PCR基因扩增仪温度控制系统硬件电路设计.docx
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PCR基因扩增仪温度控制系统硬件电路设计
西安工业大学北方信息工程学院
本科毕业设计（论文）
系别电子信息系
专业口动化
班级
姓名
学号
导师
年月
毕业设计（论文）任务书
系别电子信息系专业自动化班姓名学号—
1•毕业设计（论文）题目：
PCR基因扩增仪温度控制系统硬件设计
2.题目背景和意义：
聚合酶链反应（PCR）,又称无细胞克隆技术，是一种对特定的DNA片段在体外进行快速扩增的新方法。
该方法具有产率高、快速、简便、重复性好等突出优点，在分子生物学、疾病诊断、免疫学以及基因组工程等领域有非常广泛的应用。
PCR仪性能好坏将直接影响PCR的效果。
PCR仪的性能指标主要有温度控制指标和荧光检测系统指标两大类。
温度控制指标包括控温范闱、升降温速度和控温精度，这些指标直接影响到基因扩增的速度和效果。
因此对PCR仪温度控制系统进行研究和设计，提高国产PCR仪的性能,対促进我国生命科学仪器的发展和其他研究领域的应用具有现实和深远的意义。
3.设计（论文）的主要内容（理工科含技术指标）：
主要内容：
1.研究一种适合于PCR仪的温度控制系统，根据PCR仪的工作原理确定温度控制系统的总体设计方案：
2.设计并制作仪PCR温度控制系统的硬件电路，包括温度采样电路、半导体驱动电路、单片机系统等。
技术指标：
温度范闱：
40〜98°C：
升降温速度：
升温速度3°C/s,降温速度2°C/s；
精度：
±0.4°C
4.设计的基本要求及进度安排（含起始时间、设计地点）：
基本要求：
（1）分析、掌握该课题总体方案，广泛阅读相关技术资料，并提出自己的见解。
（2）了解了PCR仪的基本工作原理，并对■其温度控制技术进行了理论分析和研究。
（3）设计硬件系统，绘制系统原理图和PCE图。
进度安排：
1〜3周：
针对原理及应用范闱、主要技术难点等查阅资料，熟悉课题总体方案。
4〜7周：
确定系统功能，论证总体方案，确定关键部件的型号，并对部分电路进行实验。
8〜14周：
画出电气原理图和印制版图，完成硬件电路设计、制作调试。
15〜18周：
整理资料、撰写论文。
5.毕业设计（论文）的工作量要求
1实验（时数）或实习（天数）：
100时
2图纸（幅面和张数）：
A4X2
3其他要求：
论文：
15000字以上；外文翻译：
5000字以上
指导教师签名：
年
月
口
学生签名：
年
月
口
系（教研室）主任审批：
年
月
口
PCR基因扩增仪温度控制系统硬件电路设计
摘要
生命科学仪器的发展为生命科学提供了有效工具和强有力的研究手段。
使其从细胞水平上的研究飞跃发展到分子层次上的深入研究。
离开这些现代化生命科学仪器的支撑，许多重大的研究项目和工程都将举步维艰。
PCR仪器是一种应用广泛、十分重要的生命科学仪器。
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中作为基因扩增分析的首选仪器设备。
本设计釆用半导体制冷器作为PCR仪的加热制冷元件，对半导体制冷器的工作原理进行分析，根据其工作原理确定系统的总体设计方案。
但是，由于PCR加热腔内部的温度存在非线性和不确定的因素，再加上外界的干扰，对控制方法提出了更高的要求。
为此，本文设计根据加热腔实际的温度，通过模糊规则进行推理和决策，在线整定PID控制器的3个参数，实现对加热腔的温度控制；设计并制作PCR温度控制仪的硬件电路，包括温度釆样电路、半导体驱动电路、单片机系统、显示电路等。
关键词：
PCR反应仪；半导体制冷器；温度釆样
PCRGeneAmpliflcationInstrumentTemperatureControl
SystemHardwareCircuitDesign
Abstract
DevelopmentsofLifeScienceListnimentshaveprovidedeffectivemeansforLifeScience.Itmipiovedthelifescienceresearchingfiomthecellleveltomoredeeplylevel,themolecularlevel-.WithouttheseLifeScienceInstruments，•Lotsofgieatresearchprojectswillbeveiydifficultbemgearnedout.PCRisanunpoitantandwidelyusedlifesciencemstnunent・Itiswidelyusedmbiochemicalanalysis,clinicaldiagnosis,PhaimaceuticalAnalysis,forensicldentifvmg,fasttestofepidemicsituationandSOon・
