)，否則容易超調(diào)；

當(dāng)偏差較小而隊(duì)列偏差大，說明系統(tǒng)偏離目標(biāo)較小，且進(jìn)展較快，必須停止調(diào)控，P1.5或P1.6處于高電平，即全截止?fàn)顟B(tài)；

當(dāng)偏差較小而隊(duì)列偏差亦小，說明系統(tǒng)偏離目標(biāo)較小，但進(jìn)展較慢，可作小調(diào)控，即P1.5或P1.6處于低電平10ms，即半波導(dǎo)通狀態(tài)；

當(dāng)偏差

PD控制流程如圖6所示。

3）FIFO隊(duì)列的數(shù)據(jù)按先進(jìn)先出原則處理：該隊(duì)列共保留五組數(shù)據(jù)，按N0，N-1，…，N-4分別存在60H61H，…，68H69H中，此時，從高位起，將每字節(jié)高移兩字節(jié)，即69H移入6BH，68H移入6AH，…，61H移入63H，60H移入62H，將