【文章內(nèi)容簡介】 C4 的主板設(shè)計、集成運放AD620 的電路設(shè)計、采樣電路設(shè)計、PID 智能控制儀表電路連接，各部分之間連接關(guān)系前章已經(jīng)做過介紹，以下幾節(jié)將分別對 STM32F101 單片機、集成運放AD6采樣電路和 PID 智控儀表的設(shè)計進行詳細說明。 STM32F101C4 的主板設(shè)計STM32F101xx 基本型系列使用高性能的 ARM CortexM3 32 位的 RISC 內(nèi)核，工作頻率為 36MHz，內(nèi)置高速存儲器(高達 128K 字節(jié)的閃存和 16K 字節(jié)的 SRAM)，豐富的增強型外設(shè)和 I/O 端口聯(lián)接到兩條 APB 總線。所有型號的器件都包含 1個 12 位的 ADC 和 3 個通用 16 位定時器，還包含標(biāo)準(zhǔn)的通信接口：2 個 I2C、2個 SPI 和 3 個 USART。ARM 的 CortexM3 處理器是最新一代的嵌入式 ARM 處理器，它為實現(xiàn) MCU的需要提供了低成本的平臺、縮減的管腳數(shù)目、降低的系統(tǒng)功耗，同時提供卓越的計算性能和先進的中斷系統(tǒng)響應(yīng)。STM32F101xx 基本型系列擁有內(nèi)置的 ARM核心，因此它與所有的 ARM 工具和軟件兼容。STM32F101xx 基本型內(nèi)置嵌套的向量式中斷控制器，能夠處理多達 43 個可屏蔽中斷通道(不包括 16 個 CortexM3 的中斷線)和 16 個優(yōu)先級。STM32F101xx 基本型系列工作于40176。C 至+85176。C 的溫度范圍， 至 的工作電壓，一系列的省電模式滿足低功耗應(yīng)用的需求。完整的STM32F101xx 基本型系列產(chǎn)品包括從 36 腳至 100 腳的三種不同封裝形式；根據(jù)不同的封裝形式，器件中的外設(shè)配置不盡相同。本方案中所采用的 STM32F101C4 為 48 管腳封裝形式，各管腳功能如圖 14圖 根據(jù)不同的封裝形式，器件中的外設(shè)配置不盡相同。這些豐富的外設(shè)配置，使得 STM32F101xx 基本型系列微控制器適用于多種應(yīng)用場合。其中本方案采取的單片機供電電路如圖 圖 15其中 AS1117 是一款低壓差的線性穩(wěn)壓器，能夠提供完善的過流保護和過熱保護功能（AS1117 正常工作環(huán)境溫度范圍極寬，為50℃～140℃） ，確保芯片和電源系統(tǒng)的穩(wěn)定性。同時在產(chǎn)品生產(chǎn)中應(yīng)用先進的修正技術(shù)，確保輸出電壓和參考源精度在177。1%的精度范圍內(nèi)。 AS1117 采用 SOT223,TO252 封裝形式。電路圖中 C12 為輸入旁路電容，輸出端接電容 C14 為保證電路的穩(wěn)定性?；赟TM32F101C4的單片機系統(tǒng)是測量電路的核心部分，被測缸蓋溫度傳感器電阻隨溫度的變化由采樣電路采集后經(jīng)集成運放AD620轉(zhuǎn)化為電壓變化通過接口電路傳給上位機進行顯示，上位機同時接收PID智能儀表反饋的加熱腔體實時溫度通過圖表顯示對比，從而實現(xiàn)對被測溫度傳感器不同溫度下阻值變化曲線與給定標(biāo)準(zhǔn)變化曲線的對比，進而測定被測傳感器的精度系數(shù)。 集成運放AD620的電路設(shè)計在很多信號采集系統(tǒng)中,信號變化的幅度都比較大 ,如果采用單一的增益放大,那么放大以后的信號幅值有可能超過A/ D 轉(zhuǎn)換的量程,所以必須根據(jù)信號的變化相應(yīng)調(diào)整放大器的增益。