Inthispaper.anewmethodofproducingcooledgasbysemiconductorrefiigerationequipmentwasproposed・Theworkingpimcipleofsemiconductorrefiigerationispresented・Accoidmgthewoikingpimciple,thesystemschematicisputfonvaid•TheHeatedCavityofPCRsystemisanonlmearsystemwithunceitaintv.anditiseasilytobeinteifered-Soitneedsthecontrollerhavingagoodpeifoniiance.ForthesereasonsanewMzzy一PIDcontrollei-isproposeduithisthesis.BysettingthetlueeparameteisKP,KI,KDonlmeaccoidmgtotheresultsoffiizzyreasoninganddecision—making,thenewfiizzy—PIDcontrollefhasbetterresponserateandstabilitypropertythanthegeneralPLDcontroller・Theexpenmentuidicatesthatthecontrollefgetsthegoodresult.ThecircuitsofPCRarepresenteduithesis,includmgtemperaturesamplingrdnvmgcircuitofsemiconductoi\MCUsystem,displayciicuitetc•
KeyWord：
PCRlnstiiunentation;PIDcontioller;Tempeiatuiesampling
II
1绪论1
1.1概述1
1.2研究背景2
1.3研究意义3
1.4目前研究情况3
1.5本文主要研究工作4
1.6本文的章节安排4
2PCR技术的介绍5
2.1PCR产生及原理5
2.1.1PCR技术的产生5
2.1.2PCR技术的原理7
2.2PCR技术的应用7
2.3硬件总体构架方案7
3PCR仪温度控制硬件设计9
3.1系统的构成和工作原理9
3.2CPU控制器模块11
3.3LCD液晶显示和键盘输入模块12
3.3.1液晶显示器驱动电路设计12
3.3.2键盘驱动电路设计15
3.4温度数据釆集模块设计16
3.4.1温度传感器16
3.4.2温度检测电路的设计17
3.5半导体驱动模块设计18
3.5.1输出控制方式18
3.5.2半导体制冷器介绍19
3.5.3隔离环节21
3.5.4功率驱动电路的设计
IV
"lO]29
毕业设计（论文）知识产权声明30
毕业设计（论文）独创性声明29
附录1PCB板30
附录2原理图31
IV
1绪论
1绪论
1.1概述
基因扩增即PCR（PolymeraseChainReaction）技术于1985年问世并在1993年获诺贝尔化学奖，它是一种模拟天然DNA复制过程、在体外快速特异地扩增DNA片断的一项高新生物技术。
PCR技术具有特异、灵敏、快速、经济等特点,被认为是二十世纪末分子生物学领域重大技术突破之一，它的出现为DNA检测技术带来一场巨大的革命，开辟了基因诊断临床应用的新纪元。
基因扩增仪就是用于对遗传基因一一DNA分子链进行分析的仪器，可广泛应用于生物技术、医学、遗传学、人类学、考古学和环境保护等领域。
例如对人类疑难病症特别是癌症、遗传性疾病和传染性疾病等病原体的早期诊断及肿瘤发病机理的研究和临床应用，对农作物、水产、家畜等品种的改良，最重要的途径之一就是掌握动植物发育、生长的内在决定物质——遗传基因，即需要用PCR技术研究分析动植物体内的DNA分子链。
基因扩增仪是这些研究、实验及应用中最重要的仪器，因此国内外都在这方面开展了广泛的研究。
1.2研究背景
分子生物学技术正以惊人的速度发展，特别是近20年來己经成为生命科学的一个主要的生长点。
1976年cDNA克隆技术的建立，使分子生物学更加迅速广泛地渗透到医学各学科，发展了各学科的分子理论基础。
