本發(fā)明涉及自動化控制領域，尤其涉及一種便攜式致病菌核酸提取裝置及檢測方法。

背景技術(shù)：

近年來，食品安全事件頻發(fā)，如法國的李斯特氏菌病事件、美國的沙門細菌污染事件、香港的禽流感事件以及最近流行的h1n1事件等，食品安全問題已成為不可忽視的世界性問題。為從源頭遏止帶病菌原生食品流入生產(chǎn)，以及從終端把關即將流入市場的食品，這就迫切需要快速檢測技術(shù)以及快速檢測系統(tǒng)，尤其是用于基層檢測的便攜式快速檢測系統(tǒng)。在便攜式快速檢測系統(tǒng)的發(fā)展中，一個較為致命的問題，則是病菌核酸提取裝置難以運用到現(xiàn)場檢測中?，F(xiàn)今越來越多的快速檢測設備，比如日本榮研化學研制的實驗室lt-16alpha恒溫擴增基因檢測系統(tǒng)，英國opitigene公司推出的genieii等溫擴增熒光檢測系統(tǒng)，這類檢測系統(tǒng)沒有病菌前處理功能，只能完成核酸增殖以及核酸檢測的工作。不具備核酸提取功能的檢測系統(tǒng)，只能在實驗室進行核酸提取，然后再做現(xiàn)場實驗。這就阻礙了現(xiàn)場快速檢測系統(tǒng)的發(fā)展。

實驗室所用的臺式核酸提取裝置是大型的自動提取裝置，該裝置自動化程度高，提取效率高，但是質(zhì)量大，體積大，不具備電池供電動能，不適用于現(xiàn)場的病菌核酸提取。為推動國內(nèi)便攜式快速檢測設備的發(fā)展，幫助國內(nèi)設備擠占市場份額，有必要開發(fā)一種操作簡單、質(zhì)量小，體積小，可電池供電的核酸提取裝置。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明旨在至少解決現(xiàn)有技術(shù)中存在的技術(shù)問題，特別創(chuàng)新地研發(fā)了一種便攜式致病菌提取裝置。

本發(fā)明設計實現(xiàn)了一種便攜式致病菌核酸提取裝置，該裝置基于磁珠吸附的原理來提取核酸，給致病菌提供適宜的恒高溫水解環(huán)境和洗脫環(huán)境，即可通過裂解、洗滌、洗脫等操作提取核酸，整個過程不需要儀器離心操作，適用于戶外的核酸提取裝置。再者，該提取裝置質(zhì)量小，體積小，可電池供電，并自行設計了提取磁力架，可進行現(xiàn)場的核酸提取。

為了實現(xiàn)本發(fā)明的上述目的，本發(fā)明公開了便攜式致病菌核酸提取裝置的功能單元，其關鍵在于，包括：供電單元、微控制芯片、恒溫控制單元、人機交互模塊。

所述系統(tǒng)供電結(jié)構(gòu)如圖1所示，供電單元包括三個主要的模塊，電池充電模塊給電池充電，電量檢測模塊實時檢測電池電量，切換模塊通過檢測是否有適配器接入來選擇供電方式；供電單元的輸出端連接恒溫單元的電源輸入端，供電單元輸出端通過穩(wěn)壓芯片連接主控單元和人機交互單元的電源輸入端。所述恒溫單元的控制信號輸入端連接到控制芯片的控制信號輸出端，恒溫單元的加熱片連接到mosfet的漏極和源極，控制加熱片的加熱與否。所述人機交互單元包括數(shù)碼管顯示模塊和按鍵顯示模塊，其控制信號連接到控制芯片的i/o端口。

上述方案的有益效果為：通過上述控制電路能夠?qū)崿F(xiàn)病菌核酸提取，可通過人機交互單元實現(xiàn)交互功能。

本發(fā)明還公開一種便攜式致病菌核酸提取裝置的結(jié)構(gòu)以及磁力架的設計，其關鍵在于，包括：隔熱板1、鋁質(zhì)加熱域2、控制電路板4、96孔板固定片6、96孔板7、提手8、彈力固定夾9、耐熱聚丙烯管套10、磁力棒11。

