代码收藏家技术教程 2024-10-04

STM32高精度PID温控系统设计与实现：Pt1000温度传感器与PWM控制技术的深度应用

一、项目概述

随着科技的发展和工业自动化的普及，高精度的温度控制系统在各个领域的应用越来越广泛，如实验室设备、食品加工、电子元器件测试等。本项目基于 STM32 微控制器设计了一种快速、高精度的 PID 温控系统。该系统采用比例积分微分（PID）控制算法，能够实时监测和调整温度，确保控制精度。

项目目标

本项目旨在开发一个能够快速响应并高精度控制温度的系统，适用于对温控的响应速度和精度要求较高的场合。系统将通过上位机进行设定温度输入，同时监控系统的运行状态。

技术栈关键词

硬件：STM32 微控制器、Pt1000 温度传感器、TLP521-1 光电耦合器、BD237 功率晶体管、FTA951 热电冷却器（TEC）

软件：PID 控制算法、PWM 控制、串口通信

开发环境：Keil MDK，STM32CubeMX

二、系统架构

设计系统架构

本系统采用 STM32 作为主控单元，温度采集电路通过 Pt1000 电阻温度计进行温度传感。TLP521-1 光电耦合器与 BD237 功率晶体管的组合用于驱动 TEC。PWM 信号用于控制 TEC 的工作状态，进而实现温度调节。

系统架构图

设定温度

读取温度

温度信号

PWM信号

驱动

控制

串口监控

上位机

STM32 MCU

Pt1000 温度传感器

TLP521-1 光电耦合器

BD237 功率晶体管

FTA951 热电冷却器TEC

组件选择

STM32 微控制器：选择 STM32F103C8T6，具有较强的处理能力和丰富的外设接口。

Pt1000 温度传感器：高精度，适用于温度测量。

TLP521-1 光电耦合器：用于隔离控制信号和功率电路。

BD237 功率晶体管：用于驱动 TEC，控制大电流。

FTA951 热电冷却器：用于温度控制，快速响应。

三、环境搭建和注意事项

环境搭建

硬件连接：
将 Pt1000 温度传感器连接到 STM32 的 ADC 引脚。
使用 TLP521-1 光电耦合器将 STM32 的 PWM 输出连接到 BD237 功率晶体管。
将 BD237 的输出连接到 FTA951 热电冷却器。
软件准备：
安装 STM32CubeMX 和 Keil MDK 开发环境。
配置 STM32 的 ADC、PWM、串口等外设。

注意事项

确保电路连接正确，避免短路和干扰。

在调试过程中，注意温度传感器的校准，确保测量准确。

避免 TEC 超负荷工作，以免损坏。

四、代码实现过程

在本节中，我们将详细介绍基于 STM32 的 PID 温控系统的代码实现过程，包括温度采集、PID 控制算法的实现、PWM 输出控制等。每个模块将配有代码示例和详细说明，以确保代码逻辑清晰、易于理解和维护。

1.主程序框架

代码示例

以下是 STM32 PID 温控系统的主程序框架，包含温度采集、PID 控制和 PWM 输出的核心代码。

#include "stm32f4xx.h"
#include "pid.h"
#include "temperature.h"
#include "pwm.h"
#include "usart.h"

// PID 控制参数和目标温度
float setpoint = 25.0; // 设定温度（目标温度）
PID_Controller pid;     // PID 控制器实例

void setup() {
    USART_Init();           // 初始化串口
    ADC_Init();             // 初始化ADC，用于温度采集
    PWM_Init();             // 初始化PWM，用于控制TEC
    PID_Init(&pid, 1.0, 0.1, 0.01); // 初始化PID控制器，设置Kp, Ki, Kd
}

int main() {
    setup();                // 进行系统初始化
    while (1) {
        // 获取当前温度
        float current_temp = Get_Temperature(); 

        // 计算PWM值
        float pwm_value = PID_Compute(&pid, setpoint, current_temp);

        // 根据计算得到的PWM值进行控制
        Set_PWM(pwm_value); 

        // 通过串口输出当前温度和PWM值，便于调试
        USART_Send(current_temp, pwm_value);

