第 11 卷 第 16 期 2011 年 6 月 1671—1815 16-3805-03 2011 ( ) 科 学 技 术 与 工 程 Science Technology and Engineering Vol. 11 No. 16 June 2011 2011 Sci. Tech. Engng. 动力技术 基于 STM32 的 PID 和 PWM 温度控制系统研究 郭智源 韩 建 张西鹏 张彦龙 ( 东北石油大学电子科学学院，大庆 163318 ) 摘 要 研究基于 STM32 单片机控制的水温高精度智能控制系统。采用分段 PID 控制和 PID 参数整定相结合算法及控制可控硅导 通相角升温和 PWM 进行系统降温技术相结合的温控方法。实验结果表明静态温度和动态温度控制精确，波动系数小，系统稳定。 关键词 STM32 中图法分类号 TN39 智能控制 ; 文献标志码 B PID 算法 PWM 测量范围宽，系统稳定性较强等特点。 ］ 1 一些应用领域要求较高的恒温控制系统中，需有 较强温度稳定性。本系统采用基于 STM32 单片机［ 为核心控制， STM32 内含 2 个 12 位的 ADC、3 个通用 16 位定时器和 1 个 PWM 定时器，丰富的外设接口。 ］控制直流电 采用控制可控硅相角加热升温和 PWM 压降温相结合，通过软件编程实现分段 PID 控制算 ］，使系统具有控制温度精度高，稳定性强特点，精 法［ 确度达到 0． 1 ℃ ，波动系数小于 0． 5 ℃ 。 ［ 2 3 1 实现方案 图 1 为整体实现框图，为了对于交流负载做到 温度精确，升温采用控制双向可控硅导通角度进行 升温控制。降温采用 PWM 电压控制，因为当前降 温采用制冷片，风扇等降温手段，采用直流电压供 电方式，选用 PWM 控制使降温更加精确。温度采 ，好处为可做到高精度， 集选用温度传感器 PT1000 图 1 整体框图 1． 1 温度采样部分 采用铂电阻 PT1000 温度传感器，采用桥式电 路调节精确，精度较高。信号调理放大选用仪表运 ，如图 2 所示。选用 STM 内部 12 放 AD620 和 OP07 位 A / D 进行数值转换，电路简单方便。通过选用高 精度电压稳压芯片 REF 和电路调整，使测温分辨率 能够提高到 0． 10 ～ 0． 01 ℃ 。 2011 年 3 月 11 日收到 图 2 温度采集电路 

6083 科 学 技 术 与 工 程 11 卷 1． 2 升温控制电路 采用 MOC3021 和可控硅的功率控制电路，图中 MOC3021 是可控硅输出的光电耦合器， BTA41600B 是双向可控硅，加热设备采用 220 V 交流供电。在 MOC3021 内部不仅有发光二极管，而且还有一个小 功率双向可控硅。控制驱动电路如图 3 所示。 图 5 电压有效值与延时时间的关系曲线 图 3 升温驱动电路 如图 4 所示是一种可实现的交流电过零检测电 路，通过变压器将 220 V 交流电降压为 12 V 后进行 过零检测，将检测信号送到 STM32 ，延时输出触发信 号，触发双向可控硅导通，通过光耦合器输出过零 检测信号，避免交流电平干扰，其安全性可靠性高。 图 6 降温驱动电路 2 PID 控制算法 由于该系统为闭环控制系统采用 PID 控制算 法。该系统降温部分采取 PWM 作为控制量，升温 部分把电压有效值作为控制量。故采取数字 PID 增 量型控制算法。数字 PID 增量型控制算式如式( ) 所示。 1 ( ) k = Kp k － e ( ( ［ e ［ e ) ) k KD － 2e 为比列系数; ( ) ］ ) k － 1 ( k － 1 ( ) k + KIe + ) ］ ( ) k － 2 1 为积分系数; ( + e T TI 图 4 过零检测电路 Δu 过零检测电路控制每个周期内导通相角的大 小，在下个零点到来时截止，从而可以对交流电的 半个周期的有效值周期性调节。经过实验得出电 压有效值与延时时间的关系曲线如图 5 所示。 1． 3 降温控制部分 降温设备采用直流供电方式，由于本系统采用 了两部分降温设备，采用制冷片和风扇降温。采用 PWM 控制，周期选用 0． 01 s ，由 PID 算法控制 PWM 占空比，降温驱动由光耦隔离，电路图如 6 所示。 式( ) 中: 1 KP KI = Kp KD = KP TD T 为调整系数。 本设 计 为 了 实 现 使 待 测 水 温 的 静 态 误 差 在 0． 2 ℃ 范围以内，温度设定范围为 10 ～ 70 ℃ ，最小 区分度为 0． 1 ℃ 。采 用 分 段 PID 算 法，不 同 区 间 PID 系数不同，达到更加精确温度控制。 