在自動化程度要求較高的系統(tǒng)中, 希望能夠在程序中用軟件控制放大器的增益, 或者放大器本身能自動將增益調(diào)整到適當(dāng)?shù)姆秶D620正是這樣一種具有程控增益調(diào)整功能的芯片，它是美國ADI公司的專利產(chǎn)品,是一個低噪、90MHz帶寬增益可調(diào)的集成運放,如增益用分貝表示,則增益與控制電壓成線性關(guān)系,壓擺率為275V/μs。管腳間的連接方式?jīng)Q定了可編程的增益范圍,增益在11～+30dB時的帶寬為90MHz ,增益在+9～+41dB 時具有9MHz帶寬,改變管腳間的連接電阻,可使增益處在上述范圍內(nèi)。集成電路可應(yīng)用于射頻自動增益放大器、視頻增益控制、A /D轉(zhuǎn)換量程擴展和信號測量系統(tǒng)。AD620是一款低成本、高精度儀表放大器，僅需要一個外部電阻來設(shè)置增益，增益范圍為1至10,000。此外，AD620采用8引腳SOIC和DIP封裝，尺寸小于分立式設(shè)計，并且功耗較低( mA)，因此非常適合電池供電的便攜式(或遠程)應(yīng)用。AD620具有高精度(最大非線性度40 ppm)、低失調(diào)電壓(最大50 181。V)和低失調(diào)漂移( 181。V/176。C)特性，由于其輸入級采用Superβeta處理，因此可以 nA的低輸入偏置電流。AD620在1 kHz時具有9 nV/Hz的低輸入電壓噪聲， Hz至10 181。V峰峰值，輸入電流噪聲為16，因而作為前置放大器使用效果很好。同時，%建立時間為15 181。s，非常適合多路復(fù)用應(yīng)用；而且成本很低，足以實現(xiàn)每通道一個儀表放大器的設(shè)計。Ad620的8管腳是要跨接一電阻來調(diào)節(jié)放大倍率的，7管腳需要提供正負(fù)相等的工作電壓，由3接腳輸入的放大電壓即可從接腳6輸出放大電阻值。接腳5則是參考基率，如果接地則管腳6輸出的即為與地之間的相對電壓。17圖 其中 8 管腳并聯(lián)兩個相同電路來設(shè)置四種不同的放大倍率，6 管腳輸出的電壓經(jīng)過電阻 R88 分壓，再與單片機 STM32F101C4 PA7 管腳連接作為模擬輸入，從而實現(xiàn)了 AD620 集成運放與單片機處理器的采樣連接。 采樣電路設(shè)計信號采樣電路采用四種選擇電路，由于不同的輸入電阻值會使集成運放AD620出現(xiàn)不同的電壓放大倍數(shù)，故并聯(lián)了四組不同的電阻，從而擴展了測試感溫元件的種類。18圖 本方案測試對象為缸蓋溫度傳感器，由于在測量感溫元件時，只有一組電阻接入電路，不同的電阻值使集成運放 AD620 對不同的感溫元件在相同的溫度下輸出不同的電壓值，因此本方案實際測量中只需接通一組電阻，輸出端直接與 STM32F101 連接。 宇電 AI519 型 PID 連接電路設(shè)計目前工業(yè)自動化水平已成為衡量各行各業(yè)現(xiàn)代化水平的一個重要標(biāo)志。同時，控制理論的發(fā)展也經(jīng)歷了古典控制理論、現(xiàn)代控制理論和智能控制理論三個階段。智能控制的典型實例是模糊全自動洗衣機等。自動控制系統(tǒng)可分為開環(huán)控制系統(tǒng)和閉環(huán)控制系統(tǒng)。一個控制系統(tǒng)包括控制器、傳感器、變送器、執(zhí)行機構(gòu)、輸入輸出接口?？刂破鞯妮敵鼋?jīng)過輸出接口、執(zhí)行機構(gòu)，加到被控系統(tǒng)上；控制系統(tǒng)的被控量，經(jīng)過傳感器，變送器，通過輸入接口送到控制器。