基于CB3LP在溫度控制系統(tǒng)中的設計應用

CB3LP芯片簡介及內部原理框圖
CB3LP芯片是北京泛析智能控制技術有限公司依據自主知識產權的科研成果“直覺智能控制技術”(Sensorial Intelligence Control，簡稱“SIC”)，而研制成功的一種芯片產品。該產品采用提高難控被控對象閉環(huán)自動控制性能的平臺技術，使工程師能夠簡便迅捷地設計各種全智能模糊控制器。

CB3LP具有本質抗干擾能力，任何用單片機構造的模糊控制器都不能與之比擬。對于時變參數、時變大純滯后難控被控對象，CB3LP控制波動小于0.2%；對于易控被控對象，CB3LP控制波動小于0.1‰。CB3LP外接一只電容和兩只二極管與內電路構造智能積分運算，實現控制無靜差；在線自動調整（嵌入單片機實施）或離線人工調整CB3LP外接電阻，使控制響應動態(tài)性能最優(yōu)化；CB3LP動、靜態(tài)控制品質優(yōu)于模糊控制；在線（或離線）調整控制性能簡單；抗干擾能力強。由于有這么多明顯的技術優(yōu)勢，其應用范圍很廣，普遍應用于高精度控制時變參數、時變大純滯后等難控對象；也可以替代PID控制器高精度控制易控被控對象。

CB3LP是函數型模糊控制芯片，它集成了一個函數化模糊推理，即直覺智能控制函數，一個運算放大器和一個PWM發(fā)生器，用于構造智能控制器。CB3LP的控制給定輸入和反饋輸入均為模擬電壓信號；控制輸出分為模擬和PWM兩路輸出，客戶自選；通過改變外電路器件，可以加入雙模態(tài)控制和智能積分運算。其引腳功能參見圖1。

圖1? CB3LP內部原理框圖

CB3LP芯片在熒光定量PCR溫度控制系統(tǒng)中的設計思路
熒光定量PCR系統(tǒng)由基本PCR、熒光檢測和上位機等部分組成?；綪CR是此儀器的基礎，包括半導體制冷片、溫度采集與處理等部分，必須具有精確控溫、快速升降溫、溫度均勻一致等PCR儀的基本要求，保證PCR過程的順利完成。熒光檢測部分包括激勵光源、光電倍增管、信號采集與處理等部分。上位機部分包括數據采集和系統(tǒng)分析軟件，主要負責從下位機采集數據，形成實時圖形，并進行數據處理和圖形分析，得到目標DNA片段的含量和其他檢測報告信息等；同時，在上位機里，根據所測樣品的PCR反應條件，設置相應的溫度參數、控溫時間以及循環(huán)次數等，然后使系統(tǒng)進入快速升溫、恒溫、快速降溫、恒溫等PCR循環(huán)過程，直至所有的循環(huán)結束。

圖2所示是CB3LP芯片在溫度控制系統(tǒng)中的原理框圖。上位機通過串口發(fā)出給定溫度信號給單片機，經DAC芯片（AD667）轉換成模擬信號，由雙運放LM358放大后，加到CB3LP芯片的控制給定輸入端；同時，測溫電橋將PT100鉑電阻轉變成微弱的電壓信號，經過三運放INA118和兩級單運放3140放大后，分兩路輸出，一路到CB3LP芯片，另一路到ADC芯片AD574，轉換成數字信號后送至單片機和設定溫度進行比較，控制單片機輸出加熱、制冷控制信號。最后，再通過光耦和CB3LP芯片輸出的PID控制信號混合輸出已經PID調節(jié)好的加熱、制冷控制信號給半導體制冷片的電源換向電路，實現制冷片的加熱和制冷精確控溫。

圖2? CB3LP芯片在溫度控制系統(tǒng)中的原理框圖

CB3LP芯片在溫度控制系統(tǒng)中的具體應用設計

1.測溫電橋及信號放大電路
測溫電橋及信號放大電路如圖3所示，由R5、R7、R8、R9、PT1鉑電阻組成測溫電橋，將PT100鉑電阻轉變成微弱的電壓信號。PT100在0℃的時候電阻值為100Ω，然后溫度每升高一度，電阻值增加0.385Ω。在0℃條件下，使PT1電阻為100Ω，調節(jié)R9，使橋的B、D兩端電勢相等，這時電橋達到平衡。當外界溫度改變時，傳感器PT100阻值會有相應變化，B、D兩端電勢不再相等，這時電橋處于非平衡狀態(tài)。B、D之間有負載電阻R10、R11，其輸出電壓為VBD。如果使R5、R7和R8保持不變，那么PT1變化時VBD也會發(fā)生變化。

根據PT1與VBD的函數關系，通過檢測橋路的非平衡電壓VBD，能反應出橋臂電阻PT1的微小變化，這就是非平衡電橋工作的基本原理。為使測溫更準確，沒有使用外接電源的+5V供電，而是使用了穩(wěn)壓器TL431，其VOUT=(1+R3/R4)·Vref=2×2.5V=5V。

