STM32

   stm32f103核心板、L298N模块(当然用MOS管更好)、led一个、NPN三极管一个、蜂鸣器一个、DHT11一个、LCD1602一个、电阻200欧两个、可调电阻10K一个、加热丝一个

  用DHT11检测当前环境温湿度，并将数据显示在LCD1602上，在用设定温度与当前温度相减，通过PID算法计算出当前输出脉宽，并将其加在L298N模块中，使加热丝发热，形成一个闭环，经过一段时间温度稳定在设定值。由于我的初衷是做一个恒温箱孵蛋，所以加了湿度报警。

注：此图只做原理图使用。

  DHT11与MCU通讯一次时间在4ms左右,数据分小数部分和整数部分,一次完整的数据传输为40bit,高位先出。   数据格式: 8bit湿度整数数据+8bit湿度小数数据+8bi温度整数数据+8bit温度小数数据+8bit校验和。   数据传送正确时校验和数据等于“ 8bit湿度整数数据+8bit湿度小数数据+8bi温度整数数据+8bit温度小数数据” 所得结果的末8位。   MCU发送一次开始信后,DHT11从低功耗模式转换到高速模式等待主机开始信号结后，DHT11发送响应信号,送出40bit的数据,并触发一次信号采集,用户可选择读取部分数据。从模式下,DHT11接收到开始信号触发一次温湿度采集，如果没有接收到主机发送的开始信号,DHT11不会主动进行温湿度采集。采集数据后转换到低速模式。

  总线空闲状态为高电平,主机把总线拉低等待DHT11响应,主机把总线拉低必须大于18毫秒,保证DHT11能检测到起始信号。 DHT11接收到主机的开始信号后,等待主机开始信号结束,然后发送80us低电平响应信号.主机发送开始信号结束后,延时等待20-40us后, 读取DHT11的响应信号,主机发送开始信号后,可以切换到输入模式,或者输出高电平均可, 总线由上拉电阻拉高。

  总线为低电平,说明DHT11发送响应信号,DHT11发送响应信号后,再把总线拉高80us,准备发送数据,每一bit数据都以50us低电平时隙开始,高电平持续的时间在26-28us之间表示0。

  总线为低电平,说明DHT11发送响应信号,DHT11发送响应信号后,再把总线拉高80us,准备发送数据,每一bit数据都以50us低电平时隙开始,高电平持续的时间达到70us表示1。

  我们要控制箱内温度就要控制电热丝的发热量，通电时电热丝发热，其向箱内输入的热量大于箱子向外散失的热量，箱内温度升高；断电时，电热丝不在产热，但其仍有余温，其依然能向箱内输入热量，如果在断电前电热丝的温度已经很高了，则在断电后的前一段时间内依然会向箱子输入大量的热量，箱内温度还会上升，但是一段时间后，电热丝自身温度降低，向箱内输入的热量小于箱子向外散失的热量，箱内温度就会降低。故而通过调节通电时间和断电时间就可以控制电热丝的发热量和箱子散热量。以PWM控制开关器件从而控制电热丝能够满足上述要求，调节占空比就可以达到调节通电时间和断电时间的目的。   PWM中还有一个重要的参数就是频率，尽管不能计算出这个值到底是多少，但也不能随意设置。从控制系统的角度来说，频率越高则越接近连续系统，控制的效果也会越好，但是这必须考虑到实际的被控对象，比如一个电感比较大的直流电机，如果选取的pwm频率过高，那么此时电机的感抗会很强，则流入的电流很小，那么电机转速就很低甚至不转；另外频率过高也会导致开关器件的开关损耗增大，发热较为严重；然而频率过低又会导致输出响应速度变慢，系统调节时间增长，因为在频率很低的情况下，电热丝的通电时间或者断电时间就会变得很长，如果通电时间长则断电时间就会相应的缩短，那么电热丝产生的热量就会很多，甚至温度已经超过设定值电热丝仍在发热，而即使此时电热丝断电，在自身的高温下箱内温度还会持续上升，甚至电热丝温度还未下降多少又开始加热了；同理，如果断电时间很长的情况下，箱内温度已经低于设定值很多了但断电时间还没过去，温度还会持续下降，即使此时电热丝开始加热，温度还未回升可能电热丝就断电了。如此往复，温度值震荡的会很厉害，调节时间会变得很长。或许你会问，系统及时做出反应，修正占空比不就可以避免温度过高或者过低了吗？系统的及时性是有限度的，系统每采样一次就会做出一次修正，但是采样周期不能小于PWM周期，过于频繁的更改占空比不仅会导致控制器输出波形变形，还会使电热丝来不及做出反应（箱内温度变化较慢）。   在PWM频率很低时可以形象的按照上述所说来理解，在中高频时，PWM控制电热丝发热原理并不是上述那般，而是通过改变占空比达到改变输出电压的原理。 PWM调压是指调节平均电压，在图 a a a中，这是一个幅值为 12 v 12v 12v、周期为 t t t、占空比为 10 10 10 % \% %的PWM信号,在 0.1 t 0.1t 0.1t时间内输出是 12 v 12v 12v，那么这部分的面积（图 a a a中矩形的面积）为 S = 0.1 t ∗ 12 = 1.2 t S=0.1t*12=1.2t S=0.1t∗12=1.2t,那么这就相当于 t t t时间内输出 1.2 t / t = 1.2 v 1.2t/t=1.2v 1.2t/t=1.2v的电压，如图 b b b所示。