        // 延时，避免程序过快循环
        HAL_Delay(1000); // 每秒更新一次
    }
}

代码说明

库文件引用：
#include "stm32f4xx.h"：包含 STM32F4 系列的标准库。
其他头文件如 pid.h、temperature.h、pwm.h 和 usart.h 分别用于 PID 控制、温度读取、PWM 控制和串口通信。
全局变量定义：
float setpoint = 25.0;：设定温度为 25°C，用户可以根据需求调整此值。
PID_Controller pid;：创建一个 PID 控制器实例，用于管理 PID 控制的参数和状态。
系统初始化：
USART_Init()：初始化串口，用于数据传输和调试。
ADC_Init()：初始化 ADC 模块，用于读取温度传感器的数据。
PWM_Init()：初始化 PWM 模块，用于控制热电冷却器（TEC）的输出。
PID_Init(&pid, 1.0, 0.1, 0.01)：初始化 PID 控制器，并设置比例（Kp）、积分（Ki）和微分（Kd）参数。
主循环：
Get_Temperature()：调用温度读取函数，获取当前温度值。
PID_Compute(&pid, setpoint, current_temp)：根据设定温度和当前温度计算 PWM 控制值。
Set_PWM(pwm_value)：根据 PID 计算得到的 PWM 值调整 TEC 的工作状态。
USART_Send(current_temp, pwm_value)：通过串口发送当前温度和 PWM 值，便于监控和调试。
HAL_Delay(1000)：延时 1 秒，以避免循环过快导致 CPU 占用过高。

2.温度读取模块

代码示例

以下是温度读取模块代码，使用 ADC 读取 Pt1000 温度传感器的温度。

#include "temperature.h"

float Get_Temperature() {
    // 启动 ADC 转换
    HAL_ADC_Start(&hadc1);

    // 等待 ADC 转换完成
    HAL_ADC_PollForConversion(&hadc1, HAL_MAX_DELAY);

    // 获取 ADC 转换结果
    uint32_t adc_value = HAL_ADC_GetValue(&hadc1);

    // 将 ADC 值转换为温度（假设线性关系）
    float temperature = (adc_value / 4095.0) * 100.0; // 线性转换，假设满量程为 100°C
    
    return temperature; // 返回温度值
}

代码说明

函数定义：

float Get_Temperature()：定义一个函数，用于读取温度传感器的值并返回当前温度。

ADC 启动和转换：

HAL_ADC_Start(&hadc1)：启动 ADC 转换。hadc1 是 ADC 的句柄，需根据具体配置进行定义。

HAL_ADC_PollForConversion(&hadc1, HAL_MAX_DELAY)：等待 ADC 转换完成。此函数会阻塞，直到转换结束。

获取 ADC 值：

uint32_t adc_value = HAL_ADC_GetValue(&hadc1)：获取 ADC 转换的结果，返回值为 ADC 的数字表示（0 到 4095，通常为 12 位分辨率）。

温度转换：

float temperature = (adc_value / 4095.0) * 100.0：将 ADC 值转换为温度值。这里假设 Pt1000 温度传感器的输出为线性关系，满量程为 100°C，具体转换关系需根据温度传感器的特性曲线进行调整。

返回温度值：

return temperature：返回计算得到的温度值。

3.PID 控制模块

代码示例

以下是 PID 控制模块的代码，实现 PID 控制算法。

#include "pid.h"

// 初始化 PID 控制器
void PID_Init(PID_Controller *pid, float Kp, float Ki, float Kd) {
    pid->Kp = Kp; // 比例增益
    pid->Ki = Ki; // 积分增益
    pid->Kd = Kd; // 微分增益
    pid->previous_error = 0.0; // 初始化误差
    pid->integral = 0.0; // 初始化积分
}

// 计算 PID 控制输出
float PID_Compute(PID_Controller *pid, float setpoint, float measured_value) {
    // 计算当前误差
    float error = setpoint - measured_value;

    // 计算积分
    pid->integral += error;

    // 计算微分
    float derivative = error - pid->previous_error;

    // 计算 PID 输出
    float output = pid->Kp * error + pid->Ki * pid->integral + pid->Kd * derivative;

    // 更新上一误差
    pid->previous_error = error;

    // 输出限制（根据系统要求进行限制）
    if (output > 100.0) output = 100.0; // 限制最大输出
    if (output < 0.0) output = 0.0;     // 限制最小输出

    return output; // 返回控制输出
}

代码说明

PID 控制器结构体：

PID_Controller 结构体包含 PID 控制器的参数和状态变量（如比例增益 Kp、积分增益 Ki、微分增益 Kd、上次误差、积分值等）。

初始化 PID 控制器：

void PID_Init(PID_Controller *pid, float Kp, float Ki, float Kd)：初始化 PID 控制器的参数，并将误差和积分初始化为 0。

