基于CB3LP在溫度控制系統(tǒng)中的設(shè)計(jì)應(yīng)用
CB3LP具有本質(zhì)抗干擾能力,任何用單片機(jī)構(gòu)造的模糊控制器都不能與之比擬。對(duì)于時(shí)變參數(shù)、時(shí)變大純滯后難控被控對(duì)象,CB3LP控制波動(dòng)小于0.2%;對(duì)于易控被控對(duì)象,CB3LP控制波動(dòng)小于0.1‰。CB3LP外接一只電容和兩只二極管與內(nèi)電路構(gòu)造智能積分運(yùn)算,實(shí)現(xiàn)控制無(wú)靜差;在線自動(dòng)調(diào)整(嵌入單片機(jī)實(shí)施)或離線人工調(diào)整CB3LP外接電阻,使控制響應(yīng)動(dòng)態(tài)性能最優(yōu)化;CB3LP動(dòng)、靜態(tài)控制品質(zhì)優(yōu)于模糊控制;在線(或離線)調(diào)整控制性能簡(jiǎn)單;抗干擾能力強(qiáng)。由于有這么多明顯的技術(shù)優(yōu)勢(shì),其應(yīng)用范圍很廣,普遍應(yīng)用于高精度控制時(shí)變參數(shù)、時(shí)變大純滯后等難控對(duì)象;也可以替代PID控制器高精度控制易控被控對(duì)象。
CB3LP是函數(shù)型模糊控制芯片,它集成了一個(gè)函數(shù)化模糊推理,即直覺智能控制函數(shù),一個(gè)運(yùn)算放大器和一個(gè)PWM發(fā)生器,用于構(gòu)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(hào);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(yùn)算。其引腳功能參見圖1。
圖1 CB3LP內(nèi)部原理框圖
CB3LP芯片在熒光定量PCR溫度控制系統(tǒng)中的設(shè)計(jì)思路
熒光定量PCR系統(tǒng)由基本PCR、熒光檢測(cè)和上位機(jī)等部分組成?;綪CR是此儀器的基礎(chǔ),包括半導(dǎo)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(cè)部分包括激勵(lì)光源、光電倍增管、信號(hào)采集與處理等部分。上位機(jī)部分包括數(shù)據(jù)采集和系統(tǒng)分析軟件,主要負(fù)責(zé)從下位機(jī)采集數(shù)據(jù),形成實(shí)時(shí)圖形,并進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和圖形分析,得到目標(biāo)DNA片段的含量和其他檢測(cè)報(bào)告信息等;同時(shí),在上位機(jī)里,根據(jù)所測(cè)樣品的PCR反應(yīng)條件,設(shè)置相應(yīng)的溫度參數(shù)、控溫時(shí)間以及循環(huán)次數(shù)等,然后使系統(tǒng)進(jìn)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(jié)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(jī)通過串口發(fā)出給定溫度信號(hào)給單片機(jī),經(jīng)DAC芯片(AD667)轉(zhuǎn)換成模擬信號(hào),由雙運(yùn)放LM358放大后,加到CB3LP芯片的控制給定輸入端;同時(shí),測(cè)溫電橋?qū)?strong>PT100鉑電阻轉(zhuǎn)變成微弱的電壓信號(hào),經(jīng)過三運(yùn)放INA118和兩級(jí)單運(yùn)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(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)后送至單片機(jī)和設(shè)定溫度進(jìn)行比較,控制單片機(jī)輸出加熱、制冷控制信號(hào)。最后,再通過光耦和CB3LP芯片輸出的PID控制信號(hào)混合輸出已經(jīng)PID調(diào)節(jié)好的加熱、制冷控制信號(hào)給半導(dǎo)體制冷片的電源換向電路,實(shí)現(xiàn)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(yīng)用設(shè)計(jì)
1.測(cè)溫電橋及信號(hào)放大電路
測(cè)溫電橋及信號(hào)放大電路如圖3所示,由R5、R7、R8、R9、PT1鉑電阻組成測(cè)溫電橋,將PT100鉑電阻轉(zhuǎn)變成微弱的電壓信號(hào)。PT100在0℃的時(shí)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(diào)節(jié)R9,使橋的B、D兩端電勢(shì)相等,這時(shí)電橋達(dá)到平衡。當(dāng)外界溫度改變時(shí),傳感器PT100阻值會(huì)有相應(yīng)變化,B、D兩端電勢(shì)不再相等,這時(shí)電橋處于非平衡狀態(tài)。B、D之間有負(fù)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(shí)VBD也會(huì)發(fā)生變化。
根據(jù)PT1與VBD的函數(shù)關(guān)系,通過檢測(cè)橋路的非平衡電壓VBD,能反應(yīng)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(cè)溫更準(zhǔn)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(cè)溫電橋及信號(hào)放大電路
