一、系統框架

按鍵輸入：通過按鍵來控制光標并更改設定溫度值、Kp、Ki、Kd

ADC采集：采集NTC1的電壓，轉換成NTC1的電阻，再進行分度值查表，得到當前溫度

PWM輸出：將PID計算的結果通過PWM輸出到執行器，控制板子加熱

串口調試：將實際溫度、設定溫度值、Kp、Ki、Kd參數打印到上位機進行波形顯示

屏幕顯示：將實際溫度、設定溫度值、Kp、Ki、Kd、NTC1的電壓、PWM當前的輸出占空比參數顯示到屏幕上

二、實驗準備及接線

1.）先準備配套器材

主控：CW32L012開發板

輔助器材：杜邦線若干（公對母，母對母）、萬用表（調試）

供電：USB 線或直接杜邦線供電（給實驗板 + CW32L012開發板供電）

2.）基礎接線步驟

電源連接

實驗板5V→ CW32L012開發板 5V

實驗板GND → CW32L012開發板 GND（共地很重要，避免信號干擾）

傳感器接線

實驗板NTC1排針接口 →CW32L012開發板ADC轉換IO口PA4.

PWM輸出接線

實驗板PWM接口 →CW32L012開發板PWM輸出口PB9

串口接線

CW32L012開發板PA9 →CH340或WCHlink的RX引腳

CW32L012開發板PA10 →CH340或WCHlink的TX引腳

CW32L012開發板3.3V →CH340或WCHlink的3.3V引腳

CW32L012開發板GND →CH340或WCHlink的GNDV引腳

接線完成圖：

三、溫度閉環控制實現

通過按鍵或初始化給定一個目標溫度值

//溫度控制系統的參數：實際溫度，設定溫度，P、I、D參數，PWM占空比
float Temp_Para[6] =     {0,20,0,0,0,0};
void key_handle(uint8_t key)
{
        switch(key)
        {
                case 1://按鍵1，對應參數++
                        if(para_Index==3) Temp_Para[para_Index]+=0.5;//如果是積分，每次變化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://按鍵2，對應參數--
                        if(Temp_Para[para_Index] > Temp_Para_Min[para_Index])
                        {
                                if(para_Index==3) Temp_Para[para_Index]-=0.5;//如果是積分，每次變化0.5
                                else Temp_Para[para_Index]--;
                        }
                        else
                                Temp_Para[para_Index] = Temp_Para_Max[para_Index];
                        break;

                case 3://按鍵3，選擇要操作的參數
                        para_Index_old = para_Index;
                        para_Index++;
                        if(para_Index >= 5)
                                para_Index= 1;
                        break;
        }
}

ADC采集獲取當前溫度

采集NTC1的電壓，轉換成NTC1的電阻，再進行分度值查表，得到當前溫度

部分代碼：

/**************************
獲取NTC1上端點電壓函數
返回值：電壓（單位V）
**************************/
float get_ntc_v(void)
{
        return adc_result*3.3/4095;
}
/**************************
獲取NTC1電阻函數
傳入：NTC1上端點電壓值（單位V）
返回值：電阻（單位歐姆）
**************************/
float get_ntc_r(float Vadc)
{
        return (Vadc*10000)/(5-Vadc);
}
//0攝氏度~100攝氏度時NTC的電阻值，共101個電阻數據
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電阻值對應的下標，無精確值時線性插值返回浮點下標
 * @param  target_res: 要查找的NTC電阻值（uint16_t）
 * @retval 浮點型下標：
 *         - 精確匹配：返回整數下標（如25.0，對應25℃）
 *         - 插值匹配：返回小數下標（如25.5，對應25.5℃）
 *         - 超出范圍：返回0.0（電阻>最大值）或100.0（電阻 數組最大值（0℃對應電阻）→ 返回0.0
    if (target_res > PID_NTC_Table[0])
    {
        return 0.0f;
    }
    // 邊界2：目標電阻 < 數組最小值（100℃對應電阻）→ 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;                  // 左邊界下標
    int32_t high = 100 - 1; // 右邊界下標
    int32_t mid = 0;
    // 二分查找核心循環（適配單調遞減數組）
    while (low <= high)
    {
        mid = low + (high - low)/2; // 計算中間下標（避免溢出可寫：low + (high - low)/2）

        if (PID_NTC_Table[mid] == target_res)
        {
            // 精確匹配，返回浮點型下標
            return (float)mid;
        }
        else if (target_res < PID_NTC_Table[mid])
        {
            // 目標電阻更小 → 對應溫度更高 → 向右（大下標）查找
            low = mid + 1;
        }
        else
        {
            // 目標電阻更大 → 對應溫度更低 → 向左（小下標）查找
            high = mid - 1;
        }
    }
    // 未找到精確值，執行線性插值（此時high < low 且 high + 1 = low）
    // 插值公式（單調遞減適配）：
    // 下標 = high + (目標值 - 高下標電阻) / (低下標電阻 - 高下標電阻)
    float res_high = (float)PID_NTC_Table[high]; // high下標對應的電阻（更大）
    float res_low  = (float)PID_NTC_Table[low];  // low下標對應的電阻（更小）
    float index = (float)high + (target_res - res_high) / (res_low - res_high);
    return index;
}

