STM32CubeMX实战教学（1）：基于STM32的PID温控系统设计（直流）-Toy模板网

这篇具有很好参考价值的文章主要介绍了STM32CubeMX实战教学（1）：基于STM32的PID温控系统设计（直流）。希望对大家有所帮助。如果存在错误或未考虑完全的地方，请大家不吝赐教，您也可以点击"举报违法"按钮提交疑问。

在工业生产和科学实验中，温度常常是一个关键的因素，这时就要用到温控系统，在本文中将会基于STM32设计一个温控系统

Github：SuiXinSc/STM32 (github.com)

程序放在Q_qun：659512171

一，基础知识：

二，程序设计：

三，STM32CubeMX配置：

四，Keil编程：

1，测试：

(1)串口：

(2)ADC，PWM：

2，实际工程：

(1)电路设计：

(2)温度曲线拟合：

(3)PID控温：

(4)人机交互：

五，效果：

一，基础知识：

因为是温控系统，所以需要用一个温敏电阻（或热电偶）来检测实时温度（或者温度传感器，精度更高），而温敏电阻和热电偶都需要一个ADC来检测电压值计算温度，我在前面的一篇文章中讲过ADC+DMA读取电压传送门

PID简介： PID，就是“比例（proportional）、积分（integral）、微分（derivative）”，是一种很常见的控制算法，目的是让被控制的量保持稳定。P，I，D是三种不同的调节作用，可以分开用（P，I，D）也可以组合使用（PI，PD，PID）

P：P像一个弹簧，当目标与现有的差距越大时，P的力度就越大，就可以使现有值更快相目标值靠近；如果差距不大，P的力度也就较小，使现有值缓慢的向目标值逼近。P的系数KP越大，调节速度越快，但是越不容易稳住。有了P的作用，会使实际值在目标值附近抖动。

D：D就像刹车，使被控制的物理量不再抖动，D的系数KD越大，物理量的波动越稳，但是调节速度越慢。

似乎只需要PD两个就可以实现控制了，那么I 是干什么的？

I：I 的作用是修正误差，举个例子，当烧水时外界很冷，热水热量散逸速度等于P的加热速度，温度就上不去了，D又寻思着温度没啥变化，它也不用干活，温度就一直上不去，这时就需要I 这个值来修正了。I 是一个积分量，只要误差存在，就会不断积分，最后反映在修正力度上。I的系数KI越大，积分修正效果越明显。

所以可以得出，P、I、D分别对应的是“现在，过去，未来”，PID算法结合了这三者，实现精准的调控，常听到的PID调参调的其实就是P、I、D的系数，使得更加精确

另外，还需要明白如何实现温控，既然是温控，就需要有加热器（有时候还需要冷却器），要想实现高精度控制就需要控制功率，这里根据电源类型又可以分为两种：直流和交流

直流：直流调功比较简单，使用PWM脉宽调制再加一个驱动电路（三极管）即可，如果想要得到电压调节（即直流调压）的效果，只需在后面串接一个电感。但是有一点要注意，直流控制功率不能使用可控硅，因为可控硅有一个保持电流，只要流过的电流不低于这个值就不会断开（类似于自锁开关）。

交流：交流调功相对而言就比较复杂了，通常而言，交流控制电路需要一个过零检测来提供过零信号，并且常常使用双向可控硅，根据控制方式又可将其分为两类：相位控制和零位控制。

相位控制：使用相位控制的可控硅电力控制器叫做调压器，通过改变每个正弦波正半波和负半波的导通角来控制电压的大小，进而调节输出电压和功率大小。它的优点是控制精度高，输出时电表不会抖动，但缺点是当负载容量较大时，会产生谐波污染电网。适用于定阻抗负载，变阻抗负载，感性负载，灯管等。

零位控制：也叫周波控制，使用零位控制的可控硅电力控制器叫做调功器，其原理是将交流电分为多个周期（比如每1800°为一个周期），在一个周期内负载与电源接通几个周波再断开几个周波，通过控制接通周波与断开周波之比控制功率。应用简单且不会产生谐波干扰，但是控制精度有所降低，输出时电表会抖动。多用于电热丝等定阻抗负载。