不同的控制系統(tǒng)，其傳感器、 變送器、執(zhí)行機構(gòu)是不一樣的。比如壓力控制系統(tǒng)要采用壓力傳感器。電加熱控制系統(tǒng)的傳感器是溫度傳感器。目前，PID控制及其控制器或智能PID控制器 （儀表）已經(jīng)很多，產(chǎn)品已在工程實際中得到了廣泛的應(yīng)用，有各種各樣的PID控制器產(chǎn)品，各大公司均開發(fā)了具有PID參數(shù)自整定功能的智能調(diào)節(jié)器 (intelligent regulator)，其中PID控制器參數(shù)的自動調(diào)整是通過智能化調(diào)整或自校正、自適應(yīng)算法來實現(xiàn)。有利用PID控制實現(xiàn)的壓力、溫度、流量、液位控制 器，能實現(xiàn)PID控制功能的可編程控制器(PLC)，還有可實現(xiàn)PID控制的PC系統(tǒng)等等?？删幊炭刂破?PLC) 是利用其閉環(huán)控制模塊來實現(xiàn)PID控制，而可編程控制器(PLC)可以直接與ControlNet相連，如Rockwell的PLC5等。還有可以實現(xiàn) PID控制功能的控制器，如Rockwell 的Logix產(chǎn)品系19列，它可以直接與ControlNet相連，利用網(wǎng)絡(luò)來實現(xiàn)其遠程控制功能。而本課題中采用的是宇電/AI519型PID，下面簡單介紹AI519人工智能調(diào)節(jié)其的主要特點及性能：(1)輸入可自由選擇熱電偶、熱電阻、電壓及電流，內(nèi)含非線性校正表格，無需校正，測量精確穩(wěn)定。(2)采用先進的 AI人工智能PID調(diào)節(jié)算法，無超調(diào)，具備自整定（AT）功能。(3)具備手動 /自動無擾動切換功能及上電軟啟動功能。(4)采用宇電公司新一代 %高精度電流輸出模塊X3/X5，大大提高了變送及調(diào)節(jié)輸出精度。(5)采用先進的模塊化結(jié)構(gòu)，提供豐富的輸出規(guī)格，能廣泛滿足各種應(yīng)用場合的需要，交貨迅速且維護方便。(6)人性化設(shè)計的操作方法，易學(xué)易用；并允許編輯現(xiàn)場參數(shù)及自設(shè)定密碼，“定制”自己的儀表。(7)全球通用的 100~240VAC輸入范圍開關(guān)電源或24VDC電源供電，多種面板外型尺寸，具備 50Hz/60Hz電源頻率及℃ /℉單位選擇功能。(8)“發(fā)燒”級硬件設(shè)計，大量采用鉭電容或陶瓷電容替代電解電容，具備比同級產(chǎn)品更低的電源消耗、更高的可靠性、穩(wěn)定性及更寬廣的溫度使用范圍；其電源及 I/O端子均通過4KV/5KHz的群脈沖抗干擾實驗測試。(9)通過 ISO9001質(zhì)量認(rèn)證和CE認(rèn)證，在質(zhì)量、抗干擾能力及安全標(biāo)準(zhǔn)方面達到國際水準(zhǔn)。注意事項:儀表在使用前應(yīng)根據(jù)其輸入、輸出規(guī)格及功能要求來正確設(shè)置參數(shù)。只有配置好參數(shù)的儀表才能投入使用。：20圖 其中線性電壓量程在 500mV 以下的由 118 端輸入，0~5V 及 1~5V 的信號由 118 端輸入；4~20mA 線性電流輸入可用 250 歐電阻變?yōu)?1~5V 電壓信號，然后從 118 端輸入；也可在 MIO 位置安裝 I4 模塊后，從 14+、15端輸入或直接從 16+、14接二線制變送器；不同分度號的熱電偶采用的熱電偶補償導(dǎo)線不同，采用內(nèi)部自動補償模式時，補償導(dǎo)線應(yīng)直接接到儀表后蓋的接線端子上，中間不能轉(zhuǎn)成普