系统框架
图1：系统架构图，展示了CW32L012温度控制系统的核心功能模块连接。
- 按键输入：通过按键控制光标，用于更改设定温度值以及P、I、D参数。
- ADC采集：采集NTC热敏电阻的电压，将其转换为电阻值，再通过查表法获取当前温度。
- PWM输出：将PID计算得到的结果通过PWM输出到执行器（如加热片），控制加热功率。
- 串口调试：将实际温度、设定温度以及PID参数实时发送到上位机，便于通过波形观察系统动态。
- 屏幕显示：在本地屏幕上显示所有关键参数，包括实际温度、设定值、PID参数、NTC电压以及PWM占空比。
实验准备及接线
1. 器材准备
- 主控：CW32L012开发板
- 辅助器材：若干杜邦线（公对母，母对母）、万用表（用于调试）
- 供电：USB线或直接通过杜邦线为实验板和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 （共地至关重要，可有效避免信号干扰）
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 (TX) → CH340或WCH-Link的RX引脚
- CW32L012开发板
PA10 (RX) → CH340或WCH-Link的TX引脚
- CW32L012开发板
3.3V → CH340或WCH-Link的3.3V引脚
- CW32L012开发板
GND → CH340或WCH-Link的GND引脚
接线完成后，系统硬件连接如下图所示：
图2：CW32L012开发板与温控实验板的整体连接实物图。
图3：WCH-Link调试器与开发板的连接细节。
温度闭环控制实现
图4：温度闭环PID控制流程图，清晰展示了从设定到反馈的完整控制环路。
目标温度设定
系统启动时初始化一个目标温度值，后续可通过按键实时调整。以下代码定义了温度控制参数数组及按键处理函数。
//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
通过ADC采集NTC热敏电阻的电压，将其转换为电阻值，再利用预存的分度表（电阻-温度对应表）查表得到当前温度值。查表算法采用了高效的二分查找法，并在未精确匹配时进行线性插值，以获取更高精度的浮点温度值。
/**************************
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;
}
滑动均值滤波处理
原始ADC采集的温度数据可能存在噪声和抖动。通过串口将原始数据绘制成波形，可以观察到明显的震荡现象。
图5：滤波前，实际温度值围绕设定值剧烈波动的串口波形图。
图6：经过滑动均值滤波后，温度波形变得平滑稳定，控制效果显著改善。
对比滤波前后的波形图可以直观看到，滤波后的曲线明显平滑，这说明滑动均值滤波有效抑制了噪声。以下是滤波算法的C语言实现：
#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
这是控制系统的核心。算法根据设定温度与实际温度的偏差，结合P、I、D三个参数，计算出合适的控制量（加热功率）。
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PID计算得到的控制量转换为PWM的占空比，并输出到定时器的比较寄存器，从而驱动执行机构（加热片）工作。
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
代码现象与运行结果
图7：系统整体运行实物图，展示了开发板、屏幕及温控模块的连接状态。
图8：LCD屏幕实时显示所有关键参数，包括实际温度、设定温度、PID参数、PWM占空比和NTC电压。
-
屏幕显示：屏幕各变量含义如下：
- Temp PID (标题)
- Real Temp：实际温度
- Set Temp：设定温度
- P (Kp)：比例系数
- I (Ki)：积分系数
- D (Kd)：微分系数
- PWM Duty：输出的PWM信号占空比
- Vntc：采集到的NTC热敏电阻电压
-
按键操作：
- 按键1（左）：对光标选中的参数进行“加”操作。
- 按键2（中）：对光标选中的参数进行“减”操作。
- 按键3（右）：切换光标，选择要调整的参数项。
图9：通过按键切换光标，可选择修改设定温度或任意一个PID参数。
-
PWM输出指示：板上的一颗LED亮度直接反映了PWM输出的占空比大小。占空比越大，LED越亮；反之则越暗，提供了直观的状态反馈。
图10：LED亮度随PWM占空比变化，用于直观指示加热功率。
-
串口波形监控：使用VOFA+上位机软件连接串口，CW32L012会将设定温度、实际温度、Kp、Ki、Kd等参数打包发送，并在软件中实时绘制波形，便于观察系统响应和调试PID参数。
图11：在VOFA+软件中观察的温度及PID参数实时波形，是调试过程的重要工具。
本文涉及的完整工程代码及更深入的嵌入式系统开发讨论，欢迎访问云栈社区进行交流与下载。
发表于 2025-12-31 00:50:44
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