在这一篇里只做直流调功，以后会专门出一篇讲解交流控制。

当然，既然是温控，肯定少不了执行器，这里使用PWM脉宽调制，也就是调节PWM信号的占空比来调节功率，如何调节PWM占空比和频率在之前的博文里讲过传送门

二，程序设计：

设计思路如下：使用ADC模块读取温敏电阻输出的电压值，计算出温度，然后使用PID算法计算PWM占空比。

三，STM32CubeMX配置：

打开STM32CubeMX，选择MCU，新建工程，配置RCC和调试

stm32 pid温控电路,STM32,# STM32CubeMX开发,# STM32实战,stm32,嵌入式硬件,单片机

开启ADC和PWM，配置ADC的DMA

stm32 pid温控电路,STM32,# STM32CubeMX开发,# STM32实战,stm32,嵌入式硬件,单片机

PWM里面的几个值我在之前的博文里都讲过，这里不再重复传送门

为了方便调试，这里把串口打开

stm32 pid温控电路,STM32,# STM32CubeMX开发,# STM32实战,stm32,嵌入式硬件,单片机

配置时钟树

stm32 pid温控电路,STM32,# STM32CubeMX开发,# STM32实战,stm32,嵌入式硬件,单片机

配置工程

stm32 pid温控电路,STM32,# STM32CubeMX开发,# STM32实战,stm32,嵌入式硬件,单片机

然后点击右上角的GENERATE CODE生成文件，点击Open Project打开工程。

四，Keil编程：

1，测试：

(1)串口：

打开工程，先编译一次，没有报错，打开usart.c，编写串口重定向 stm32 pid温控电路,STM32,# STM32CubeMX开发,# STM32实战,stm32,嵌入式硬件,单片机

/* USER CODE BEGIN 1 */
//发送的重定向，重定向以后可以使用printf等函数
int fputc(int ch, FILE *f)
{
    HAL_UART_Transmit(&huart1, (uint8_t *)&ch, 1, 0xFFFF);
    return ch;
}
 
//接收的重定向，重定向以后可以使用scanf等函数
int fgetc(FILE *f)
{		
	int ch;
	HAL_UART_Receive(&huart1, (uint8_t *)&ch, 1, 1000);	
	return (ch);
}
/* USER CODE END 1 */

如果使用printf函数需要使用微库（Micro LIB），可在魔术棒里打开

stm32 pid温控电路,STM32,# STM32CubeMX开发,# STM32实战,stm32,嵌入式硬件,单片机

(2)ADC，PWM：

然后再打开main.c，编写测试程序

stm32 pid温控电路,STM32,# STM32CubeMX开发,# STM32实战,stm32,嵌入式硬件,单片机


  /* USER CODE BEGIN 2 */
  uint32_t adc = 0;
  HAL_TIM_PWM_Start(&htim2,TIM_CHANNEL_1);
  HAL_ADC_Start_DMA(&hadc1,&adc,1);
  /* USER CODE END 2 */

  /* Infinite loop */
  /* USER CODE BEGIN WHILE */
  while (1)
  {
    /* USER CODE END WHILE */

    /* USER CODE BEGIN 3 */
    HAL_ADC_Start_DMA(&hadc1,&adc,1);
    printf("%d\r\n",adc);
    HAL_Delay(500);
  }
  /* USER CODE END 3 */

然后编译，下载，连接好串口调试助手，观察现象

stm32 pid温控电路,STM32,# STM32CubeMX开发,# STM32实战,stm32,嵌入式硬件,单片机

可以看到，ADC已经正常读取了（这时还没有接入温敏电阻），然后更改程序，测试PWM脉宽调制 stm32 pid温控电路,STM32,# STM32CubeMX开发,# STM32实战,stm32,嵌入式硬件,单片机

