基于CB3LP在温度控制系统中的设计应用

    CB3LP具有本质抗干扰能力，任何用单片机构造的模糊控制器都不能与之比拟。对于时变参数、时变大纯滞后难控被控对象，CB3LP控制波动小于0.2%；对于易控被控对象，CB3LP控制波动小于0.1‰。CB3LP外接一只电容和两只二极管与内电路构造智能积分运算，实现控制无静差；在线自动调整（嵌入单片机实施）或离线人工调整CB3LP外接电阻，使控制响应动态性能最优化；CB3LP动、静态控制品质优于模糊控制；在线（或离线）调整控制性能简单；抗干扰能力强。由于有这么多明显的技术优势，其应用范围很广，普遍应用于高精度控制时变参数、时变大纯滞后等难控对象；也可以替代PID控制器高精度控制易控被控对象。

    CB3LP是函数型模糊控制芯片，它集成了一个函数化模糊推理，即直觉智能控制函数，一个运算放大器和一个PWM发生器，用于构造智能控制器。CB3LP的控制给定输入和反馈输入均为模拟电压信号；控制输出分为模拟和PWM两路输出，客户自选；通过改变外电路器件，可以加入双模态控制和智能积分运算。其引脚功能参见图1。

图1  CB3LP内部原理框图

CB3LP芯片在荧光定量PCR温度控制系统中的设计思路

    荧光定量PCR系统由基本PCR、荧光检测和上位机等部分组成。基本PCR是此仪器的基础，包括半导体制冷片、温度采集与处理等部分，必须具有精确控温、快速升降温、温度均匀一致等PCR仪的基本要求，保证PCR过程的顺利完成。荧光检测部分包括激励光源、光电倍增管、信号采集与处理等部分。上位机部分包括数据采集和系统分析软件，主要负责从下位机采集数据，形成实时图形，并进行数据处理和图形分析，得到目标DNA片段的含量和其他检测报告信息等；同时，在上位机里，根据所测样品的PCR反应条件，设置相应的温度参数、控温时间以及循环次数等，然后使系统进入快速升温、恒温、快速降温、恒温等PCR循环过程，直至所有的循环结束。

    图2所示是CB3LP芯片在温度控制系统中的原理框图。上位机通过串口发出给定温度信号给单片机，经DAC芯片（AD667）转换成模拟信号，由双运放LM358放大后，加到CB3LP芯片的控制给定输入端；同时，测温电桥将PT100铂电阻转变成微弱的电压信号，经过三运放INA118和两级单运放3140放大后，分两路输出，一路到CB3LP芯片，另一路到ADC芯片AD574，转换成数字信号后送至单片机和设定温度进行比较，控制单片机输出加热、制冷控制信号。最后，再通过光耦和CB3LP芯片输出的PID控制信号混合输出已经PID调节好的加热、制冷控制信号给半导体制冷片的电源换向电路，实现制冷片的加热和制冷精确控温。

图2  CB3LP芯片在温度控制系统中的原理框图

CB3LP芯片在温度控制系统中的具体应用设计

1.测温电桥及信号放大电路

    测温电桥及信号放大电路如图3所示，由R5、R7、R8、R9、PT1铂电阻组成测温电桥，将PT100铂电阻转变成微弱的电压信号。PT100在0℃的时候电阻值为100Ω，然后温度每升高一度，电阻值增加0.385Ω。在0℃条件下，使PT1电阻为100Ω，调节R9，使桥的B、D两端电势相等，这时电桥达到平衡。当外界温度改变时，传感器PT100阻值会有相应变化，B、D两端电势不再相等，这时电桥处于非平衡状态。B、D之间有负载电阻R10、R11，其输出电压为VBD。如果使R5、R7和R8保持不变，那么PT1变化时VBD也会发生变化。

    根据PT1与VBD的函数关系，通过检测桥路的非平衡电压VBD，能反应出桥臂电阻PT1的微小变化，这就是非平衡电桥工作的基本原理。为使测温更准确，没有使用外接电源的+5V供电，而是使用了稳压器TL431，其VOUT=(1+R3/R4)·Vref=2×2.5V=5V。