16 期 郭智源，等: 基于 STM32 的 PID 和 PWM 温度控制系统研究 7083 3 功能测试及结果分析 传感器 标 定，精 度 为 0． 1 ℃ 的 高 精 度 水 银 温 感器所决定，可以达到比较好的精度。在控温指标 中，影响系统性能的因素非常多，需反复试验比较。 PID 算法方面在上升时间和超调量之间作权衡，选 出较好的 PID 系数。 度计。 3． 1 静态温控测量 测量方式: 环境温度 28 ℃ ，测量装置装入 1 L 室温的水，测量结果如表 1 所示。 表 1 静态温控测量 设定温度 / ℃ 测量温度 / ℃ 静态误差 / ℃ 15． 1 25． 0 30． 0 50． 0 65． 0 45． 0 15． 3 25． 0 30． 0 50． 1 65． 1 45． 1 0． 2 0． 0 0． 0 0． 1 0． 1 0． 1 3． 2 动态温控测量 设定控温温度，测量结果如表 2 所示。 表 2 动态温控测量 4 结论 采用 STM32 单片机系统使电路结构简单，开发 方便灵活，采用升温和降温两种不同方案结合控制 温度，经校准可使温度稳定性较高，在电路中采用 MOC3021 集成芯片，简化功率控制电路，大大提高 了系统的稳定性和可靠性。通过分段 PID 系数及 PWM 周期控制能达到较好的温度控制要求，温度波 动系数小，实现了节能低功耗。 参 考 文 献 设定温度 / ℃ 超调温度 / ℃ 变化范围 / ℃ 15． 1 25． 0 30． 0 50． 0 65． 0 45． 0 15． 4 25． 3 30． 2 50． 4 65． 8 45． 5 14． 9— 24． 9— 29． 9— 49． 5— 64． 6— 43． 2— 15． 4 25． 3 30． 2 50． 4 65． 5 45． 5 以上测量可见，静态测温的精度主要有前端传 1 李 宁． 基于 MDK 的 STM32 处理器开发应用． 北京: 北京航空航 天大学出版社， 2008 2 张 华，龚义建． 一种微型高精度 PWM 温度控制器的设计． 光学 与光电子技术， 2004 ; ( 2 2 ) : 29—31 3 张嘉英，王文兰． 再热汽温控制系统的 DMC － PID 仿真研究． 自动 化仪表， 2010 ; ( ) : 6 31 58—60 Researched on the System of Temperature Control Based on the PID and PWM of STM32 GUO Zhi-yuan ， HAN Jian ， ( College of Electronic Science Notheast Petroleum University ， ZHANG Xi-peng ， Daqing 163318 ZHANG Yan-long ， P． R． China ) ［ ］ Abstract the system of intelligent control of water temperature is researched which controlled by SCM based on the STM32． This system has high-precision it is using the algorithm combined the control in sections and confirm ， the parameters of PID． The temperature under the control of phase-angle of controllable-Si conductivity when need to higher it and using the technology of PWM to lower it． Results show that the system has high precision in both ， ， static and dynamic ［ ］ Key words low volatility in coefficient and excellent stability in performance． STM32 intelligent control algorithm of PID PWM