基于STM32F103的热电偶采集与PID温度控制系统设计方案——包含IAR开发环境下的STM...

STM32F103热电偶采集PID温控采集系统 基于stm32设计可以实现热电偶采集PID温度控制注意51单片机源码基于keil开发环境STM32源码基于IAR开发环境 提供原理图 PCB(AD格式)源代码 不提供今天来唠唠我去年攒的一个实验室必备小破烂——STM32F103 MAX6675 SSR陶瓷加热片PID温控台。用起来手感还行冷启动焊个QFN24的小芯片3分钟就稳到380±0.5℃偶尔换个小电阻电容预热1分钟飘到2℃以内就停了对业余玩家做手工或者偶尔搞小批量焊接完全够用。硬件先抓最核心的几个模块焊这种小破烂不用太纠结复杂的外围但得注意几个关键点别踩我踩过的坑热电偶采集MAX6675选SPI快读慢切新手别选那种裸K线接运放AD还要自己测冷端的MAX6675内置了K型热电偶冷端补偿虽然有±2℃左右的系统误差但焊台嘛差不多就行校准两次能用SPI协议极简单唯一踩过的坑是一开始时钟线SCK拉太快直接开STM32SPI的最高72MHz分频8也快MAX6675好像只支持到10MHz读出来全是FFFF或者0000后来改成分频641.125MHz瞬间世界安静。加热控制别硬撸可控硅新手别碰220V串在PCB上的双向可控硅炸保险丝事小烧手事大选个3.3V/5V兼容的24V DC转DC SSR固态继电器我用的是欧姆龙同款国产量产货20块钱不到陶瓷加热片也选24V的功率80W就行预热快STM32只需要输出个PWM信号占SSR的控制端占空比调0-100%占空比越高功率越大飘温快的时候100%接近目标温度的时候20%、10%慢慢调安全得很。STM32F103C8T6核心板就行不用焊自己的最小系统某宝5块钱的蓝色C8T6最小系统改改BOOT0/BOOT1跳线就能用唯一注意点是MAX6675的SPI引脚别和JTAG/SWD冲突我选的是PA4片选CS、PA5SCK、PA6MISOSPI3太靠边缘引起来麻烦PA7可以留着以后加个OLED屏但我嫌费眼直接把温度通过USB虚拟串口发到电脑串口助手看就行后面附一段IAR下虚拟串口的简化初始化STM32CubeMX生成的太啰嗦删了很多冗余。先插一段最爽的MAX6675 SPI采集简化代码这段是我从STM32F1的HAL库SPIDemo里扒出来然后自己改得只剩读K型温度的好用到飞起不用背HAL库那一堆回调函数#include stm32f1xx_hal.h #include math.h // 虽然MAX6675读出来是整数但校准的时候用用浮点数方便点 // 引脚定义C8T6核心板默认PA4-PA6记得在CubeMX里把这些引脚设为SPI1的复用推挽/上拉输入 #define MAX6675_CS_PIN GPIO_PIN_4 #define MAX6675_CS_PORT GPIOA #define SPI_HANDLE hspi1 // 读一次MAX6675返回单位是℃的整数MAX6675分辨率0.25℃但焊台用整数够了 int16_t MAX6675_Read_Temp(void) { uint16_t raw_data 0; uint8_t tx_buf[2] {0x00, 0x00}; // SPI是全双工但MAX6675只发不收tx随便填 uint8_t rx_buf[2] {0x00, 0x00}; // 片选拉低开始读取 HAL_GPIO_WritePin(MAX6675_CS_PORT, MAX6675_CS_PIN, GPIO_PIN_RESET); // 稍微延迟10us有些MAX6675山寨货反应慢正品不用但加了总没错 for(int i0; i100; i); // 全双工收发2个字节 HAL_SPI_TransmitReceive(SPI_HANDLE, tx_buf, rx_buf, 2, 100); // 片选拉高结束读取 HAL_GPIO_WritePin(MAX6675_CS_PORT, MAX6675_CS_PIN, GPIO_PIN_SET); // 拼接原始数据rx_buf[0]是高8位rx_buf[1]是低8位 raw_data (rx_buf[0] 8) | rx_buf[1]; // 检查热电偶是否开路MAX6675的第2位从0数是开路检测位1表示开路 if(raw_data 0x0004) { return -999; // 随便返回个不可能的温度表示开路 } // 去掉开路位然后右移3位得到0.25℃单位的原始值 raw_data (raw_data 3) 0x0FFF; // 转换成整数℃精度0.25℃可以直接除以4或者用 2 更快 return (int16_t)(raw_data 2); }这段代码里有个小细节就是加了个for(int i0; i100; i);的微秒级大概STM32F103C8T6 72MHz时钟下一个空循环大概10多纳秒100次就是1微秒左右随便凑的让山寨MAX6675稳定就行延迟一开始我没加用山寨货偶尔读出来开路加了之后再也没出过问题。