DNA扩增仪中温控系统的设计

作     者：李晓 

作者单位：长春理工大学 

学位级别：硕士

导师姓名：于源华

授予年度：2022年

学科分类：0831[工学-生物医学工程（可授工学、理学、医学学位）] 08[工学] 

主      题：DNA扩增仪 温控系统 MIMO 神经网络 PID算法 

摘      要：2020年全球爆发新冠疫情,核酸检测由于其早期灵敏的特点,成为了全球新冠检测的金标准。核酸检测首先要进行DNA扩增。DNA扩增仪从第一代普通DNA扩增仪到实时荧光定量DNA扩增仪,再到数字式DNA扩增仪,其核心技术是温控系统的设计与开发,受到了国内外政府与学者的关注。本人在前期的研究基础上,对温控系统进行优化创新。主要研究内容如下:建立DNA扩增仪温控系统的三维模型;采用温度场有限元分析法对系统关键部位进行分析,通过模拟优化96孔板样品块的结构提高了温度均匀性;建立散热器流固耦合温度场,判断散热器翅片方向对散热效果的影响;采用步进电机滑台与热盖结合的方式实现热盖自动化控制。通过设计优化系统的硬件电路,采用H桥控制串联型大功率半导体制冷片;利用MAX31865芯片精准检测PT100铂电阻;设计小功率双MOS管耦合开关电路控制电阻丝、风扇。通过热传导理论分析,建立热量在介质中传导的动态微分方程及传递函数;根据传递函数,通过Z-N法则,利用PIDtuner辅助计算,设计了一种高精度PID控制器;利用三层神经网络,建立双通道耦合反馈,设计出多输入多输出(MIMO)神经网络PID系统。通过调节PWM占空比实现对系统升降温的控制,利用SPI通讯、CAN通讯以及串口通信,实现系统的数据传输。实验结果表明,最大升温速率为6.02℃/s,最大降温速率为5.18℃/s,得到的温控精度为0.2℃,平均温差为0.2℃,与实验室已有的DNA扩增仪的实验结果进行电泳实验,核酸条带相近,满足行业设计标准,达到国家要求,为后续开发提供借鉴,进一步促进医疗仪器和生物检测仪器行业的国产化进程。