加熱片固定在加熱域2和隔熱板中1的凹槽處，溫度檢測器固定在在加熱槽的小孔內(nèi)3，96孔板7通過固定片6固定在加熱域上。在96孔板7中加入提取試劑提取病菌核酸。提手8下端安裝固定板，固定板下端安裝用于固定耐熱聚丙烯管套10的彈力固定架9，磁力棒11通過螺紋固定在安裝板上。上訴的核酸提取磁力架探入96孔板內(nèi)，利用磁力吸附小磁珠的方法提取核酸。

上述技術(shù)方案的有益效果為：通過便攜致病菌核酸提取裝置的結(jié)構(gòu)有效的進行加熱、設置、核酸提?。唤Y(jié)構(gòu)設計合理，攜帶方便。

所述的便攜式致病菌核酸提取裝置，優(yōu)選的，還包括：隔熱板1的設計

所述隔熱板1中有小槽，可固定加熱片，加熱片上可安裝加熱域2。一方面隔熱板1能防止使用者安裝96孔板7時燙傷，使加熱域的溫度保持恒定。另一方面，隔熱板1將控制電路板4與加熱域2隔離，減少了控制電路板4的干擾。

上述技術(shù)方案的有益效果為：使得恒溫單元和控制電路板更加的穩(wěn)定安全。

所述的便攜式致病菌核酸提取裝置，優(yōu)選的，還包括：磁力架的設計

本發(fā)明設計的磁力架是手持型磁力架，包括提手8以及固定聚丙烯管套10的彈力固定夾9，使得用戶能利用磁力架進行提取核酸提取，不需要儀器離心操作，適用于戶外的核酸提取裝置。

上述技術(shù)方案的有益效果為：使得核酸提取簡單易操作。

本發(fā)明還公開一種用于便攜式致病菌核酸提取裝置的檢測方法，其關鍵在于，包括：

步驟1，將病菌和小磁珠放入96孔板的第1列和第7列，并加入一定量的裂解液和裂解酶。并將兩列加熱到90℃，用磁力架上下攪拌，裂解致病菌。時間約15分鐘。

步驟2，在第2-5列和第8-11列加入洗滌液，并用磁力架將帶有裂解核酸的小磁珠依次轉(zhuǎn)移到洗滌列，上下震蕩洗滌。每列洗滌時間2分鐘。

步驟3，在第6列和第12列加入洗脫溶液，并將兩列的溫度加熱到80℃。再用磁力架將洗滌干凈的帶有裂解核酸的小磁珠放入洗脫列進行高溫洗脫，即可得到提純的病菌核酸。

綜上所述，由于采用了上述技術(shù)方案，本發(fā)明的有益效果是：

本發(fā)明一種便攜式致病菌核酸提取裝置，將生物技術(shù)與自動化技術(shù)的結(jié)合，它利用核酸極易吸附在磁珠上的原理，通過病菌裂解、洗滌、洗脫的操作來提取病菌核酸。它的硬件結(jié)構(gòu)相對簡單，軟件也是采用可移植性較高的c語言編寫，該裝置每次能同時提取兩種病菌核酸，一種病菌核酸可提取8個樣本，提高了提取效率。該核酸提取裝置滿足了戶外檢測的需求，通過與目前市場上相類似產(chǎn)品對比，本文發(fā)明的提取裝置有以下特點：

輕便性

整個提取裝置的大小為230mm*200mm*60mm，相比于臺式的核酸提取裝置，它的體積較小，質(zhì)量小，操作簡單，便于攜帶。臺式的致病菌核酸提取裝置必須提供220v的交流電源，并且過于比較笨重，這限制了其只能在實驗室使用，無法完成戶外的核酸提取工作。本發(fā)明使用的電源適配器為9v的直流電源，兩塊串聯(lián)的鋰電池即可滿足它的工作需求，且重量在4kg左右，這使它可以順利的完成戶外的提取工作。

經(jīng)濟性

從經(jīng)濟的角度比較本裝置和臺式的同類型的裝置，可以清晰的得出其優(yōu)越性：同類型的產(chǎn)品中auto-pure系列全自動核酸提取儀所需售價15萬元、genepureplus全自動核酸提取純化儀售價20萬元，匯研公司推出的全自動核酸提取儀售價18萬元；本發(fā)明的便攜式致病菌核酸提取裝置的成本不足其十分之一。且臺式的核酸提取設備難以運用于現(xiàn)場實驗，在便攜式快速檢測系統(tǒng)中難以配套使用，使得裝置的適用性更廣。