注：通电时间和断电时间可以理解为高电平持续时间和低电平持续时间。

  后来有朋友问我MOS管驱动电路的问题，于是就在做些补充，介绍几种MOS驱动电路。当然如果用MOS管驱动芯片那是最好的。之所以需要MOS管驱动电路是因为单片机IO口输出电压电流都比较小，驱动能力低，如果单片机输出PWM信号来控制MOS管，驱动波形有可能会有所形变，最重要的是栅极电压低不能使MOS管完全导通，其自身内阻较大，发热严重。   上图是IRF3205的输出特性曲线图，竖轴是ID电流，横轴是UDS电压,图中的几条曲线分别代表UGS=4.5v、5v、5.5v、6v、7v、8v、10v、15v时ID随UDS变化而变化的情况，在UDS=10v、UGS=8v时，ID大概在300A左右了，说明此时MOS管内阻已经很小了，继续增大UGS，ID还能继续增大，UGS=15v时，ID大概在600A，为了方便使用，UGS=12v就可以了。   其中IRF4905使P沟道MOS管，IRF3205是N沟道MOS管，s8050是NPN三极管，s9012是PNP三极管。2个电路中三极管都工作在饱和区，所以基极与信号输入之间串联的电阻不可取得太大，但也不能没有，否则IO口输出高电平导通三极管后，电压被强行钳位在Ube上，串联一个电阻不仅可以限流还可以分压；在每个电路中，信号输入后面都有一个二极管，它可以起到保护单片机IO口的作用（在一次实验中，我还没有给单片机通电，但先通了12V的电源，因为单片机用电和后面电热丝用电没有隔离，接通12V电源瞬间stm32核心板上面的指示灯也亮了，赶紧断电然后加上了二极管，之后就没出现这种情况了，所以低压控制高压最好用隔离器件，像继电器、光耦，在频率不是很高但功率较大的情况下，可以用光耦驱动MOS管，MOS管带负载）；图中所有MOS管的G极并了一个12V的稳压二极管，这个二极管可以不要；图中所有MOS管的G极上都有一个二极管与10欧电阻并联，这个二极管可起到迅速关断MOS管的效果，当然这是对N沟道MOS管而言，对P沟道MOS管能不能起到迅速导通还未可知，有时间试验一下；三极管集电极上串联的电阻有限流分压作用，阻值过大会导致MOS管驱动能力不足，过小三极管发热严重，经过实验，取4~5K合适（这是对12V电源而言的）；还有就是P沟道的MOS管电流要从S极流入，D极流出，N沟道MOS管相反。   我们以图 a a a为例分析一下电路，这个三极管当作开关管使用，当高电平信号来临时，三极管Q2导通，其集电极电压拉低，MOS管G极也为低MOS管导通；当低电平信号来临时，三极管Q2截至，其集电极电压被拉高，MOS管G极也为高，MOS管截止。图 b b b中，由于射极跟随器原理， G G G极 P W M PWM PWM幅值近似为输入 P W M PWM PWM信号，所以对于 G S GS GS电压范围较大的MOS管，单片机输出的PWM信号无法完全导通MOS管。图 b b b的电路可以使MOS管在较高的频率（数十千赫兹）下开关动作，而图 a a a虽然结构简单，但是在高频下驱动波形会失真。