圖3 測溫電橋及信號放大電路

由PT100鉑電阻轉變成得微弱的電壓信號，經三運放集成電路INA118放大10倍左右。INA118內部原理框圖如圖4所示。放大倍數G=1+50kΩ/R12=1+50/5.1=10.8。經過三運放放大后的電壓信號再經兩個3140單運放放大加到CB3LP芯片的放大器同名輸入端1腳，同時也加到AD轉換芯片U11（AD574）的13腳，轉換成數字信號后送給單片機89C52,和設定溫度進行比較，控制單片機P13、P14輸出加熱、制冷控制信號。

圖4? INA118內部原理框圖

傳感器使用PT100鉑電阻，由于鉑電阻通過微小電壓進行溫度測量，容易受干擾，而且鉑電阻非常小，容易折斷順壞，因此安裝時要仔細，并盡量遠離干擾源。信號放大電路使用運放電路，要仔細調節(jié)運放的調零電阻，使運放調零。

2.單片機及其外圍電路
圖5是單片機及其外圍電路圖，由ATMEL 89C52組成了單片機系統(tǒng)，AD和DA部分都使用了12bit轉換芯片(AD芯片AD574A，DA芯片DA667)以提高控溫精度。AD574A是美國模擬數字公司推出的單片高速12位逐次比較型A/D轉換器，內置雙極性電路構成的混合集成轉換芯片，具有外接元件少、功耗低、精度高等特點，并且具有自動校零和自動極性轉換功能，只需外接少量的阻容件即可構成一個完整的A/D轉換器。AD574A共有12根數據線，AT89C52的P0與AD574的高8位數據線直接相接，AD574A的低4位數據線與單片機的高半4位P0.4?P0.7直接相接，數據的讀取是依靠單片機的控制線進行分時選通進行。AD574A的12和8腳是數據格式選擇端，高電平時，12位數據同時有效；低電平時第一次輸出高8位，第二次輸出低4位有效，高4位為零。本電路此腳接地，選擇用2次輸出16bit數據，其中的12bit數據是我們需要的。AD574A的4腳A0/SC是字節(jié)選擇線，在轉換期間，當A0為0，AD574A進行12位數據轉換；當A0為1，AD574A進行8位數據轉換，P2.3接A0。P2.2接讀轉換數據控制腳R/C，R/C是讀/啟動信號，高電平讀數據，低轉換。STS是工作狀態(tài)輸出端，高電平表示正在轉換，低電平表示轉換完畢。AD574的13腳為被測電壓的輸入端，接收來自測溫電路的放大信號，因為還使用了一片AD667 D/A轉換芯片，所以CS端受單片機控制，轉換器使用±12V電源電壓供電。

圖5 單片機及其外圍電路圖

AD667也是美國模擬數字公司推出的單片高速12bit的D/A轉換器，控制信號端如下：CS：D/A鎖存器片選端(低電平有效)，只有CS端為有效信號時，才會啟動鎖存器。REFout：參考輸出。REFin：參考輸入。SPAN(10)，SPAN(20)：10V、20V量程。SUM：求和端。

數字輸入信號：DB0～DB11為數字輸入端，和單片機P0口相連，和AD574A一樣，數據的讀取是依靠單片機的控制線進行分時選通。A0～A3為地址譯碼輸入端，AD667的9腳Vout為模擬量輸出端，其輸出電壓范圍可通過硬件編程選擇，并可實現單極性和雙極性輸出。此腳輸出的模擬信號經過雙運放LM358（U5）放大后加到CB3LP芯片的控制給定輸入端15腳。AD667的內部框圖如圖6所示。

圖6? AD667的內部框圖

圖7 CB3LP芯片控制電路

3.CB3LP芯片控制電路
圖7所示是CB3LP芯片控制電路圖。從上位機即PC給出的設定目標溫度值通過串口送到單片機89C52，由DA轉換芯片U12(DA667)轉換成模擬信號，經過雙運放LM358（U5）放大后加到CB3LP芯片的控制給定輸入端15腳；CB3LP的PWM控制輸出端13腳輸出PWM信號，經Q2射級跟隨加到光耦合器U6(TLP521-4)的1、3端，由U6的16、14端輸出；U6的16端輸出的控制信號加到三極管Q6的基級，經集電極輸出回到U6的12端。P13輸出的加熱控制信號控制三極管Q3的導通，控制光耦U6的5腳，即控制光耦U6的12、11的導通與截至，在導通的情況下，由CB3LP芯片控制的信號經過U6的12、11給出經過PID調節(jié)的加熱信號。光耦U6的14端輸出的控制信號加到三極管Q5的基級，經發(fā)射極輸出回到光耦U6的10端。P14輸出的制冷控制信號控制三極管Q4的導通，控制光耦U6的7腳，即控制光耦U6的10、9腳的導通與截至。在導通的情況下，由CB3LP芯片控制的信號經過光耦U6的10、9腳給出經過PID調節(jié)的制冷信號。