對溫度進行滑動均值濾波

將數據打印到串口顯示波形，可以看到數據呈現明顯的震蕩，根據這個波形現象，我們采取合適的濾波，也就是滑動均值濾波：

可以直觀看到濾波前后，波形明顯平滑了不少，說明濾波效果好。

代碼：

#define TEMP_FILTER_WINDOW_SIZE 5  // 滑動窗口大小（建議3~10，越大越平滑，實時性稍降）
// ******************************************************
/**
 * @brief 溫度滑動平均濾波函數
 * @param rawTemp 輸入的原始浮點溫度值（如傳感器采集的溫度）
 * @return 濾波后的浮點溫度值
 * @note 函數內部通過靜態變量維護濾波窗口，無需外部初始化/銷毀，調用即使用
 */
float tempMovingAverageFilter(float rawTemp)
{
    // 靜態變量：僅第一次調用初始化，后續調用保留值（維護濾波窗口狀態）
    static float tempBuffer[TEMP_FILTER_WINDOW_SIZE] = {0.0f};  // 溫度緩沖區
    static int bufferIndex = 0;                                // 下一個寫入的索引（循環覆蓋）
    static int dataCount = 0;                                  // 已存入的有效數據個數
    // 1. 將新溫度值寫入緩沖區（循環覆蓋最舊數據）
    tempBuffer[bufferIndex] = rawTemp;
    // 2. 更新索引（循環：0→1→...→窗口大小-1→0）
    bufferIndex = (bufferIndex + 1) % TEMP_FILTER_WINDOW_SIZE;
    // 3. 更新有效數據數（窗口未滿時累加，滿后保持窗口大小）
    if (dataCount < TEMP_FILTER_WINDOW_SIZE)
    {
        dataCount++;
    }
    // 4. 計算窗口內所有數據的平均值（濾波核心）
    float sum = 0.0f;
    for (int i = 0; i < dataCount; i++)
    {
        sum += tempBuffer[i];
    }
    return sum / (float)dataCount;
}

PID計算

對采集到的溫度和設定的溫度進行運算，得出適合的加熱功率并輸出

代碼：

typedef struct
{
    int16_t target;               //目標值
    int16_t actual;               //實際值
    float out;                    //輸出值
    float err;                    //偏差值
    float err_last;               //上一個偏差值
    float integral;               //積分值
    float Kp;
    float Ki;
    float Kd;
}pid;
void set_pid_para(void)//更新pid參數
{
        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參數
        temper_pid.err=temper_pid.target-temper_pid.actual;//誤差
        if(temper_pid.err<=0) return 0;//設定溫度低于等于實際溫度，加熱關閉
        else if(temper_pid.err?>5) return ARR_Value;//實際溫度與設定溫度相差大于5度，加熱輸出最大功率
        else
        {
                temper_pid.integral+=temper_pid.err;//積分
                temper_pid.integral=(temper_pid.integral>10)? 10:temper_pid.integral;//積分限幅
                temper_pid.integral=(temper_pid.integralARR_Value)? ARR_Value:temper_pid.out;//輸出限幅
          return temper_pid.out;
        }
}

PWM輸出

將控制算法結果作用到PWM，控制板子進行加熱

void Set_pwm__ccr(uint32_t Angle)  
{
        Angle=(Angle>ARR_Value)? ARR_Value:Angle;
        CW_GTIM1->CCR4 = Angle;
}
Set_pwm__ccr(pid_control());//輸出

四、代碼現象

屏幕：與屏幕對應的變量含義：

Temp PID

實際溫度（Real Temp）

設定溫度（Set Temp）

P（Kp）

I（Ki）

D（Kd）

輸出的PWM占空比（PWM Duty）

采集到的NTC的電壓（Vntc）

按鍵：

按鍵1（左）：對光標所選中的參數進行加操作

按鍵2（中）：對光標所選中的參數進行減操作

按鍵3（右）：切換光標選擇的內容

PWM輸出燈：LED亮的程度反應了輸出PWM的占空比大小，占空比越大，燈越亮，反之則越暗

串口：使用VOFA+軟件連接串口，CW32會將設定、實際溫度，Kp，Ki，Kd幾個參數打印到上位機，顯示波形