  /* USER CODE BEGIN 2 */
  uint32_t adc = 0;
  HAL_TIM_PWM_Start(&htim2,TIM_CHANNEL_1);
  HAL_ADC_Start_DMA(&hadc1,&adc,1);
  /* USER CODE END 2 */

  /* Infinite loop */
  /* USER CODE BEGIN WHILE */
  while (1)
  {
    /* USER CODE END WHILE */

    /* USER CODE BEGIN 3 */
    HAL_ADC_Start_DMA(&hadc1,&adc,1);
    printf("%d\r\n",adc);
    __HAL_TIM_SET_COMPARE(&htim2,TIM_CHANNEL_1,adc/41);
    HAL_Delay(500);
  }
  /* USER CODE END 3 */

在PA0上接一个LED，改变PA1的电压，可以看到LED的亮度跟随电压的变化而变化，这里将adc的值除以41是因为adc的最大值为4095，但由于我们设置的PWM自动重装值为100，当脉冲长度设为100时，已经是100%占空比了，所以需要除以一个41

2，实际工程：

(1)电路设计：

测试结束，接下来需要先将外围电路设计好

stm32 pid温控电路,STM32,# STM32CubeMX开发,# STM32实战,stm32,嵌入式硬件,单片机

这里面R1是温敏电阻的分压电阻，当Rt的阻值改变时，PA1的电压也会改变，R1根据使用的温敏电阻参数选择， 一般选取与温敏电阻常温阻值接近的电阻（当时选错了电阻，用的是100k的温敏电阻和47k的定值电阻）

(2)温度曲线拟合：

温敏电阻的阻值变化不是线性的，其电阻与温度的关系可近似于二次函数的一部分，所以需要先连接好电路，使用测试程序测得在不同温度下的ADC值（一定要有两个近似于极端值的值，不然拟合出来的结果使用时可能会出错），列表记录多组数据（不少于3组），然后找一个网站拟合曲线得到函数解析式（以ADC值为x，温度为F(x) ），以后会出一篇文章讲讲最小二乘拟合函数

使用这种方法不需要将ADC变换为阻值再对照出温度，直接用ADC的值就可以计算出温度

计算出解析式后，放到程序中，测试输出

stm32 pid温控电路,STM32,# STM32CubeMX开发,# STM32实战,stm32,嵌入式硬件,单片机

stm32 pid温控电路,STM32,# STM32CubeMX开发,# STM32实战,stm32,嵌入式硬件,单片机可以看到，拟合精度还是比较高的

(3)PID控温：

创建两个文件，control.c 和control.h 用于编写控制函数（不创建在main.c中写也可以，取决于个人喜好），编写PID控制程序

control.c：

stm32 pid温控电路,STM32,# STM32CubeMX开发,# STM32实战,stm32,嵌入式硬件,单片机

#include "control.h"
#include "tim.h"

#define KP 3.0           // 比例系数
#define KI 0.1           // 积分系数
#define KD 0.03          // 微分系数
 
double PWM = 0.0;        //控制信号

double integral = 0.0;   // 积分项，历史误差
double derivative = 0.0; // 微分项，变化趋势

double Error = 0.0;      //当前误差
double LastError = 0.0;  //上次误差

void PID_Control(double Now,double Set){
  /*PID算法*/
  Error = Set - Now;
  integral += Error;
  derivative = Error - LastError;
  PWM = KP * Error + KI * integral + KD * derivative;// 
  LastError = Error;
  /*约束占空比的值*/
  if(PWM > 100){
    PWM = 100;
  }else if(PWM < 0){
    PWM = 0;
  }
  /*更新占空比*/
  __HAL_TIM_SET_COMPARE(&htim2,TIM_CHANNEL_1,PWM);
}

control.h：

stm32 pid温控电路,STM32,# STM32CubeMX开发,# STM32实战,stm32,嵌入式硬件,单片机

#ifndef __CONTROL_H_
#define __CONTROL_H_

#include "main.h"
#include "math.h"

void PID_Control(double Now,double Set);