本發(fā)明的附加方面和優(yōu)點將在下面的描述中部分給出，部分將從下面的描述中變得明顯，或通過本發(fā)明的實踐了解到。

附圖說明

本發(fā)明的上述和/或附加的方面和優(yōu)點從結(jié)合下面附圖對實施例的描述中將變得明顯和容易理解，其中：

圖1是系統(tǒng)供電示意圖；

圖2是便攜式致病菌核酸提取裝置的結(jié)構(gòu)圖；

圖3是磁力架的設計示意圖；

圖4為便攜式致病菌核酸提取裝置的工作原理圖；

圖5為人機交互單元中的數(shù)碼管顯示模塊的電路設計圖；

圖6a-6b為人機交互單元的按鍵設置模塊的電路設計圖；

圖7為供電單元的充電電路設計圖；

圖8為供電單元的電池充電電路設計圖；

圖9為加熱域溫度和環(huán)境溫度的線性擬合曲線圖；

圖10為供電單元的主電路設計圖；

圖11為恒溫單元的滑模變結(jié)構(gòu)控制算法的結(jié)果仿真圖；

圖12為便攜式致病菌核酸提取裝置的主流程圖。

具體實施方式

下面詳細描述本發(fā)明的實施例，所述實施例的示例在附圖中示出，其中自始至終相同或類似的標號表示相同或類似的元件或具有相同或類似功能的元件。下面通過參考附圖描述的實施例是示例性的，僅用于解釋本發(fā)明，而不能理解為對本發(fā)明的限制。

在本發(fā)明的描述中，需要理解的是，術(shù)語“縱向”、“橫向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“豎直”、“水平”、“頂”、“底”“內(nèi)”、“外”等指示的方位或位置關系為基于附圖所示的方位或位置關系，僅是為了便于描述本發(fā)明和簡化描述，而不是指示或暗示所指的裝置或元件必須具有特定的方位、以特定的方位構(gòu)造和操作，因此不能理解為對本發(fā)明的限制。

在本發(fā)明的描述中，除非另有規(guī)定和限定，需要說明的是，術(shù)語“安裝”、“相連”、“連接”應做廣義理解，例如，可以是機械連接或電連接，也可以是兩個元件內(nèi)部的連通，可以是直接相連，也可以通過中間媒介間接相連，對于本領域的普通技術(shù)人員而言，可以根據(jù)具體情況理解上述術(shù)語的具體含義。

便攜式致病菌核酸提取裝置以致病菌為提取對象，通過高溫將病菌核酸裂解，并利用磁珠吸附原理將裂解核酸洗滌、洗脫，系統(tǒng)的工作原理如圖4所示。

圖中的裂解、洗滌、洗脫在96孔板中完成，其中，致病菌裂解以及核酸洗脫需要在高溫環(huán)境下進行。在裂解環(huán)節(jié)，用磁力架上下移動，破壞細胞的生物結(jié)構(gòu)，釋放核酸，磁珠會與核酸結(jié)合，在磁場的作用下，核酸提取裝置上的磁力棒將磁珠吸走，這樣就到達了提取核酸的目的。圖中的高溫環(huán)境是可設置的、高精度的恒溫單元。整個核酸提取不需要離心操作，可手動完成，極大的方便了戶外核酸的提取。

如圖2和3所示，包括：隔熱板1、鋁質(zhì)加熱域2、控制電路板4、96孔板固定片6、96孔板7、提手8、彈力固定夾9、耐熱聚丙烯管套10、磁力棒11。

加熱片固定在加熱域2和隔熱板中1的凹槽處，溫度檢測器固定在在加熱槽的小孔內(nèi)3，96孔板7通過固定片6固定在加熱域上。在96孔板7中加入提取試劑提取病菌核酸。提手8下端安裝固定板，固定板下端安裝用于固定耐熱聚丙烯管套10的彈力固定架9，磁力棒11通過螺紋固定在安裝板上。上訴的核酸提取磁力架探入96孔板內(nèi)，利用磁力吸附小磁珠的方法提取核酸。

上述技術(shù)方案的有益效果為：通過便攜致病菌核酸提取裝置的結(jié)構(gòu)有效的進行加熱、設置、核酸提??；結(jié)構(gòu)設計合理，攜帶方便。

所述的便攜式致病菌核酸提取裝置，優(yōu)選的，還包括：隔熱板1的設計

所述隔熱板1中有小槽，可固定加熱片，加熱片上可安裝加熱域2。一方面隔熱板1能防止使用者安裝96孔板7時燙傷，使加熱域的溫度保持恒定。另一方面，隔熱板1將控制電路板4與加熱域2隔離，減少了控制電路板4的干擾。