  用户设定值Sv表示最终将温度稳定在Sv，从系统运行开始每隔一段时间就采集当前环境内的温度，得样本如下： 这些样本数据也就是程序中的Pv,通过这些样本数据我们可以知道当前环境温度与用户设定值之间的差值Ek，即Ek=Sv-Xk,Ek有三种情况，如表所示：

  由于我们是通过改变PWM的占空比来调节电热丝输出功率的，PID算法所计算出的数值OUT(最终输出值，OUT=Pout+Iout+Dout) 就是PWM的脉宽。故而在Ek > 0时我们需要加大Pout从而加大OUT来提高电热丝输出功率，Ek < 0时则降低Pout从而降低电热丝输出功率，得： 这种算法称为比例控制算法，out0是一个常数，可设置为1，以避免Ek = 0时Out也等于0，Kp表示比例系数，其大小将直接影响系统的响应速度，不难理解，如果Kp很大，那么一个小的差值Ek也会得到一个较大的数值Pout，那么系统将会出现剧烈震荡，很难达到稳定，同样的道理，Kp过小则系统的响应速度太慢，尽管有一个很大的差值Ek也只能得到一个较小的数值Pout，故而系统需要很长一段时间才能达到稳定状态附近。

  通过用户设定值Sv与我们采集的环境温度数据做差，我们得到了差值Ek,由于连续的温度采集，于是有了一系列的差值样本： 其中： 将这些差值进行累加，得： 同样，SE也有三种情况，如表：

由此可知，SE的正负可以反映出历史温度处于哪种阶段，对于SE > 0，历史温度大多数未达标则将加大Iout从而加大OUT来提高电热丝输出功率，同理，SE < 0时，历史温度大多数超标则将降低Iout从而*降低电热丝输出功率。这种算法称为积分控制算法。公式如下： 在单片机中，对于积分运算可近似变换，即： 我们知道求积分其实就是求面积，如下图所示，abcd所围城图形的面积就是积分所求的面积，矩形abce的面积 Ek * T 就是近似变换球的的面积，其中 T 表示采样时间。 由上式可得积分控制算法可写为： Kp表示比例系数，T表示采样时间，out0是一个常数，避免历史差值积分为0时无输出值，Ti表示积分时间，其大小会影响 Iout 的大小，从而影响OUT的大小，当Ti的值很大时，环境温度需要较长的时间才能回到设定值，无论当前环境温度大于还是小于设定值，当Ti较小时，环境温度波动会比较大，且震荡衰减小。

  前面我们获得了差值样本，那么最近两次差值之差可表示为： 同样，Dk也有三种情况，如下表：

  Dk能反应最近两次采样的温度的状态变化趋势，Dk的绝对值越大表明温度变化速率越大，由Dk的公式可知，温度呈上增长时，Dk为负数，增长速率越大，Dk越小，当温度呈下降低时，Dk为正数，下降速率越大，Dk越大。由此可知Dk具有抑制温度变化的功能，并使其趋于稳定。数学模型可表达为： 在单片机中，微分可做近似变换，即： 从而有： Kp表示比例系数，out0是一个常数，避免Dk为0时取输出信号，T表示采样时间，Td表示微分时间，Td越大微分作用越强，即抑制效果越明显。控制系统容易受到外界的一些干扰，这些干扰往往都是小幅高频信号，比如 N = 0.1 s i n ( 1000 t ) N=0.1sin(1000t) N=0.1sin(1000t),对其微分求导后为 n = 100 c o s ( 1000 t ) n=100cos(1000t) n=100cos(1000t),此时的干扰幅值被放大了 1000 1000 1000倍，所以微分控制容易受到干扰影响，在一些追求可靠性或者干扰严重的环境下，会避免使用微分控制。

整合后的PID算法公式如下： 或简写为：   调节Kp、Ki、Kd三个值从而调节系统输出，以改善系统响应效果。

比例系数与积分时间的大小对曲线的影响如下： 注:以上均属个人片面之理解，有误之处请留言，我很愿意将这篇文章完善的更好

LedAndBeep.h

LedAndBeep.c

DHT11.h

LCD1602.h

LCD1602.c

PID.h

PID.c

PWMOUT.h

PWMOUT.c

main.c

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