一、項目概述

本文基于 STM32F103C8T6 單片機，設計了一個高精度溫度控制系統。通過 DS18B20 采集溫度，采用位置型 PID 算法控制 PWM 輸出驅動 MOS 管加熱Pi膜，配合 OLED 實時顯示溫度數據。系統可穩定將 PI 膜加熱至 40℃，適用于實驗室加熱裝置、小型溫控設備等場景（可以換加熱模塊）。

二、硬件方案

模塊	型號/參數	功能描述
主控芯片	STM32F103C8T6	核心控制單元
溫度傳感器	DS18B20	溫度采集（-55℃~+125℃）
顯示模塊	SSD1306 0.96寸OLED	實時顯示溫度和系統狀態
驅動電路	IRF540N MOS管+續流二極管	加熱膜功率控制
加熱裝置	PI膜（12V/50W）	電加熱執行器

三、軟件架構

/* 系統流程示意圖 */
主循環：
初始化 → OLED顯示 → DS18B20讀取溫度 → PID計算 → PWM輸出 → 延時刷新
1. DS18B20 驅動優化
c
// 溫度讀取函數優化（去除冗余代碼）
float DS18B20_Get_Temp(void)
{u8 data[2];short raw;DS18B20_Start();DS18B20_Read_Byte();  // 跳過溫度值高位data[0] = DS18B20_Read_Byte();  // 讀取溫度值低位data[1] = DS18B20_Read_Byte();  // 讀取溫度值高位raw = (data[1] << 8) | data[0];return (float)raw * 0.0625;  // 精度優化，直接計算0.0625℃/LSB
}

2. 位置型 PID 算法實現

// PID結構體定義
typedef struct {float Kp, Ki, Kd;   // 控制參數float err[3];       // 誤差隊列 [e(k), e(k-1), e(k-2)]float integral;     // 積分累加值
} PIDController;// PID計算函數（增加限幅保護）
float PID_Compute(PIDController *pid, float setpoint, float feedback)
{pid->err[0] = setpoint - feedback;pid->integral += pid->err[0];// 積分限幅（防止積分飽和）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]);// 輸出限幅（0~100%占空比）if(output > 100) output = 100;else if(output < 0) output = 0;// 更新誤差隊列pid->err[2] = pid->err[1];pid->err[1] = pid->err[0];return output;
}

3. 顯示優化方案

// OLED顯示函數重構
void OLED_Update(float temp, float pwm)
{static char buf[20];// 溫度顯示sprintf(buf, "Temp: %.1f C", temp);OLED_ShowString(0, 0, (u8*)buf, 16, 1);// PWM輸出顯示sprintf(buf, "PWM: %.0f %%", pwm);OLED_ShowString(0, 24, (u8*)buf, 16, 1);// 狀態指示OLED_ShowChinese(0, 48, 0, 16, 1);  // 溫OLED_ShowChinese(16, 48, 1, 16, 1); // 控OLED_ShowChinese(32, 48, 2, 16, 1); // 系OLED_ShowChinese(48, 48, 3, 16, 1); // 統
}

四、主函數核心邏輯

主函數是整個溫控系統的調度中心，負責初始化配置、循環采集數據、執行控制算法并更新顯示。其核心邏輯如下：

int main(void)
{// 1. 系統初始化PID_Init(&pid, 55, 0.1, 0.8);    // 初始化PID參數DS18B20_Init();                 // 溫度傳感器初始化OLED_Init();                    // OLED顯示初始化PWM_Init();                     // PWM輸出初始化// 2. 主控制循環while (1){// 2.1 溫度采集與處理float current_temp = DS18B20_Get_Temp();current_temp = Filter_Temp(current_temp);  // 滑動平均濾波// 2.2 PID控制算法float pwm_value = PID_Compute(&pid, 40.0, current_temp);// 2.3 輸出控制PWM_SetCompare1(pwm_value);// 2.4 數據顯示OLED_Update(current_temp, pwm_value);// 2.5 系統延時（建議100ms周期）Delay_ms(100);}
}

四、調試優化

PID 參數整定：
初始參數：Kp=55, Ki=0, Kd=0.8
現象：溫度上升較快但存在超調
優化：增加積分項（Ki=0.1）并降低微分作用
抗干擾措施：

// 溫度濾波算法（滑動平均濾波）
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、測試結果

時間 (s)	實測溫度 (℃)	PWM 輸出 (%)	狀態描述
0	25.0	100	快速加熱
30	38.5	85	接近目標值
60	40.2	15	超調后穩定
120	40.0	20	穩定維持

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