计算 PID 控制输出：

float PID_Compute(PID_Controller *pid, float setpoint, float measured_value)：根据设定值和测量值计算 PID 控制输出。

float error = setpoint - measured_value：计算当前误差。

pid->integral += error：累加误差，计算积分项。

float derivative = error - pid->previous_error：计算微分项，表示误差的变化率。

float output = pid->Kp * error + pid->Ki * pid->integral + pid->Kd * derivative：计算 PID 控制输出。

pid->previous_error = error：更新上一误差，用于下次计算微分项。

输出限制：为了防止输出超出系统控制范围，设置了输出的最大值和最小值。

4.PWM 控制模块

代码示例

以下是 PWM 控制模块的代码，负责根据计算得到的 PWM 值控制 TEC 的工作。

#include "pwm.h"

// 初始化 PWM
void PWM_Init() {
    // 1. 定义定时器句柄
    TIM_HandleTypeDef htim2;

    // 2. 启用定时器时钟
    __HAL_RCC_TIM2_CLK_ENABLE();

    // 3. 设置定时器基础参数
    htim2.Instance = TIM2; // 选择定时器2
    htim2.Init.Prescaler = 84 - 1; // 预分频器设置（假设72MHz的时钟频率，分频到1MHz）
    htim2.Init.CounterMode = TIM_COUNTERMODE_UP; // 向上计数模式
    htim2.Init.Period = 1000 - 1; // 设定PWM周期（1ms）
    htim2.Init.ClockDivision = TIM_CLOCKDIVISION_DIV1;

    // 4. 初始化定时器
    HAL_TIM_PWM_Init(&htim2);

    // 5. PWM输出通道配置
    TIM_OC_InitTypeDef sConfigOC;
    sConfigOC.OCMode = TIM_OCMODE_PWM1; // PWM模式1
    sConfigOC.Pulse = 0; // 初始占空比为0%
    sConfigOC.OCPolarity = TIM_OCPOLARITY_HIGH; // 输出极性：高电平有效
    sConfigOC.OCFastMode = TIM_OCFAST_DISABLE; // 禁用快速模式

    // 6. 启用PWM通道
    HAL_TIM_PWM_ConfigChannel(&htim2, &sConfigOC, TIM_CHANNEL_1);
    HAL_TIM_PWM_Start(&htim2, TIM_CHANNEL_1); // 启动PWM通道
}

// 设置PWM输出
void Set_PWM(float pwm_value) {
    // 限制PWM值在0到1000之间
    if (pwm_value > 1000.0) pwm_value = 1000.0;
    if (pwm_value < 0.0) pwm_value = 0.0;

    // 设置PWM的占空比
    __HAL_TIM_SET_COMPARE(&htim2, TIM_CHANNEL_1, (uint32_t)pwm_value);
}

代码说明

PWM初始化：
void PWM_Init()：初始化 PWM 功能。
TIM_HandleTypeDef htim2;：定义一个定时器句柄，用于配置和控制定时器。
__HAL_RCC_TIM2_CLK_ENABLE();：启用 TIM2 定时器的时钟。
htim2.Init.Prescaler = 84 - 1;：设置预分频器，将 72MHz 的时钟频率分频到 1MHz。
htim2.Init.Period = 1000 - 1;：设定 PWM 周期为 1ms，即 1000 个时钟周期。
初始化定时器：
HAL_TIM_PWM_Init(&htim2);：初始化定时器以支持 PWM 功能。
PWM输出通道配置：
TIM_OC_InitTypeDef sConfigOC;：定义 PWM 输出通道的配置结构体。
sConfigOC.OCMode = TIM_OCMODE_PWM1;：设置为 PWM 模式 1。
sConfigOC.Pulse = 0;：初始占空比为 0%。
HAL_TIM_PWM_ConfigChannel(&htim2, &sConfigOC, TIM_CHANNEL_1);：配置 PWM 输出通道。
启动 PWM 通道：
HAL_TIM_PWM_Start(&htim2, TIM_CHANNEL_1);：启动 PWM 输出通道。
设置 PWM 输出：
void Set_PWM(float pwm_value)：根据 PID 计算结果设置 PWM 输出。
if (pwm_value > 1000.0) pwm_value = 1000.0;：限制 PWM 值在 0 到 1000 之间，确保其在可接受范围内。
__HAL_TIM_SET_COMPARE(&htim2, TIM_CHANNEL_1, (uint32_t)pwm_value);：设置 PWM 的占空比，以控制 TEC 的功率。