上述技術(shù)方案的有益效果為：使得恒溫單元和控制電路板更加的穩(wěn)定安全。

所述的便攜式致病菌核酸提取裝置，優(yōu)選的，還包括：磁力架的設計

本發(fā)明設計的磁力架是手持型磁力架，包括提手8以及固定聚丙烯管套10的彈力固定夾9，使得用戶能利用磁力架進行提取核酸提取，不需要儀器離心操作，適用于戶外的核酸提取裝置。

所述人機交互單元包括：

①按鍵模塊

按鍵模塊實現(xiàn)核酸提取裝置的操作輸入。其有兩種電路連接方式：非矩陣鍵盤和矩陣鍵盤。其中占用系統(tǒng)的i/o接口少的是矩陣鍵盤的連接方式；而非矩陣鍵盤占用的i/o接口資源多；但矩陣鍵盤編程復雜，適用于按鍵數(shù)多、i/o接口又比較緊缺的系統(tǒng)。核酸提取裝置所需按鍵4個，采用矩陣按鍵方式需2個i/o借口，而非矩陣鍵盤方式需4個i/o接口，接口數(shù)相差不大，故選擇編程相對簡單的非矩陣鍵盤方式。其電路設計圖，如圖6a-6b所示。

②數(shù)碼管顯示模塊

本發(fā)明采用共陰極數(shù)碼管，由于共陰極數(shù)碼管的公共端接地，所以選擇npn型三極管來放大電流。數(shù)碼管與控制芯片引腳連接有兩種連接方式：靜態(tài)連接方式和動態(tài)連接方式。靜態(tài)連接的情況下需要數(shù)碼管具有8個i/o接口，系統(tǒng)需要4個數(shù)碼管來顯示時間和溫度值，故需要32個i/o接口，i/o接口開銷較大。同樣的4個數(shù)碼管，動態(tài)連接的方式下只需要12個i/o接口，大幅降低了i/o接口的開銷，因此本數(shù)碼管連接的設計采用動態(tài)連接的方式。其電路設計圖如圖5所示。

采用動態(tài)連接的方式，則要求其軟件利用余暉效應采用循環(huán)點亮的方式來控制數(shù)碼管的顯示。

所述供電單元包括：

供電單元包括充電模塊、電池電量檢測模塊、切換電路、主電路三個部分。

①充電模塊

電池的充電模塊是裝置中一個很重要的模塊。在實際設計中首先考慮選擇什么樣的充電管理芯片更為安全可靠：電池的充電不是簡單的恒壓充電，根據(jù)電池的特性，充電最好分為三個模式，深度放電狀態(tài)下的涓流充電，該模式下的充電電流一般為恒流充電模式下的15％，防止對電池沖擊過大；接著為恒流充電，該模式下的充電電流一般可人為設置；最后階段為恒壓充電，此時的充電電流也較小，減小對電池的沖擊。磷酸鐵鋰電池在工作的過程中溫度可能會升高，而溫度過高的電池潛在危險較大，因此需要設置一個溫度閾值，當電池溫度超過此閾值后，停止充電。論文選用一個緊貼電池的熱敏電阻，當溫度超過閾值，充電暫停，待電池溫度恢復到工作溫度內(nèi)時，充電繼續(xù)。其電路設計圖如圖7所示。

②電量檢測模塊的設計

電池電壓的大小不僅與電池所處的狀態(tài)相關且與電池所剩電量相關。電池處于放電狀態(tài)時，隨著電池電量的消耗，電池電壓隨之減小。相關文獻表明，電池電壓與電池電量呈一定的正比關系?？梢赃\用電池電壓預測剩余電量，將電池充滿后放電，記錄放電過程中剩余電量和電壓的關系，將數(shù)據(jù)曲線放入程序中，則通過測量電池電壓的變化來表征剩余電量的變化。硬件可設計一個電池電壓檢測電路，檢測電池電壓的變化，論文采用差分放大電路的方法來檢測電池的實時電壓，通過讀取查分放大電路的檢測電壓，來計算電池的用電情況。軟件則將測得的電壓與電量關系表放入控制器的rom中，通過查表的方式獲得電量情況。