#endif

然后在主程序中包括 control.h，应用PID_Control函数

stm32 pid温控电路,STM32,# STM32CubeMX开发,# STM32实战,stm32,嵌入式硬件,单片机

/* USER CODE BEGIN Includes */
#include "stdio.h"
#include "control.h"
/* USER CODE END Includes */

  /* USER CODE BEGIN 2 */
  uint32_t adc = 0;
  int temp;
  HAL_TIM_PWM_Start(&htim2,TIM_CHANNEL_1);
  HAL_ADC_Start_DMA(&hadc1,&adc,1);
  /* USER CODE END 2 */

  /* Infinite loop */
  /* USER CODE BEGIN WHILE */
  while (1)
  {
    /* USER CODE END WHILE */

    /* USER CODE BEGIN 3 */
    HAL_ADC_Start_DMA(&hadc1,&adc,1);
    temp = 0.0000031352*adc*adc+0.000414*adc+8.715;
    printf("%d\r\n",temp);
    PID_Control(temp,20);
    HAL_Delay(500);
  }
  /* USER CODE END 3 */

连接好外围电路，编译，下载，运行，可以发现温度已经稳定到设定温度了，下一步就是写一个程序来更改设定温度（也就是人机交互），这里直接在Keil中定义几个GPIO，使用按键更改，通过串口返回当前设定值

(4)人机交互：

gpio.c：

void MX_GPIO_Init(void)
{
  /* GPIO Ports Clock Enable */
  __HAL_RCC_GPIOD_CLK_ENABLE();
  __HAL_RCC_GPIOA_CLK_ENABLE();
  __HAL_RCC_GPIOB_CLK_ENABLE();
  
  GPIO_InitTypeDef GPIO_Initstruct;
  
  GPIO_Initstruct.Pin = GPIO_PIN_12|GPIO_PIN_13;
  GPIO_Initstruct.Mode = GPIO_MODE_INPUT;
  GPIO_Initstruct.Pull = GPIO_PULLUP;
  GPIO_Initstruct.Speed = GPIO_SPEED_LOW;
  
  HAL_GPIO_Init(GPIOB,&GPIO_Initstruct);
}

main.c：

  /* USER CODE BEGIN 2 */
  uint32_t adc = 0;
  double set_temp,temp;
  HAL_TIM_PWM_Start(&htim2,TIM_CHANNEL_1);
  HAL_ADC_Start_DMA(&hadc1,&adc,1);
  /* USER CODE END 2 */

  /* Infinite loop */
  /* USER CODE BEGIN WHILE */
  while (1)
  {
    /* USER CODE END WHILE */

    /* USER CODE BEGIN 3 */
    /*查询按键是否按下*/
    if(HAL_GPIO_ReadPin(GPIOB,GPIO_PIN_12) == 0){
      HAL_Delay(10);
      if(HAL_GPIO_ReadPin(GPIOB,GPIO_PIN_12) == 0){
        set_temp += 1;
        while(HAL_GPIO_ReadPin(GPIOB,GPIO_PIN_12) == 0);
      }
    }else if(HAL_GPIO_ReadPin(GPIOB,GPIO_PIN_13) == 0){
      HAL_Delay(10);
      if(HAL_GPIO_ReadPin(GPIOB,GPIO_PIN_13) == 0){
        set_temp -= 1;
        while(HAL_GPIO_ReadPin(GPIOB,GPIO_PIN_13) == 0);
      }
    }
    /*约束温度设定值*/
    if(set_temp > 50){
      set_temp = 50;
    }else if(set_temp < 0){
      set_temp = 0;
    }
    /*读取ADC，串口返回数据，PID控制*/
    HAL_ADC_Start_DMA(&hadc1,&adc,1);
    temp = 0.0000031352*adc*adc+0.000414*adc+8.715;
    printf("Set temputer: %d\r\n",(int)set_temp);
    printf("Now temputer: %d\r\n",(int)temp);
    printf("\r");
    PID_Control(temp,set_temp);
    HAL_Delay(80);
  }
  /* USER CODE END 3 */