CB3LP芯片在溫度控制系統(tǒng)中的應(yīng)用

 CB3LP芯片簡介及內(nèi)部原理框圖

　　CB3LP芯片是北京泛析智能控制技術(shù)有限公司依據(jù)自主知識產(chǎn)權(quán)的科研成果“直覺智能控制技術(shù)”(Sensorial Intelligence Control，簡稱“SIC”)，而研制成功的一種芯片產(chǎn)品。該產(chǎn)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(shù)，使工程師能夠簡便迅捷地設(shè)計(jì)各種全智能模糊控制器。

　　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。對于時(shí)變參數(shù)、時(shí)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(nèi)電路構(gòu)造智能積分運(yùn)算，實(shí)現(xiàn)控制無靜差；在線自動調(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)動態(tài)性能最優(yōu)化；CB3LP動、靜態(tài)控制品質(zhì)優(yōu)于模糊控制；在線（或離線）調(diào)整控制性能簡單；抗干擾能力強(qiáng)。由于有這么多明顯的技術(shù)優(yōu)勢，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(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；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。熒光檢測部分包括激勵(lì)光源、光電倍增管、信號采集與處理等部分。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報(bào)告信息等；同時(shí)，在上位機(jī)里，根據(jù)所測樣品的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)出給定溫度信號給單片機(jī)，經(jīng)DAC芯片（AD667）轉(zhuǎn)換成模擬信號，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)，測溫電橋?qū)T100鉑電阻轉(zhuǎn)變成微弱的電壓信號，經(jīng)過三運(yùn)放INA118和兩級單運(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。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(jīng)PID調(diào)節(jié)好的加熱、制冷控制信號給半導(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(zhuǎn)變成微弱的電壓信號。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阻值會有相應(yīng)變化，B、D兩端電勢不再相等，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也會發(fā)生變化。

根據(jù)PT1與VBD的函數(shù)關(guān)系，通過檢測橋路的非平衡電壓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 測溫電橋及信號放大電路

由PT100鉑電阻轉(zhuǎn)變成得微弱的電壓信號，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。

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)，并且具有自動校零和自動極性轉(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/啟動信號，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腳為被測電壓的輸入端，接收來自測溫電路的放大信號，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(shí)，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(shù)字輸入信號：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

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，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，經(jīng)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(jīng)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(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芯片控制的信號經(jīng)過U6的12、11給出經(jīng)過PID調(diào)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(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。

圖7 CB3LP芯片控制電路