1985年Mullis首先描述的多聚酶链反应（PCR,PolyineiaseChamReaction），使一向昂贵、繁杂、严格的分子生物学试验能够在比较简易、经济的条件下有效的开展，是基因分析技术的一项重大突破。
这一技术在很短的时间里即风行全球，不同学科的科学家都蜂拥而上，在近年形成了分子生物学领域的热潮，期望凭借这一工具來提高研究水平，解决所面临的一些难题。
早在四十年以前人们对遗传基因的化学本质并不清楚，后來发现脱氧核糖核酸（DNA）是遗传信息的主要载体。
DNA的基础构成单位是核昔，核昔的排列顺序规定遗传密码并形成了基因。
DNA是双螺旋结构，以半保留的方式进行复制的，1958年Meselson证实了DNA半保留复制模型。
60年代对基因表达和调控研究乂取得很大进展，从细胞中分离目的基因并在体外克隆和表达受到人们的普遍关注。
由于对DNA连接酶及限制性内切酶的合理使用，DNA重组到质粒或噬菌体载体中，在细菌中表达成为70年代基因克隆的最常用技术。
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Kliorana（1971）等提出在体外经DNA变性，与适当引物杂交，再用DNA聚合酶延伸，克隆DNA的设想，由于当时不能合成寡核昔酸及DNA测序等困难而受阻。
直到1985年，美国Cetus公司人类遗传研究室的年轻科学家KaiyB.Mullis发明了PCR技术，使Kliorana的设想得到实现。
Saiki首次描述利用PCR方法扩增人珠蛋白DNA,并用于镰刀状红细胞贫血的产前诊断。
Mullis最初建立的PCR方法使用三种温度的水浴进行实验，所用大肠杆菌DNA聚合酶I的KLENOW片段催化复性引物的延伸，由于该酶不能耐受使DNA变性的高温，所以每一轮反应都需添加新的酶，产量不高且操作繁复，对实验操作要求较高，无法推广使用。
1988年Saiki等将耐热DNA聚合酶（Taq）引入了PCR技术。
由于Taq酶能够耐受97.5°C加热5-10分钟，因此使DNA变性的94°C加热不使其失活，整个反应只加一次酶即可，并且高温反应也增加了扩增的特异性和效率，易于自动化进行。
Mullis因其杰出的贡献，1993年获诺贝尔化学奖。
1.3研究意义
PCR技术以其自身巧妙的原理有与众不同的特点，高特异性、高敏感性及简便快捷使其成为基因诊断首选的技术之一。
（1）高特异性，PCR扩增严格遵守碱基配对原则的半保留复制。
半保留复制是世界上最严格的复制方式之一，其新合成的子链与模板形成完全互补的镜像结构，从而充分保证了复制的准确性。
另外，由于碱基互补原则，只有当引物与目的基因完全互补时，反应体系中的引物才能与模板产生复性，引物的延伸才得以进行，因此引物与模板的互补是复制的最基本条件，这从另一方面规定了PCR反应的高特异性。
在生物界中，某种基因总有它最保守的、最具特征性的基因区段，它是某些生物，或某些型、亚型等功能分型所特有的。
若能正确地选择这一区域作为扩增的目的基因，便可以充分地保障PCR检测的高度特异性。
（2）高敏感性，在PCR反应中模板DNA以指数级迅速增加，扩增反应前期进入以指数级迅速增加，扩增反应后期进入平台反应期，一般经过30个循环即1—2小时内可以将靶序列增加百万倍以上，可以将微量的目标物（fgDNA）检测出來。
过去采用的一些微量检测法，如酶联免疫吸附实验（ELISA）和放射免疫分析（RIA）其灵敏度分别为陛级和pg级，而PCR可达fg级，理论上可以检出病原体的单拷贝基因的存在。
（3）简便快捷，Taq酶的使用使PCR技术可以自动化完成，各种高效PCR仪相续问世使PCR操作可以在基层单位的实验室中顺利完成。
在PCR的实际应用中，许多技术得到改进，扩增反应体积减少，多种成分预先混合减少加样步骤，这些简化步骤大多不影响PCR的扩增效果。
特别是本公司率先研制的单管单人
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份的PCR试剂，使操作者节省时间精力，而且乂不易污染，充分满足了临床快速诊断的要求PCR技术对样品要求低，不必严格纯化模板DNA,几乎所有的临床样本都能用于PCR扩增，本公司设计的一步法提取模板使临床PCR检测更加简便易行。
1.4目前研究情况
现在的PCR仪如ABI、Eppendorf的一般具有两种温控模式，即模块温控模式（Block-coimol）和反应管温控模式（tube-control）。
在模块温控模式下，机器根据探测器直接探测的温控模块（即承载样品的金属台）的温度进行控制，这种模式适用于长时间的静态孵育（如连接、酶切、去磷酸化等）。
