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M i c r o c o n t r o l l e r s &E m b e d d e d S y
s t e m s 2020年第2期w w w .m e s n e t .c o m .c n
快速变温的帕尔贴元件P C R
雷祝兵，孙云飞，潘欣裕，王俭，班建民
(苏州科技大学电子与信息工程学院，苏州215009电动车测功机
)*基金项目：国家自然科学基金资助项目(N o .61401297
)㊂摘要：传统的聚合酶链式反应仪器温度循环中高温向低温过渡的阶段，制冷性能差，导致实验周期较长㊂本文采用具有加热与制冷功能的帕尔贴元件，以自适应强的模糊P I D 作为温度控制的核心算法，并通过状态机方式切换制热与制冷功能，设计了一套实现快速变温的P C R 温控模块㊂关键词:P C R ；帕 尔贴；模糊P I D ;
状态机中图分类号:T P 29 文献标识码:A
D e s i g n o f P C R T e m p e r a t u r e C o n t r o l M o d e l B a s e d o n R a p i d T e m p e r a t u r e C h a n g
e P e l t i e r L e i Z h u b i n g ,S u n Y u n
f e i ,P a n X i n y u ,W a n
g J
i a n ,B a n J i a n m i n (S c h o o l o f E l e c t r o n i c a n d I n f o r m a t i o n E n g i n e e r i n g ,S u z h o u U n i v e r s i t y o f S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y
,S u z h o u 215009,C h i n a )A b s t r a c t :T h e t r a n s i t i o n f r o m h i g h t e m p e r a t u r e t o l o w t e m p e r a t u r e i n t h e t e m p e r a t u r e c y c l e o f t h e t r a d i t i o n a l p o l y
m e r a s e c h a i n r e a c t i o n (P C R )i n s t r u m e n t t a k e s a l o n g e r t e s t p e r i o d d u e
t o t h e l a c k i n g h i g h e f f e c t i v e r e f r i g e r a t i o n f u n c t i o n .I n t h e p a p e r ,a P C R t e m p
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I D a l g o r i t h m a s t h e c o r e a l g o r i t h m f o r t e m p e r a t u r e c o n t r o l ,a n d t h e s t a t u s m a c h i n e a s t h e h e a t i n g a n d c o o l i n g s w i t c h .K e y w
o r d s :P C R ;P e l t i e r ;f u z z y P I D ;s t a t u s m a c h i n e 引 言
传统的P C R 仪器,
加热部分采用电阻丝㊁陶瓷加热器㊁微波等，制冷部分采用自然冷却㊁风扇㊁压缩式制冷等，缺乏兼
并加热与制冷功能且体积较小的设备㊂P C R 的试验过程需要将反应试剂进行数十次低温与高温的循环，实
现核酸扩增，其中典型的高温区为96ħ，低温区为66ħ㊂帕尔贴(常称为半导体制冷片)的制冷功能在国内受到广泛应用，王秀芳等人设计了一款温度调节范围在-5~桑椹原浆
55ħ的智能理疗仪
[1]
；王晗等人设计了一种半导体制冷
循环冷却水处理
水杯[2]
；熊伟等人设计的帕尔贴加热器实现了37ħ与
65ħ的精确温度控制
[3]
；周世浩等人将半导体技术应用
于巧克力3D 打印技术[4]㊂本文将帕尔贴效应应用到
P C R 温度控制中，通过双温P C R 的温度测试分析了温控
的稳定性和温度变化速率㊂
多级帕尔贴元件的制冷性能强，但无法实现加热功
能，因此本文选择单级帕尔贴，型号为T E C 112712㊂给单级帕尔贴元件通以不同方向的直流电流，能够分别实现加热和制冷功能㊂
1 温控模块
1.1 温控模块结构超市手推车广告
帕尔贴制冷时，制冷面吸收外界热量并转移至另一面，需要将该热量及时散去，否则影响制冷效果㊂同理，帕尔贴制热时，也要保证另一面的温度不能过低㊂图1为温控模块结构图，帕尔贴的正面作为温控面，底面与散热
块图1 温控模块结构压铸机料筒的设计
之间涂一层导热硅脂，散热块下方安装风扇提高空气流通速率，稳定帕尔贴底面的温度，防止过高或过低㊂
1.2 模块框架
本文设计的框架如图2所示，将K 型热电偶的热端贴
在帕尔贴元件温控面，冷端经过R F I 滤波电路抑制线上拾
取的噪声，再由M A X 31856将热电偶小信号转换为数字信
号，通过S P I 方式传入S T M 32单片机，运行模糊P I D 算法，控制H 桥电路的输出电流方向和功率，从而控制帕尔贴元件加热或制冷以及调整功率大小，实现温度控制㊂
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