③切換模塊

將提取裝置按流經(jīng)電流大小分為兩個部分，大電流模塊和小電流模塊。大電流模塊為恒溫單元，小電流模塊為人機交互單元和主控芯片以及適配器檢測電路。電池直接給小電流模塊供電，由小電流模塊中的適配器檢測電路檢測是否有適配器接入，若有適配器接入則直接由適配器給大電流模塊供電；若檢測到?jīng)]有適配器接入，主控芯片控制mosfet打開，由電池通過mosfet給大電流模塊供電。其中，大電流模塊為恒溫模塊，其余為小電流模塊。適配器接入的情況下會自動通過充電電路給電池充電。供電示意圖如圖8所示。

④主電路

切換模塊所述的小電流模塊由電池直接供電。其中，主控芯片、數(shù)碼管、按鍵的工作電壓為3.3v，隔離驅(qū)動電路的工作電壓為12v。所以需要將電池電壓轉(zhuǎn)為3.3v和12v。其電路原理如圖10所示。

dc-dc1是wrb0505yd-6w隔離電源，可將4.5-9v電壓轉(zhuǎn)換為5v，其電流可達1.2a滿足主控芯片和數(shù)碼管的電流要求。并且隔離電源將小電流模塊與大電流模塊隔離，減少大電流模塊對小電流模塊的干擾。再通過ams1117-3.3將輸入的5v電壓轉(zhuǎn)為3.3v，給主控芯片以及數(shù)碼管和按鍵供電。5v電壓通過d1209nxs芯片，轉(zhuǎn)為12v給隔離驅(qū)動芯片供電。

所述恒溫單元包括：

恒溫單元的本質(zhì)是一個負反饋系統(tǒng)，將溫度差e作為系統(tǒng)的輸入量，通過一定的控制算法計算出控制量u。恒溫單元的工作原理如圖8所示。

溫度傳感器檢測到實時的溫度數(shù)據(jù)t，傳給微控制器，微控制器將采集到的溫度數(shù)據(jù)與預設溫度值t0進行比較，得到溫度誤差e，經(jīng)過一定的控制算法，控制器給出控制信號u，控制信號驅(qū)動加熱器加熱或者停止加熱。通過不斷地檢測實時溫度，不斷的調(diào)整控制信號，使得溫度差盡量的趨于零，進而達到控制精度較高的恒溫效果。

恒溫控制算法

恒溫單元是本發(fā)明中尤其重要的一個單元，核酸提取裝置的病菌水解、洗脫所需的恒高溫環(huán)境與該單元緊密相關。因此溫控算法的選擇十分重要。

1恒溫系統(tǒng)的模型建立

論文采用的是陶瓷加熱片作為恒溫系統(tǒng)的加熱器，將加熱片嵌在金屬加熱域中，通過嵌在加熱域中的溫度傳感器檢測到實時溫度，再通過控制器的控制信號u來控制溫度。根據(jù)熱力學和傳熱學的原理，建立加熱域的數(shù)學模型。

其中，c為加熱域的比熱容、m為加熱域的質(zhì)量、i為加熱電流、r為陶瓷加熱片的電阻、a為傳熱系數(shù)、t0為加熱域所處的環(huán)境溫度。為加熱域所增加的熱量、i²r為加熱片產(chǎn)生的熱流量、αa(t-t0)為加熱域傳到環(huán)境中的熱量。

由于核酸提取裝置是密閉的加熱空間，因此不能將環(huán)境溫度視為理想的不變溫度。在密閉加熱空間中，環(huán)境溫度會隨著加熱域溫度上升而升高，經(jīng)過大量的實驗，得到環(huán)境溫度和加熱域溫度的關系如下表所示。

表1環(huán)境溫度和加熱域溫度

為了得到環(huán)境溫度t0與加熱域溫度t的數(shù)學關系，我們可根據(jù)表3.1所示數(shù)據(jù)，在matlab環(huán)境下對數(shù)據(jù)進行擬合。

由于檢測系統(tǒng)恒溫單元的溫度范圍集中在45℃到-100℃之間，在這一區(qū)間，數(shù)據(jù)線性關系較為明顯，而且直線擬合會極大方便控制器的設計，因此論文選用直線擬合的方式對t0-t擬合。其擬合曲線如圖9所示。