再插一段IAR下USB虚拟串口的简化初始化USB虚拟串口VCP我一开始想用CH340但最小系统已经自带了ST-Link/V2虽然是山寨的而且ST-Link/V2可以直接通过USB虚拟出串口不用额外插线爽这段是我从STM32CubeF1的USB Device CDC ACM Demo里删了一半冗余代码比如USB中断处理里的一些调试代码还有多语言字符串描述符后的简化版本直接复制到IAR项目里就行// 省略头文件CubeMX生成的CDC_Class.h、usbd_conf.h、usbd_desc.h、usbd_core.h这些记得加 #include usbd_cdc_if.h #include usb_device.h #include usbd_def.h // USB设备句柄 USBD_HandleTypeDef hUsbDeviceFS; // USB初始化简化函数只需要在main()里的HAL_Init()和SystemClock_Config()之后调用一次 void USB_VCP_Init(void) { // 初始化USB设备底层比如GPIO、时钟CubeMX生成的MX_USB_DEVICE_Init里的底层已经移到这里了不用改 SystemClock_Config_USB(); // 这里的SystemClock_Config_USB是CubeMX生成的记得把USB的时钟设为48MHz // 初始化USB设备选择CDC ACM类 USBD_Init(hUsbDeviceFS, FS_Desc, DEVICE_FS); // 注册CDC ACM类的接口 USBD_RegisterClass(hUsbDeviceFS, USBD_CDC); // 注册CDC ACM类的应用层接口比如发送接收函数 USBD_CDC_RegisterInterface(hUsbDeviceFS, USBD_Interface_fops_FS); // 启动USB设备 USBD_Start(hUsbDeviceFS); } // 发送温度数据到电脑串口助手的简化函数直接传整数℃就行 void USB_VCP_Send_Temp(int16_t temp) { char tx_buf[32]; int len; // 格式化字符串比如Current Temp: 380 C\r\n len sprintf(tx_buf, Current Temp: %d C\r\n, temp); // 发送数据注意USBD_CDC_SetTxBuffer和USBD_CDC_TransmitPacket这两个函数必须连续调用而且不能重复发送太快比如每100ms发一次 USBD_CDC_SetTxBuffer(hUsbDeviceFS, (uint8_t*)tx_buf, len); USBD_CDC_TransmitPacket(hUsbDeviceFS); }这里有个超级超级重要的坑就是STM32F103的USB时钟必须设为48MHzC8T6核心板默认是72MHz的系统时钟所以USB时钟分频必须设为1.5倍72 / 1.5 48在CubeMX里的Clock Configuration里找USB Prescaler选Divide by 1.5就行如果选Divide by 1的话USB设备会识别不出来选Divide by 3的话识别出来但会报错。