图3 测温电桥及信号放大电路

    由PT100铂电阻转变成得微弱的电压信号，经三运放集成电路INA118放大10倍左右。INA118内部原理框图如图4所示。放大倍数G=1+50kΩ/R12=1+50/5.1=10.8。经过三运放放大后的电压信号再经两个3140单运放放大加到CB3LP芯片的放大器同名输入端1脚，同时也加到AD转换芯片U11（AD574）的13脚，转换成数字信号后送给单片机89C52,和设定温度进行比较，控制单片机P13、P14输出加热、制冷控制信号。

图4  INA118内部原理框图

    传感器使用PT100铂电阻，由于铂电阻通过微小电压进行温度测量，容易受干扰，而且铂电阻非常小，容易折断顺坏，因此安装时要仔细，并尽量远离干扰源。信号放大电路使用运放电路，要仔细调节运放的调零电阻，使运放调零。

2.单片机及其外围电路

    图5是单片机及其外围电路图，由ATMEL 89C52组成了单片机系统，AD和DA部分都使用了12bit转换芯片(AD芯片AD574A，DA芯片DA667)以提高控温精度。AD574A是美国模拟数字公司推出的单片高速12位逐次比较型A/D转换器，内置双极性电路构成的混合集成转换芯片，具有外接元件少、功耗低、精度高等特点，并且具有自动校零和自动极性转换功能，只需外接少量的阻容件即可构成一个完整的A/D转换器。AD574A共有12根数据线，AT89C52的P0与AD574的高8位数据线直接相接，AD574A的低4位数据线与单片机的高半4位P0.4?P0.7直接相接，数据的读取是依靠单片机的控制线进行分时选通进行。AD574A的12和8脚是数据格式选择端，高电平时，12位数据同时有效；低电平时第一次输出高8位，第二次输出低4位有效，高4位为零。本电路此脚接地，选择用2次输出16bit数据，其中的12bit数据是我们需要的。AD574A的4脚A0/SC是字节选择线，在转换期间，当A0为0，AD574A进行12位数据转换；当A0为1，AD574A进行8位数据转换，P2.3接A0。P2.2接读转换数据控制脚R/C，R/C是读/启动信号，高电平读数据，低转换。STS是工作状态输出端，高电平表示正在转换，低电平表示转换完毕。AD574的13脚为被测电压的输入端，接收来自测温电路的放大信号，因为还使用了一片AD667 D/A转换芯片，所以CS端受单片机控制，转换器使用±12V电源电压供电。

图5 单片机及其外围电路图

    AD667也是美国模拟数字公司推出的单片高速12bit的D/A转换器，控制信号端如下：CS：D/A锁存器片选端(低电平有效)，只有CS端为有效信号时，才会启动锁存器。REFout：参考输出。REFin：参考输入。SPAN(10)，SPAN(20)：10V、20V量程。SUM：求和端。

    数字输入信号：DB0～DB11为数字输入端，和单片机P0口相连，和AD574A一样，数据的读取是依靠单片机的控制线进行分时选通。A0～A3为地址译码输入端，AD667的9脚Vout为模拟量输出端，其输出电压范围可通过硬件编程选择，并可实现单极性和双极性输出。此脚输出的模拟信号经过双运放LM358（U5）放大后加到CB3LP芯片的控制给定输入端15脚。AD667的内部框图如图6所示。

图6  AD667的内部框图

图7 CB3LP芯片控制电路

3。CB3LP芯片控制电路

    图7所示是CB3LP芯片控制电路图。从上位机即PC给出的设定目标温度值通过串口送到单片机89C52，由DA转换芯片U12(DA667)转换成模拟信号，经过双运放LM358（U5）放大后加到CB3LP芯片的控制给定输入端15脚；CB3LP的PWM控制输出端13脚输出PWM信号，经Q2射级跟随加到光耦合器U6(TLP521-4)的1、3端，由U6的16、14端输出；U6的16端输出的控制信号加到三极管Q6的基级，经集电极输出回到U6的12端。P13输出的加热控制信号控制三极管Q3的导通，控制光耦U6的5脚，即控制光耦U6的12、11的导通与截至，在导通的情况下，由CB3LP芯片控制的信号经过U6的12、11给出经过PID调节的加热信号。光耦U6的14端输出的控制信号加到三极管Q5的基级，经发射极输出回到光耦U6的10端。P14输出的制冷控制信号控制三极管Q4的导通，控制光耦U6的7脚，即控制光耦U6的10、9脚的导通与截至。在导通的情况下，由CB3LP芯片控制的信号经过光耦U6的10、9脚给出经过PID调节的制冷信号。