圖9所示，在45℃到100℃之間，溫度較為規(guī)律的分布在擬合曲線兩側(cè)。得出的擬合方程為：

t0＝kt±b

其中k＝0.5885；b＝-1.1346。

因此加熱域的數(shù)學模型為：

對公式3.3求導得：

恒溫單元的數(shù)學模型是一個較為簡單的二階線性系統(tǒng)。

2滑模變結(jié)構(gòu)控制算法

溫度控制系統(tǒng)中比較常見的算法有專家、模糊、神經(jīng)網(wǎng)絡、pid等，這類算法不需要被控對象的數(shù)學模型并且是非線性的控制算法，然而卻需要大量的工程經(jīng)驗才能設計好控制器。其中最為簡單和常見的算法為pid和模糊自整定pid控制算法，該算法實現(xiàn)簡單，但溫度超調(diào)難以避免，尤其需求的溫控范圍較寬的情況下，則更難得實現(xiàn)超調(diào)的控制。在便攜式致病菌核酸提取裝置中，由于酶的活性容易在高溫下失活，過大的超調(diào)可能或?qū)е聦嶒灥氖?，基于超調(diào)的難以控制和自身經(jīng)驗的不足，選用超調(diào)小的，基于建模的滑模變結(jié)構(gòu)控制算法。

該算法本質(zhì)上是一種控制結(jié)構(gòu)可變的控制算法，其控制結(jié)構(gòu)可切換，并且當系統(tǒng)在滑動模態(tài)上運動時，是非常穩(wěn)定的。其次，此算法超調(diào)小、系統(tǒng)響應快、調(diào)節(jié)時間短、魯棒性好、即使在不同的工作點系統(tǒng)的相應性能也相似，且對被控對象模型誤差以及外部干擾有極好的不敏感等優(yōu)點，很適合食源性致病菌現(xiàn)場檢測系統(tǒng)恒溫單元的溫控要求。因此本發(fā)明選用滑模變結(jié)構(gòu)控制算法作為恒溫單元的控制算法。

滑模變結(jié)構(gòu)控制的基本原理。在系統(tǒng)的控制過程中，控制結(jié)構(gòu)發(fā)生變化的系統(tǒng)叫做變結(jié)構(gòu)系統(tǒng)，比如，專家系統(tǒng)、模糊pid控制系統(tǒng)等?；Ｗ兘Y(jié)構(gòu)控制算法也是一種結(jié)構(gòu)可變的控制算法，在控制過程中，根據(jù)被控系統(tǒng)當前的狀態(tài)，有目的地變換控制結(jié)構(gòu)，使得系統(tǒng)按照預先設定的“滑動模態(tài)”軌跡運動。由于滑模動態(tài)可自行設計且與被控對象參數(shù)及外界擾動無關，因此控制算法具有響應快速、對參數(shù)變化及擾動不靈敏、魯棒性好等優(yōu)點。在算法的設計中，首先需找到一個穩(wěn)定的切換面，讓系統(tǒng)運動到該切換面上，再使得系統(tǒng)沿著滑動面趨向原點。由于設計的切換面本身就穩(wěn)定，因此不需要分析其穩(wěn)定性。

由上所述，滑模變結(jié)構(gòu)控制算法的設計。主要包括切換函數(shù)的選擇和控制器的設計兩個方面。

①切換函數(shù)的選擇，

在單輸入系統(tǒng)中，切換函數(shù)只有一個。將切換控制在s＝c1x1+x2函數(shù)上，其滑動模態(tài)方程為

在多輸入系統(tǒng)中，存在多個切換函數(shù)，由于恒溫單元是單輸入單輸出系統(tǒng)，則此小節(jié)只討論單輸入單輸出的情況。

②控制器的求取

在確定切換函數(shù)的基礎上，可求得其控制

其中ui^-(x)≠ui⁺(x)，使得以下的設計目標得以實現(xiàn)：

1切換面存在滑動模態(tài)區(qū)；

2所有的相軌跡將在有限時間內(nèi)到達切換面；

3滑模運動漸近穩(wěn)定并具有良好的動態(tài)品質(zhì)。

滑模運動包括兩個運動過程：趨近運動和滑模運動。當系統(tǒng)從初始狀態(tài)逐漸趨向切換面，即為s→0的過程，此為趨近過程。在控制器設計中，可采用趨近律的方法來改善趨近運動的品質(zhì)。對于趨近律，可取加速度型趨近律、常值型趨近律和比例型趨近律。