由PT100鉑電阻轉(zhuǎn)變成得微弱的電壓信號(hào),經(jīng)三運(yùn)放集成電路INA118放大10倍左右。INA118內(nèi)部原理框圖如圖4所示。放大倍數(shù)G=1+50kΩ/R12=1+50/5.1=10.8。經(jīng)過三運(yùn)放放大后的電壓信號(hào)再經(jīng)兩個(gè)3140單運(yùn)放放大加到CB3LP芯片的放大器同名輸入端1腳,同時(shí)也加到AD轉(zhuǎn)換芯片U11(AD574)的13腳,轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)后送給單片機(jī)89C52,和設(shè)定溫度進(jìn)行比較,控制單片機(jī)P13、P14輸出加熱、制冷控制信號(hào)。
圖4 INA118內(nèi)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(jìn)行溫度測(cè)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(shí)要仔細(xì),并盡量遠(yuǎn)離干擾源。信號(hào)放大電路使用運(yùn)放電路,要仔細(xì)調(diào)節(jié)運(yùn)放的調(diào)零電阻,使運(yùn)放調(diào)零。
2.單片機(jī)及其外圍電路
圖5是單片機(jī)及其外圍電路圖,由ATMEL 89C52組成了單片機(jī)系統(tǒng),AD和DA部分都使用了12bit轉(zhuǎn)換芯片(AD芯片AD574A,DA芯片DA667)以提高控溫精度。AD574A是美國(guó)模擬數(shù)字公司推出的單片高速12位逐次比較型A/D轉(zhuǎn)換器,內(nèi)置雙極性電路構(gòu)成的混合集成轉(zhuǎn)換芯片,具有外接元件少、功耗低、精度高等特點(diǎn),并且具有自動(dòng)校零和自動(dòng)極性轉(zhuǎn)換功能,只需外接少量的阻容件即可構(gòu)成一個(gè)完整的A/D轉(zhuǎn)換器。AD574A共有12根數(shù)據(jù)線,AT89C52的P0與AD574的高8位數(shù)據(jù)線直接相接,AD574A的低4位數(shù)據(jù)線與單片機(jī)的高半4位P0.4〜P0.7直接相接,數(shù)據(jù)的讀取是依靠單片機(jī)的控制線進(jìn)行分時(shí)選通進(jìn)行。AD574A的12和8腳是數(shù)據(jù)格式選擇端,高電平時(shí),12位數(shù)據(jù)同時(shí)有效;低電平時(shí)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(shù)據(jù),其中的12bit數(shù)據(jù)是我們需要的。AD574A的4腳A0/SC是字節(jié)選擇線,在轉(zhuǎn)換期間,當(dāng)A0為0,AD574A進(jìn)行12位數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換;當(dāng)A0為1,AD574A進(jìn)行8位數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換,P2.3接A0。P2.2接讀轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)控制腳R/C,R/C是讀/啟動(dòng)信號(hào),高電平讀數(shù)據(jù),低轉(zhuǎn)換。STS是工作狀態(tài)輸出端,高電平表示正在轉(zhuǎn)換,低電平表示轉(zhuǎn)換完畢。AD574的13腳為被測(cè)電壓的輸入端,接收來(lái)自測(cè)溫電路的放大信號(hào),因?yàn)檫€使用了一片AD667 D/A轉(zhuǎn)換芯片,所以CS端受單片機(jī)控制,轉(zhuǎn)換器使用±12V電源電壓供電。
圖5 單片機(jī)及其外圍電路圖
AD667也是美國(guó)模擬數(shù)字公司推出的單片高速12bit的D/A轉(zhuǎn)換器,控制信號(hào)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(hào)時(shí),才會(huì)啟動(dòng)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(shù)字輸入信號(hào):DB0~DB11為數(shù)字輸入端,和單片機(jī)P0口相連,和AD574A一樣,數(shù)據(jù)的讀取是依靠單片機(jī)的控制線進(jìn)行分時(shí)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(shí)現(xiàn)單極性和雙極性輸出。此腳輸出的模擬信號(hào)經(jīng)過雙運(yùn)放LM358(U5)放大后加到CB3LP芯片的控制給定輸入端15腳。AD667的內(nèi)部框圖如圖6所示。
圖6 AD667的內(nèi)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(jī)即PC給出的設(shè)定目標(biāo)溫度值通過串口送到單片機(jī)89C52,由DA轉(zhuǎn)換芯片U12(DA667)轉(zhuǎn)換成模擬信號(hào),經(jīng)過雙運(yùn)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(hào),經(jīng)Q2射級(jí)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(hào)加到三極管Q6的基級(jí),經(jīng)集電極輸出回到U6的12端。P13輸出的加熱控制信號(hào)控制三極管Q3的導(dǎo)通,控制光耦U6的5腳,即控制光耦U6的12、11的導(dǎo)通與截至,在導(dǎo)通的情況下,由CB3LP芯片控制的信號(hào)經(jīng)過U6的12、11給出經(jīng)過PID調(diào)節(jié)的加熱信號(hào)。光耦U6的14端輸出的控制信號(hào)加到三極管Q5的基級(jí),經(jīng)發(fā)射極輸出回到光耦U6的10端。P14輸出的制冷控制信號(hào)控制三極管Q4的導(dǎo)通,控制光耦U6的7腳,即控制光耦U6的10、9腳的導(dǎo)通與截至。在導(dǎo)通的情況下,由CB3LP芯片控制的信號(hào)經(jīng)過光耦U6的10、9腳給出經(jīng)過PID調(diào)節(jié)的制冷信號(hào)。