基于STM32的PID和PWM温度控制系统研究

### 基于STM32的PID和PWM温度控制系统研究 #### 概述 本文介绍了一种基于STM32单片机控制的高精度智能水温控制系统。该系统结合了分段PID控制算法与PID参数整定算法以及可控硅相角控制升温和PWM控制降温的技术。这种综合性的控制策略使得系统在静态温度和动态温度控制方面表现出了极高的精确性和稳定性，波动系数较小。 #### 技术背景与关键组件 - **STM32单片机**: 作为系统的控制核心，STM32拥有强大的处理能力，内置了两个12位ADC（模数转换器）、三个通用16位定时器和一个PWM定时器，提供了丰富的外设接口，非常适合用于控制和监测任务。 - **温度传感器（PT1000）**: 高精度的铂电阻温度传感器，其优点在于高精度、宽测量范围以及较强的系统稳定性。 - **可控硅和MOC3021**: 用于控制加热过程中的电流相角，从而实现精准的温度上升控制。 - **PWM控制**: 通过调节PWM信号的占空比来精确控制降温设备的工作状态，实现快速而稳定的降温效果。 #### 系统实现方案 ##### 温度采样部分 - **温度传感器**: 使用PT1000温度传感器，通过桥式电路调节确保测量精度。 - **信号调理放大**: 采用仪表运放AD620和OP07进行信号放大，通过STM32内部的12位A/D转换器进行数值转换。 - **电压稳压**: 使用高精度电压稳压芯片REF和其他电路调整，提高测温分辨率至0.10~0.01℃。 ##### 升温控制电路 - **可控硅输出的光电耦合器(MOC3021)**: 用于安全地控制双向可控硅的导通角度，实现精确的温度上升控制。 - **过零检测电路**: 通过变压器将220V交流电降压为12V，并在此基础上进行过零检测，将检测信号送入STM32，根据需求延时输出触发信号。 ##### 降温控制部分 - **PWM控制**: 通过调节PWM信号的周期和占空比来控制降温设备（如制冷片和风扇），实现快速且精确的温度下降。 - **降温驱动电路**: 包括光耦隔离电路，进一步增强了系统的稳定性和可靠性。 #### PID控制算法 - **数字PID增量型控制算法**: 根据当前误差(e(k))、前一时刻误差(e(k-1))以及前两时刻误差(e(k-2))来计算控制量的变化(Δu(k))。 - **分段PID算法**: 针对不同的温度区间设置不同的PID系数，以实现更精确的温度控制。 #### 功能测试及结果分析 - **静态温控测量**: - 实验条件: 环境温度28℃，测量装置装入1L室温的水。 - 结果: 在设定的不同温度点上，实际测量温度均能保持在0.2℃以内的误差范围内，表现出高度的精确性和稳定性。 #### 结论 基于STM32的PID和PWM温度控制系统通过结合多种先进的控制技术和算法，成功实现了高精度的温度控制。该系统不仅能够精确控制静态温度，还能在动态过程中保持温度的稳定性，具有重要的实用价值和广阔的应用前景。