滑模變結(jié)構(gòu)控制算法的優(yōu)缺點。a優(yōu)點：當被控系統(tǒng)到達切換面后，就會自動沿著切換面運動，其運動與系統(tǒng)的本身參數(shù)無關；可較好的跟蹤連續(xù)變化的輸入信號；魯棒性強。b缺點：實現(xiàn)控制算法，需要取得系統(tǒng)的全部狀態(tài)變量，這是比較困難的，當控制對象為高階系統(tǒng)時，尤其的困難，因此算法難以運用于高階系統(tǒng)，只能簡化系統(tǒng)階數(shù)；切換的過程中切換開關不理想，極易產(chǎn)生抖動，消除困難。

3滑模變結(jié)構(gòu)控制器的設計

由3.5.1的建模分析可知該系統(tǒng)是一個單輸入單輸出的二階線性系統(tǒng)，因此其滑模變結(jié)構(gòu)控制算法的切換函數(shù)為：

其中s為滑模量，t0為溫度的預設值，e是溫度誤差，為溫度誤差的導數(shù)。

則系統(tǒng)一旦進入滑模動態(tài)應滿足：

以保證系統(tǒng)可沿著滑模面運行到原點。微分方程的解為：

顯然，只有當c1為正時，變結(jié)構(gòu)系統(tǒng)穩(wěn)定。

為了改善系統(tǒng)趨近運動的動態(tài)品質(zhì)，論文選用指數(shù)趨近律來設計控制器：

ζ＞0，k1＞0

其中ζ和k1都是可任意取值的正數(shù)，為了保證快速趨近的同時消除抖振，在仿真時，應該在增大k1的時候，減小ζ。

這樣便確定了控制器函數(shù)：

其中c為加熱域的比熱容，其值為880j/kg；m為加熱域的質(zhì)量，其值為0.055kg；i為加熱電流，其值為25a；r為陶瓷加熱片的電阻，其值為1ω；a為加熱域的傳熱系數(shù)，其值為237w/(m².k)；a為加熱域的傳熱面積，經(jīng)測量其值為0.004408m²；c1，k1，ζ為可自行取值的正數(shù)。將參數(shù)帶入控制器，得到的恒溫控制器為：

4算法仿真

得出了恒溫單元的數(shù)學模型和控制器模型，則可進行matlab/simulink仿真。各參數(shù)為，k1＝30，c1＝5；ζ＝30。運用simulink中的s_function模塊進行仿真，其結(jié)果圖放大如圖11所示。

從圖可知，一方面，滑模變結(jié)構(gòu)控制算法能很好的控制加熱域溫度，且可將溫控精度控制在±0.2℃；另一方面，控制系統(tǒng)沒有溫度超調(diào)，這對檢測系統(tǒng)尤其重要，過大的超調(diào)可能會導致反應酶失活。從仿真圖可以明顯看出恒溫單元的響應快、誤差小、酶超調(diào)的優(yōu)點，但從放大的圖形中可見，溫度有高頻率的輕微抖動，這是滑模變結(jié)構(gòu)控制算法的一個固有特點。

便攜式核酸提取裝置的軟件結(jié)構(gòu)

便攜式致病菌核酸提取裝置的主流程圖如圖12所示，核酸提取裝置開機之后，進入系統(tǒng)初始化環(huán)節(jié)，在該環(huán)節(jié)中對寄存器，各個參數(shù)量以及計數(shù)器等初始化；初始化完成后，進入?yún)?shù)設置環(huán)節(jié)，設置加熱溫度、加熱時間及加熱通道；再點擊開始，進入加熱環(huán)節(jié)，并實時顯示加熱溫度和加熱時間；加熱結(jié)束之后可結(jié)束系統(tǒng)。

本說明書的描述中，參考術(shù)語“一個實施例”、“一些實施例”、“示例”、“具體示例”、或“一些示例”等的描述意指結(jié)合該實施例或示例描述的具體特征、結(jié)構(gòu)、材料或者特點包含于本發(fā)明的至少一個實施例或示例中。在本說明書中，對上述術(shù)語的示意性表述不一定指的是相同的實施例或示例。而且，描述的具體特征、結(jié)構(gòu)、材料或者特點可以在任何的一個或多個實施例或示例中以合適的方式結(jié)合。

盡管已經(jīng)示出和描述了本發(fā)明的實施例，本領域的普通技術(shù)人員可以理解：在不脫離本發(fā)明的原理和宗旨的情況下可以對這些實施例進行多種變化、修改、替換和變型，本發(fā)明的范圍由權(quán)利要求及其等同物限定。