CW32L012的PID温度控制——实现思路及代码
描述
一、系统框架
按键输入：通过按键来控制光标并更改设定温度值、Kp、Ki、Kd
ADC采集：采集NTC1的电压，转换成NTC1的电阻，再进行分度值查表，得到当前温度
PWM输出：将PID计算的结果通过PWM输出到执行器，控制板子加热
串口调试：将实际温度、设定温度值、Kp、Ki、Kd参数打印到上位机进行波形显示
屏幕显示：将实际温度、设定温度值、Kp、Ki、Kd、NTC1的电压、PWM当前的输出占空比参数显示到屏幕上
二、实验准备及接线
1.）先准备配套器材
主控：CW32L012开发板
辅助器材：杜邦线若干（公对母，母对母）、万用表（调试）
供电：USB 线或直接杜邦线供电（给实验板 + CW32L012开发板供电）
2.）基础接线步骤
电源连接
实验板5V→ CW32L012开发板 5V
实验板GND → CW32L012开发板 GND（共地很重要，避免信号干扰）
传感器接线
实验板NTC1排针接口 →CW32L012开发板ADC转换IO口PA4.
PWM输出接线
实验板PWM接口 →CW32L012开发板PWM输出口PB9
串口接线
CW32L012开发板PA9 →CH340或WCHlink的RX引脚
CW32L012开发板PA10 →CH340或WCHlink的TX引脚
CW32L012开发板3.3V →CH340或WCHlink的3.3V引脚
CW32L012开发板GND →CH340或WCHlink的GNDV引脚
接线完成图：
三、温度闭环控制实现
通过按键或初始化给定一个目标温度值
//温度控制系统的参数：实际温度，设定温度，P、I、D参数，PWM占空比
float Temp_Para[6] = {0,20,0,0,0,0};
void key_handle(uint8_t key)
{
switch(key)
{
case 1://按键1，对应参数++
if(para_Index==3) Temp_Para[para_Index]+=0.5;//如果是积分，每次变化0.5
else Temp_Para[para_Index]++;
if(Temp_Para[para_Index] > Temp_Para_Max[para_Index])
Temp_Para[para_Index] = Temp_Para_Min[para_Index];
break;
case 2://按键2，对应参数--
if(Temp_Para[para_Index] > Temp_Para_Min[para_Index])
{
if(para_Index==3) Temp_Para[para_Index]-=0.5;//如果是积分，每次变化0.5
else Temp_Para[para_Index]--;
}
else
Temp_Para[para_Index] = Temp_Para_Max[para_Index];
break;
case 3://按键3，选择要操作的参数
para_Index_old = para_Index;
para_Index++;
if(para_Index >= 5)
para_Index= 1;
break;
}
}
ADC采集获取当前温度
采集NTC1的电压，转换成NTC1的电阻，再进行分度值查表，得到当前温度
部分代码：
/**************************
获取NTC1上端点电压函数
返回值：电压（单位V）
**************************/
float get_ntc_v(void)
{
return adc_result*3.3/4095;
}
/**************************
获取NTC1电阻函数
传入：NTC1上端点电压值（单位V）
返回值：电阻（单位欧姆）
**************************/
float get_ntc_r(float Vadc)
{
return (Vadc*10000)/(5-Vadc);
}
//0摄氏度~100摄氏度时NTC的电阻值，共101个电阻数据
const uint16_t PID_NTC_Table[]={
32108, 30544, 29066, 27669, 26346, 25095, 23910, 22788, 21724, 20716,
19760, 18856, 17997, 17181, 16405, 15667, 14965, 14297, 13662, 13058,
12483, 11936, 11415, 10920, 10449, 10000, 9573, 9166, 8778, 8409,
8057, 7722, 7402, 7097, 6806, 6529, 6264, 6011, 5770, 5539,
5319, 5109, 4908, 4716, 4533, 4357, 4190, 4029, 3876, 3729,
3588, 3454, 3325, 3201, 3083, 2970, 2861, 2757, 2658, 2562,
2470, 2383, 2299, 2218, 2140, 2066, 1994, 1926, 1860, 1796,
1735, 1677, 1620, 1566, 1514, 1464, 1416, 1370, 1325, 1282,
1241, 1201, 1163, 1126, 1091, 1057, 1024, 992, 961, 932,
903, 876, 849, 824, 799, 775, 752, 730, 708, 687,
667
};
/**
* @brief 二分查找NTC电阻值对应的下标，无精确值时线性插值返回浮点下标
* @param target_res: 要查找的NTC电阻值（uint16_t）
* @retval 浮点型下标：
* - 精确匹配：返回整数下标（如25.0，对应25℃）
* - 插值匹配：返回小数下标（如25.5，对应25.5℃）
* - 超出范围：返回0.0（电阻 >最大值）或100.0（电阻< 最小值）
*/
float NTC_FindIndex(uint16_t target_res)
{
// 边界1：目标电阻 > 数组最大值（0℃对应电阻）→ 返回0.0
if (target_res > PID_NTC_Table[0])
{
return 0.0f;
}
// 边界2：目标电阻 < 数组最小值（100℃对应电阻）→ 返回100.0
if (target_res < PID_NTC_Table[100 - 1])
{
return 100.0f;
}
// 二分查找初始化
int32_t low = 0; // 左边界下标
int32_t high = 100 - 1; // 右边界下标
int32_t mid = 0;
// 二分查找核心循环（适配单调递减数组）
while (low <= high)
{
mid = low + (high - low)/2; // 计算中间下标（避免溢出可写：low + (high - low)/2）
if (PID_NTC_Table[mid] == target_res)
{
// 精确匹配，返回浮点型下标