反应管温控模式实际上是一种模拟试管/PCR板的温控模式，根据探测器所探测到的温控模块的温度由计算机计算出管内/PCR板孔内样品液的温度來进行控制。
一般说來，试管温控更为准确，因为管内样品的温度无法与温控模块同时达到预设温度。
特别是PCR反应中的孵育过程一般都很短暂（30秒或更短），如果釆用只有模块温控模式的话，反应混合物孵育的时间与程序设定的时间会有相当大的差距。
而反应管控制精确的算法能自动补偿时间，而且适合各种类型的反应管，确保反应物按照程序设定的时间维持预设温度。
这里要表扬的是ABI——因为他们的宣传资料很老实的指出，模块升降温速度高达3.5°C，样品的实际平均升降温度是1°C左右,而且ABI的PCR仪中显示的温度也是计算出來的样品温度而非温控模块的温度。
我们看到过有的品牌代理做的宣传资料中故意引用ABI的“样品实际平均升降温速度”去和自己的模块升温速度比较，未免有失公允。
1.5本文主要研究工作
本文只要是对PCR仪硬件电路的设计，包括：
a.设计具有低损耗的功率驱动电路，并且可以实现正负控制；
b.设计温度釆集电路，选取适当的温度传感器，设计能够辅助温度传感器正确工作的温检电路。
1.6本文的章节安排
本论文内容共分五章：
第一章绪论，在总体上介绍PCR仪的研究背景和意义，及目前世界研究的现状；之后讲解本课题的研究内容和安排。
第二章PCR技术原理与应用，这一章首先介绍PCR技术的工作原理，然后介绍系统的工作过程和基本原理。
第三章PCR仪温度控制系统的硬件设计，硬件设计是软件实现的基础，这
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一章主要讲解设计硬件的主要部分：
功率驱动放大电路、温度检测电路等。
第四章PCB布板，这一章主要是对设计好的电路进行PCB布板，主要涉及到的是PCB板的选择和电路的合理规划。
第五章总结及体会，这一章是对论文工作的总结及本设计做完之后的感想。
2PCR技术的介绍
2PCR技术的介绍
2.1PCR产生及原理
2.1.1PCR技术的产生
a.PCR技术产生的社会环境：
PCR技术的产生不是在某大学的实验室，而是在80年代的美国的一个生物技术公司西特斯公司。
发明者为此公司的穆特斯（1944年12月28日出生于北卡罗來纳州的勒诺，1962年佐治亚理工学院专攻化学工程，1966年加州大学伯克利分校攻读生化专业的博士学位，1972获生物化学博士学位）。
公司其他科学家和技术人员在造就PCR的理论到技术的实现过程起了关键的作用。
PCR此技术的产生于这样的社会背景，生物技术产业起于20世纪70年代“遗传工程”“重组DNA”“克隆”等这个科学技术进步的产物，以效率和创造性为标志的新纪元，在一连串各自发中，为科学和商业提供了声望和商机，在科学进展于新产品开发和卫生保健行业发展新开传奇直接挂钩这个投资氛围下，分子生物学在美国蓬勃发展起来，也产生了孕育PCR技术的大环境：
（1）“重组工程”或统称为“操作”其他分子技术的重大突破
（2）具备了鼓励科研成果快速向应用问题转化的法规环境，修订了积极推动科学界和工业界将发明创造商业化的专利法
（3）政府资助的研究与寻求投资的风险资本密切结合，为分子生物学研究和开发奠定了雄厚的基础。
b.PCR思想与技术产生过程：
（1）PCR思想的酝酿期：
1979年穆利斯为DNA合成实验室主任，主要任务加速和优化寡核昔酸合，穆利斯尝试修改化合途径的参数，发现人们对聊执的变形和复性过程知之共少，他首次研究DNA变性的温度与时间关系，希望通过一系列计算机程序，来预测某个特定序列的解链温度，经过实验认为温度变化的速率对碱基之间的结合、分解儿乎没什么影响，结论是单链寡核昔酸很快就能结合成双键。
当时，一家名为生物研究的公司制造出了第一台合成DI、JA的原型样机，穆利斯的朋友多肽化学家库克为他搬了一台样机，虽这机器不很成功，但可节约大量时间，把平时一个月的工作压缩到一天完成，穆利斯对这台机器改进提出了许多建议，他热衷于编写新程序，有了这台仪器他的实验室成了生物技术界最早实现DI、IA合成仪自动化的单位之一，工作效率的提高，
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穆刺斯把更多的时间用在计算机上，穆利斯逐渐被计算机程序的“循环”的迭代过程所吸引，这个理论对生化学家是新奇的，他们很少考虑为什么要再而三的重复某个过程，所以无论公司还是在家他都摆弄迭代问题，这为他开始思考指数扩增问题一PCR理论中关键部分做到了思想基垫。