5. 串口通信模块

代码示例

以下是串口通信模块的代码，用于发送当前温度和 PWM 值，便于监控和调试。

#include "usart.h"

// 初始化串口
void USART_Init() {
    // 1. 定义串口句柄
    UART_HandleTypeDef huart1;

    // 2. 启用USART1时钟
    __HAL_RCC_USART1_CLK_ENABLE();
    __HAL_RCC_GPIOA_CLK_ENABLE(); // 使能GPIOA时钟

    // 3. 配置GPIO引脚
    GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStruct;
    GPIO_InitStruct.Pin = GPIO_PIN_9 | GPIO_PIN_10; // TX和RX引脚
    GPIO_InitStruct.Mode = GPIO_MODE_AF_PP; // 复用推挽输出
    GPIO_InitStruct.Pull = GPIO_NOPULL; // 无上下拉
    GPIO_InitStruct.Speed = GPIO_SPEED_FREQ_VERY_HIGH; // 高速
    HAL_GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStruct);

    // 4. 配置USART参数
    huart1.Instance = USART1;
    huart1.Init.BaudRate = 9600; // 波特率
    huart1.Init.WordLength = UART_WORDLENGTH_8B; // 8位数据位
    huart1.Init.StopBits = UART_STOPBITS_1; // 1位停止位
    huart1.Init.Parity = UART_PARITY_NONE; // 无奇偶校验
    huart1.Init.Mode = UART_MODE_TX_RX; // 收发模式
    huart1.Init.HwFlowCtl = UART_HWCONTROL_NONE; // 无硬件流控制
    huart1.Init.OverSampling = UART_OVERSAMPLING_16; // 16倍过采样
    HAL_UART_Init(&huart1); // 初始化UART
}

// 发送数据通过串口
void USART_Send(float temperature, float pwm_value) {
    char buffer[100];
    int len = sprintf(buffer, "Current Temp: %.2f °C, PWM Value: %.2f\r\n", temperature, pwm_value); // 格式化字符串
    HAL_UART_Transmit(&huart1, (uint8_t *)buffer, len, HAL_MAX_DELAY); // 发送数据
}

代码说明

串口初始化：
void USART_Init()：该函数用于配置和初始化串口。
UART_HandleTypeDef huart1;：定义一个串口句柄，用于管理 USART1 的配置。
启用时钟：
__HAL_RCC_USART1_CLK_ENABLE();：使能 USART1 时钟。
__HAL_RCC_GPIOA_CLK_ENABLE();：使能 GPIOA 时钟，用于串口引脚配置。
配置 GPIO 引脚：
GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStruct;：定义 GPIO 初始化结构体。
GPIO_InitStruct.Pin = GPIO_PIN_9 | GPIO_PIN_10;：TX（发送）和 RX（接收）引脚的配置。
GPIO_InitStruct.Mode = GPIO_MODE_AF_PP;：设置引脚为复用推挽输出模式。
HAL_GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStruct);：初始化 GPIO 引脚。
配置 USART 参数：
huart1.Init.BaudRate = 9600;：设置波特率为 9600。
huart1.Init.WordLength = UART_WORDLENGTH_8B;：数据位长度为 8 位。
huart1.Init.StopBits = UART_STOPBITS_1;：设置 1 位停止位。
huart1.Init.Parity = UART_PARITY_NONE;：设置无奇偶校验。
HAL_UART_Init(&huart1);：根据配置初始化 USART1。
发送数据：
void USART_Send(float temperature, float pwm_value)：该函数用于通过串口发送当前温度和 PWM 值。
char buffer[100];：定义字符数组用于存储发送的数据。
int len = sprintf(buffer, "Current Temp: %.2f °C, PWM Value: %.2f\r\n", temperature, pwm_value);：格式化输出字符串。
HAL_UART_Transmit(&huart1, (uint8_t *)buffer, len, HAL_MAX_DELAY);：通过 USART 发送数据。