【STM32CubeMX】位置式PID调节控制输出电压（超详解）

2023-11-16

本文将借助STM32CubeMX来配置ADC、DMA、DAC、USART，并利用PID位置式算法实现对输出电压进行AD采集通过PID算法调节DAC，获取到我们想要的电压值。
讲解的主要知识：

何为PID以及为何需要PID
STM32CubeMX创建
STM32源代码

1、何为PID以及为何需要PID

以下是PID控制的整体框图，过程描述为：设定一个输出目标，反馈系统传回输出值，如与目标不一致，则存在一个误差，PID根据此误差调整输入值，直至输出达到设定值。

疑问：那我们为什么需要PID呢？比如我想要利用DAC输出一个1.65V电压，直接输出不就可以了吗？

这里必须要先说下我们的目标，因为我们所有的控制无非就是想输出能够达到我们的设定，即如果我们设定了一个目标电压值，那么我们想要一个什么样的电压值变化呢？

比如设定目标电压值为1.65V，目标无非是希望其能够快速而且没有抖动的达到1.65V。

那这样大家应该就明白，如果只是使用DAC输出一个数字信号，外界出现的误差（例如导线、噪声等原因）都可能影响到最终输出的数值，因此我们需要利用PID调节最终读取到我们想要的值。

在这里插入图片描述
Eg：要求输出1.65V，控制输出1.65V，其实得到的是1.6V，如果控制输出1.68V，那么可能可以得到1.65V，其实就是缩减目标与实际之间的误差。

2、STM32CubeMX配置：

2.1 所用工具：

芯片：STM32F103RCT6
IDE：MDK-Keil软件
STM32F1xxHAL库

2.2 知识概括：

STM32CubeMX创建ADC、DMA、DAC、USART例程
Keil软件程序编写

2.3 工程创建

1、芯片选择
芯片：STM32F103RCT6（根据自己的板子来进行选择）
在这里插入图片描述
2、设置RCC
设置高速外部时钟HSE 选择外部时钟源

3、设置ADC引脚
ADC1通道0即PA0，开启连续转换模式，转换周期：55.5Cycles

4、ADC利用DMA传输
设置DMA传输模式：循环传输（有数据就传输），同时设置高优先级
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5、开启DAC输出

6、开启USART1
设置异步通信，波特率115200Bits/s

7、配置时钟
F1系列芯片系统时钟为72MHzs
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8、项目创建最后步骤

设置项目名称
设置存储路径
选择所用IDE

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9、输出文件

②处：复制所用文件的.c和.h
③处：每个功能生产独立的.c和.h文件

10、创建工程文件
点击GENERATE CODE 创建工程

11、配置下载工具
这里我们需要勾选上下载后直接运行
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3、STM32源代码：

首先编写pid.c与pid.h文件代码，这里编写的是pid位置式算法。
（1）pid.h

#ifndef __PID_H__
#define __PID_H__
#include "main.h"

typedef struct
{
    float SetVoltage;	  	//定义设定值
    float ActualVoltage;	//定义实际值
    float err;			    //定义偏差值
    float err_last;		  	//定义上一个偏差值
    float Kp,Ki,Kd;		  	//定义比例、积分、微分系数
    float result;		    //pid计算结果
    float voltage;		  	//定义电压值（控制执行器的变量）0-5v右转 5-10v左转
    float integral;		  	//定义积分值
}pid_p; 

void PID_init( void);
float PID_realize( float v, float v_r);

#endif

（2）pid.c

#include "pid.h"
#include "stdio.h"

pid_p pid;

//pid位置式
void PID_init()
{
    printf("PID_init begin \n");
    pid.SetVoltage= 0.0;		  	// 设定的预期电压值
    pid.ActualVoltage= 0.0;			// adc实际电压值
    pid.err= 0.0;				    // 当前次实际与理想的偏差
    pid.err_last=0.0;			    // 上一次的偏差
    pid.voltage= 0.0;			    // 控制电压值
    pid.integral= 0.0;			  	// 积分值
    pid.Kp= 0.2;				    // 比例系数
    pid.Ki= 0.15;				    // 积分系数
    pid.Kd= 0.2;				    // 微分系数
    printf("PID_init end \n");
}

float PID_realize( float v, float v_r)
{
    pid.SetVoltage = v;			// 固定电压值传入
    pid.ActualVoltage = v_r;	// 实际电压传入 = ADC_Value * 3.3f/ 4096
    pid.err = pid.SetVoltage - pid.ActualVoltage;	//计算偏差
    pid.integral += pid.err;						//积分求和
    pid.result = pid.Kp * pid.err + pid.Ki * pid.integral + pid.Kd * ( pid.err - pid.err_last);//位置式公式
    pid.err_last = pid.err;				//留住上一次误差
    return pid.result;
}

（3）在main.c加上：

/* USER CODE BEGIN Includes */
#include "stdio.h"
#include "pid.h"
/* USER CODE END Includes */

/* USER CODE BEGIN PD */
#define ADC_Channel_MAX 2
/* USER CODE END PD */

/* USER CODE BEGIN PV */
uint16_t ADC_DMA_Value[ADC_Channel_MAX];  // DMA得到ADC的值
uint16_t ADC_Value = 0;
uint16_t DAC_Value = 100;
/* USER CODE END PV */

/* USER CODE BEGIN 0 */
/**
  * 函数功能: 重定向c库函数printf到DEBUG_USARTx
  * 输入参数: 无
  * 返 回 值: 无
  * 说    明：无
  */
int fputc(int ch, FILE *f)
{
  HAL_UART_Transmit(&huart1, (uint8_t *)&ch, 1, 0xffff);
  return ch;
}
 
/**
  * 函数功能: 重定向c库函数getchar,scanf到DEBUG_USARTx
  * 输入参数: 无
  * 返 回 值: 无
  * 说    明：无
  */
int fgetc(FILE *f)
{
  uint8_t ch = 0;
  HAL_UART_Receive(&huart1, &ch, 1, 0xffff);
  return ch;
}
/* USER CODE END 0 */

（4）在ADC初始化之后加上AD校准函数：

  /* USER CODE BEGIN 2 */
  HAL_ADCEx_Calibration_Start(&hadc1);  // f1系列需要ADC校准，f4不需要
  HAL_ADC_Start_DMA(&hadc1,(uint32_t *)&ADC_DMA_Value,ADC_Channel_MAX); // 启动ADC的DMA转换
  PID_init();
  /* USER CODE END 2 */

（5）while中加上：

      HAL_DAC_SetValue(&hdac, DAC_CHANNEL_1, DAC_ALIGN_12B_R, DAC_Value); // 设置DAC数值
	  HAL_DAC_Start(&hdac,DAC_CHANNEL_1);   // 开启DAC输出
	  ADC_Value = ADC_DMA_Value[0];
	  printf("%0.2f\r\n", ADC_Value*3.3/4096);
	  // 这里设置输出1.65V
	  DAC_Value = DAC_Value + PID_realize(2048, ADC_Value);
	  HAL_Delay(100);

（6）用一根杜邦线连接PA0（ADC1_IN0）与PA4（DAC），然后串口连接电脑（我这里利用USB转TLL连接电脑，RX接PA9（USART1_TX），TX接PA10（USART1_RX））

（7）之后就可以完成正常读取，刚打开串口时：
在这里插入图片描述
（8）PID调节稳定后（DAC输出1.65V）：

程序下载地址：https://download.csdn.net/download/weixin_44270218/13981014

总结：

以上就是利用PID调节控制获取我想要设定的电压值。

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