STM32实现智能温控系统（暖手宝）：PID 算法 + DS18B20+OLED 显示，[学习 PID 优质项目]

一、项目概述

本文基于 STM32F103C8T6 单片机，设计了一个高精度温度控制系统。通过 DS18B20 采集温度 ，采用位置型 PID 算法 控制 PWM 输出驱动 MOS 管加热Pi膜，配合 OLED 实时显示温度数据。系统可稳定将 PI 膜加热至 40℃，适用于实验室加热装置、小型温控设备等场景（可以换加热模块）。

二、硬件方案

模块	型号/参数	功能描述
主控芯片	STM32F103C8T6	核心控制单元
温度传感器	DS18B20	温度采集（-55℃~+125℃）
显示模块	SSD1306 0.96寸OLED	实时显示温度和系统状态
驱动电路	IRF540N MOS管+续流二极管	加热膜功率控制
加热装置	PI膜（12V/50W）	电加热执行器

三、软件架构

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/* 系统流程示意图 */
主循环：
初始化 → OLED显示 → DS18B20读取温度 → PID计算 → PWM输出 → 延时刷新
1. DS18B20 驱动优化
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// 温度读取函数优化（去除冗余代码）
float DS18B20_Get_Temp(void)
{
    u8 data[2];
    short raw;
    
    DS18B20_Start();
    DS18B20_Read_Byte();  // 跳过温度值高位
    data[0] = DS18B20_Read_Byte();  // 读取温度值低位
    data[1] = DS18B20_Read_Byte();  // 读取温度值高位
    
    raw = (data[1] << 8) | data[0];
    return (float)raw * 0.0625;  // 精度优化，直接计算0.0625℃/LSB
}

位置型 PID 算法实现

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// PID结构体定义
typedef struct {
    float Kp, Ki, Kd;   // 控制参数
    float err[3];       // 误差队列 [e(k), e(k-1), e(k-2)]
    float integral;     // 积分累加值
} PIDController;

// PID计算函数（增加限幅保护）
float PID_Compute(PIDController *pid, float setpoint, float feedback)
{
    pid->err[0] = setpoint - feedback;
    pid->integral += pid->err[0];
    
    // 积分限幅（防止积分饱和）
    if(pid->integral > 1000) pid->integral = 1000;
    else if(pid->integral < -1000) pid->integral = -1000;
    
    float output = 
        pid->Kp * pid->err[0] +
        pid->Ki * pid->integral +
        pid->Kd * (pid->err[0] - 2*pid->err[1] + pid->err[2]);
    
    // 输出限幅（0~100%占空比）
    if(output > 100) output = 100;
    else if(output < 0) output = 0;
    
    // 更新误差队列
    pid->err[2] = pid->err[1];
    pid->err[1] = pid->err[0];
    
    return output;
}

显示优化方案

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// OLED显示函数重构
void OLED_Update(float temp, float pwm)
{
    static char buf[20];
    
    // 温度显示
    sprintf(buf, "Temp: %.1f C", temp);
    OLED_ShowString(0, 0, (u8*)buf, 16, 1);
    
    // PWM输出显示
    sprintf(buf, "PWM: %.0f %%", pwm);
    OLED_ShowString(0, 24, (u8*)buf, 16, 1);
    
    // 状态指示
    OLED_ShowChinese(0, 48, 0, 16, 1);  // 温
    OLED_ShowChinese(16, 48, 1, 16, 1); // 控
    OLED_ShowChinese(32, 48, 2, 16, 1); // 系
    OLED_ShowChinese(48, 48, 3, 16, 1); // 统
}

四、主函数核心逻辑

主函数是整个温控系统的调度中心，负责初始化配置、循环采集数据、执行控制算法并更新显示。其核心逻辑如下：

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int main(void)
{
    // 1. 系统初始化
    PID_Init(&pid, 55, 0.1, 0.8);    // 初始化PID参数
    DS18B20_Init();                 // 温度传感器初始化
    OLED_Init();                    // OLED显示初始化
    PWM_Init();                     // PWM输出初始化
    
    // 2. 主控制循环
    while (1)
    {
        // 2.1 温度采集与处理
        float current_temp = DS18B20_Get_Temp();
        current_temp = Filter_Temp(current_temp);  // 滑动平均滤波
        
        // 2.2 PID控制算法
        float pwm_value = PID_Compute(&pid, 40.0, current_temp);
        
        // 2.3 输出控制
        PWM_SetCompare1(pwm_value);
        
        // 2.4 数据显示
        OLED_Update(current_temp, pwm_value);
        
        // 2.5 系统延时（建议100ms周期）
        Delay_ms(100);
    }
}

四、调试优化

PID 参数整定：

初始参数：Kp=55, Ki=0, Kd=0.8

现象：温度上升较快但存在超调

优化：增加积分项（Ki=0.1）并降低微分作用

抗干扰措施：

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// 温度滤波算法（滑动平均滤波）
float Filter_Temp(float new_temp)
{
    static float temp_buf[5] = {0};
    static u8 index = 0;
    
    temp_buf[index++] = new_temp;
    if(index >= 5) index = 0;
    
    float sum = 0;
    for(u8 i=0; i<5; i++) sum += temp_buf[i];
    return sum / 5;
}

五、测试结果

时间 (s)	实测温度 (℃)	PWM 输出 (%)	状态描述
0	25.0	100	快速加热
30	38.5	85	接近目标值
60	40.2	15	超调后稳定
120	40.0	20	稳定维持

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