穆利斯用少量的目标來鉴定高度复杂的目标的特定序列，思绪终于IXqA聚合酶和DNA测序联系到了一起。
（2）PCR实验摸索期：
1983年9月8日所进行第一次PCR的实验，穆利斯选择了人神经生长因子基因作为目标序列，试验结论没证明也没推翻PCR的所有理论。
10月进行“PCR02”号实验将第一次实验改为5到10个循环分步加热反应冷却后再加聚合酶括延模板，但结果仍失败，后两个月他试图集中精力解决一些老问题，12月他开始用不同限制酶处理DNA模板，希望建立测定高温条件下核昔酸用量及凝胶检测最佳效果的定量关系。
穆利斯换了一个容易得到较为简单的pBR322质粒作为模板，此细菌E小姨的扩增比人DNA容易得到而且选择了很小的模板D1蛆段，乂进一步减少反应体积，增高反应成分浓眨，复兴温度降到320C,在10次循环后停止反应，实验结果是PCR确实产生了一个条带但太浅不显著。
为了取得更高灵敏度试着增加了儿个加热和冷却循环，最后一个加入了放射性示踪物（dcrP）,这次实验进步很大。
激动不己繁荣穆利斯把当时西特斯唯一专利法律师阿绿安拽到暗室让他检查放射自显影图，没有对照实验，结果不很清晰但确实有条带。
（3）PcR技术的成型期：
1984年6月西特斯公司怀特决定，免去穆利斯DNA合成实验室主任现他在一定时间内把PCR这个课题做好，他为穆利斯制定明确目标和工作时间表，怀特建议厄利克和安海姆组建“PCR组”，日常工作由厄利克和安海姆共同负责，并建议用人类基因组功姐做模板。
PCR组成人员不但互相交流实验数据而且乐意听取建设性意见，提出各种旨在早日完成任务的实验策略。
1984年11月15日实验在全组人员共同努力下PCR扩增得到了分子量与期望值完全相符合的产物，至此PCIR奏效已确造无疑。
但以后几个月继续做了许多，一些成功一些失败，1984年冬到1985年春，研究组认为结果令人鼓舞，但不十分确定，这时，厄利克合安海姆决定让公司技艺精湛的实验技术师才木完全投身PCR组工作，事实证明这是一个非常有眼光的决定，因为有关PCR的一篇论文中儿乎所有工作者都是才木亲手完成的。
1985年3月28日公司申请了有关PCR的第一个专利。
2.1.2PCR技术的原理
PCR由变性-退火-延伸三个基本反应步骤构成：
a.模板DNA的变性：
模板DNA经加热至93°C左右一定时间后，使用模
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板DNA双链或经PCR扩增形成的双链DNA解离，使之成为单链，以便它与引物结合，为下轮反应作好准备；
b.模板DNA与引物的退火（复性）：
模板DNA经加热变性成单链后，温度降至55°C左右，引物与模板DNA单链的互补序列配对结合；
c.引物的延伸：
DNA模板-引物结合物在TaqDNA聚合酶的作用下，以dNTP为反应原料，靶序列为模板，按碱基配对与半保留复制原理，合成一条新的与模板DNA链互补的半保留复制链重复循环变性-退火-延伸三过程，就可获得更多的“半保留复制链”，而且这种新链乂可成为下次循环的模板。
每完成一个循环需2〜4分钟，2〜3小时就能将待扩目的基因扩增放大几百万倍。
到达平台期所需循环次数取决于样品中模板的拷贝。
2.2PCR技术的应用
（1）不对称PCR制备单链DNA用于DNA测序；
⑵反向PCR测定未知DNA区域；
（3）反转录PCR（RT-核酸的基础研究：
基因组克隆；
（4）PCR用于检测细胞中基因表达水平、RNA病毒量以及直接克隆特定基因的cDNA；
（5）荧光定量PCR用于对PCR产物实时监控；
（6）cDNA末端快速扩增技术；
（7）检测基因的表达；
（8）医学应用：
检测细菌、病毒类疾病；诊断遗传疾病；诊断肿瘤；应用于法医物证。
2.3硬件总体构架方案
温度控制是一类具有滞后性的控制系，所以在设计仪器的硬件控制系统系统时就要考虑到采用一些集成性提较高体积小同时性价比较好的元件。
在任何精密电子仪器的硬件系统开发设计当中，都有一定的基础原则：
（1）稳定性和可靠性。
这是每个控制系统都首要保证的，在硬件方面体现在选择适当的元件类型，采取抗干扰措施防止误差积累。
（2）速度与精度。
按系统要求误差分配各个部件模块所允许的误差，尽量选择同等价位的高精度元件。
（3）功耗。
采用低功率器件并合理设计功率电路，减小制版面积，提高电路本身的抗干扰性能。
根据以上原则，PCR仪硬件温度控制系统的总体设计框图如图2.1所示。
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