最后插一段PID温控的核心代码PID是整个系统的灵魂别硬撸复杂的增量式或者位置式PID用个最简单的位置式PID限幅版就行新手一看就懂// PID参数定义这个参数是我对着80W 24V DC陶瓷加热片调出来的大家可以根据自己的加热元件微调 #define PID_KP 2.0f #define PID_KI 0.1f #define PID_KD 5.0f #define PID_MAX_OUTPUT 1000 // PWM最大占空比对应的计数值我用的是TIM3_CH2预分频7199自动重装载值999所以PWM频率是10Hz占空比0-100%对应计数值0-999 #define PID_MIN_OUTPUT 0 // PWM最小占空比对应的计数值 #define PID_MAX_I 1000 // 积分项限幅防止积分饱和 #define PID_MIN_I -1000 // PID全局变量 float pid_error 0.0f; // 当前误差 float pid_last_error 0.0f; // 上一次误差 float pid_integral 0.0f; // 积分项 float pid_derivative 0.0f; // 微分项 float pid_output 0.0f; // PID输出 int16_t target_temp 380; // 目标温度大家可以通过USB虚拟串口或者按键修改我嫌按键麻烦直接在代码里改了 // PID计算简化函数每100ms调用一次就行和PWM频率一样或者是整数倍 void PID_Calculate(int16_t current_temp) { // 计算当前误差 pid_error (float)target_temp - (float)current_temp; // 计算积分项加限幅防止积分饱和 pid_integral pid_error; if(pid_integral PID_MAX_I) pid_integral PID_MAX_I; if(pid_integral PID_MIN_I) pid_integral PID_MIN_I; // 计算微分项 pid_derivative pid_error - pid_last_error; // 计算PID输出 pid_output PID_KP * pid_error PID_KI * pid_integral PID_KD * pid_derivative; // PID输出限幅防止占空比超过100%或者低于0% if(pid_output PID_MAX_OUTPUT) pid_output PID_MAX_OUTPUT; if(pid_output PID_MIN_OUTPUT) pid_output PID_MIN_OUTPUT; // 更新上一次误差 pid_last_error pid_error; // 设置TIM3_CH2的比较值也就是PWM占空比 __HAL_TIM_SET_COMPARE(htim3, TIM_CHANNEL_2, (uint32_t)pid_output); }这段代码里的PID参数调节技巧是我从B站上学来的新手记下来就行先把KI和KD设为0只调KP让温度震荡然后慢慢减小KP直到温度接近目标温度但不震荡比如380℃只调KP的话可能会到375℃左右停住或者到385℃左右慢慢降下来。然后慢慢增大KI让温度慢慢升到目标温度比如380℃注意KI不要调太大否则会积分饱和温度超过目标温度很多。最后慢慢增大KD让温度在目标温度附近的震荡幅度更小更快稳定下来注意KD不要调太大否则会出现高频抖动比如温度在379℃-381℃之间跳来跳去。总结一下整个系统的main()函数流程main()函数里的流程超级简单不用背HAL_Init()初始化HAL库。SystemClock_Config()初始化系统时钟。MXGPIOInit()初始化GPIOMAX6675的CS引脚TIM3的CH2 PWM输出引脚。MXSPI1Init()初始化SPI1MAX6675的通信。MXTIM3Init()初始化TIM3PWM输出控制SSR。USBVCPInit()初始化USB虚拟串口。HALTIMPWMStart(htim3, TIMCHANNEL_2)启动PWM输出。进入死循环每100ms调用一次MAX6675ReadTemp()、PIDCalculate()、USBVCPSendTemp()。整个系统的源码、原理图、PCBAD格式我本来想打包发上来的但平台不让放链接大家需要的话可以自己按照上面的代码和模块搭不难的新手大概3天就能搞定包括焊接和PID参数调节。STM32F103热电偶采集PID温控采集系统 基于stm32设计可以实现热电偶采集PID温度控制注意51单片机源码基于keil开发环境STM32源码基于IAR开发环境 提供原理图 PCB(AD格式)源代码 不提供