return (float)mid;
}
else if (target_res < PID_NTC_Table[mid])
{
// 目标电阻更小 → 对应温度更高 → 向右（大下标）查找
low = mid + 1;
}
else
{
// 目标电阻更大 → 对应温度更低 → 向左（小下标）查找
high = mid - 1;
}
}
// 未找到精确值，执行线性插值（此时high < low 且 high + 1 = low）
// 插值公式（单调递减适配）：
// 下标 = high + (目标值 - 高下标电阻) / (低下标电阻 - 高下标电阻)
float res_high = (float)PID_NTC_Table[high]; // high下标对应的电阻（更大）
float res_low = (float)PID_NTC_Table[low]; // low下标对应的电阻（更小）
float index = (float)high + (target_res - res_high) / (res_low - res_high);
return index;
}
对温度进行滑动均值滤波
将数据打印到串口显示波形，可以看到数据呈现明显的震荡，根据这个波形现象，我们采取合适的滤波，也就是滑动均值滤波：
可以直观看到滤波前后，波形明显平滑了不少，说明滤波效果好。
代码：
#define TEMP_FILTER_WINDOW_SIZE 5 // 滑动窗口大小（建议3~10，越大越平滑，实时性稍降）
// ******************************************************
/**
* @brief 温度滑动平均滤波函数
* @param rawTemp 输入的原始浮点温度值（如传感器采集的温度）
* @return 滤波后的浮点温度值
* @note 函数内部通过静态变量维护滤波窗口，无需外部初始化/销毁，调用即使用
*/
float tempMovingAverageFilter(float rawTemp)
{
// 静态变量：仅第一次调用初始化，后续调用保留值（维护滤波窗口状态）
static float tempBuffer[TEMP_FILTER_WINDOW_SIZE] = {0.0f}; // 温度缓冲区
static int bufferIndex = 0; // 下一个写入的索引（循环覆盖）
static int dataCount = 0; // 已存入的有效数据个数
// 1. 将新温度值写入缓冲区（循环覆盖最旧数据）
tempBuffer[bufferIndex] = rawTemp;
// 2. 更新索引（循环：0→1→...→窗口大小-1→0）
bufferIndex = (bufferIndex + 1) % TEMP_FILTER_WINDOW_SIZE;
// 3. 更新有效数据数（窗口未满时累加，满后保持窗口大小）
if (dataCount < TEMP_FILTER_WINDOW_SIZE)
{
dataCount++;
}
// 4. 计算窗口内所有数据的平均值（滤波核心）
float sum = 0.0f;
for (int i = 0; i < dataCount; i++)
{
sum += tempBuffer[i];
}
return sum / (float)dataCount;
}
PID计算
对采集到的温度和设定的温度进行运算，得出适合的加热功率并输出
代码：
typedef struct
{
int16_t target; //目标值
int16_t actual; //实际值
float out; //输出值
float err; //偏差值
float err_last; //上一个偏差值
float integral; //积分值
float Kp;
float Ki;
float Kd;
}pid;
void set_pid_para(void)//更新pid参数
{
temper_pid.actual=Temp_Para[0];
temper_pid.target=Temp_Para[1];
temper_pid.Kp=Temp_Para[2];
temper_pid.Ki=Temp_Para[3];
temper_pid.Kd=Temp_Para[4];
}
uint16_t pid_control(void)
{
set_pid_para();//更新pid参数
temper_pid.err=temper_pid.target-temper_pid.actual;//误差
if(temper_pid.err<=0) return 0;//设定温度低于等于实际温度，加热关闭
else if(temper_pid.err >5) return ARR_Value;//实际温度与设定温度相差大于5度，加热输出最大功率
else
{
temper_pid.integral+=temper_pid.err;//积分
temper_pid.integral=(temper_pid.integral >10)? 10:temper_pid.integral;//积分限幅
temper_pid.integral=(temper_pid.integral< -10)? -10:temper_pid.integral;
temper_pid.out=temper_pid.Kp*temper_pid.err+temper_pid.Ki*temper_pid.integral+temper_pid.Kd*(temper_pid.err-temper_pid.err_last);
temper_pid.err_last=temper_pid.err;//更新上一次误差
temper_pid.out=(temper_pid.out >ARR_Value)? ARR_Value:temper_pid.out;//输出限幅
return temper_pid.out;
}
}
PWM输出
将控制算法结果作用到PWM，控制板子进行加热
void Set_pwm__ccr(uint32_t Angle)
{
Angle=(Angle >ARR_Value)? ARR_Value:Angle;
CW_GTIM1- >CCR4 = Angle;
}
Set_pwm__ccr(pid_control());//输出
四、代码现象
屏幕：与屏幕对应的变量含义：
Temp PID
实际温度（Real Temp）
设定温度（Set Temp）
P（Kp）
I（Ki）
D（Kd）
输出的PWM占空比（PWM Duty）
采集到的NTC的电压（Vntc）
按键：
按键1（左）：对光标所选中的参数进行加操作
按键2（中）：对光标所选中的参数进行减操作
按键3（右）：切换光标选择的内容
PWM输出灯：LED亮的程度反应了输出PWM的占空比大小，占空比越大，灯越亮，反之则越暗
串口：使用VOFA+软件连接串口，CW32会将设定、实际温度，Kp，Ki，Kd几个参数打印到上位机，显示波形
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