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简介：基于STM32的蓝牙PID水温控制程序，面向电子爱好者、嵌入式初学者及STM32项目开发者，解决500W热得快加热过程中水温恒定控制与远程调参问题。设计采用7805线性电源为单片机和继电器模块供电，STM32输出1Hz可调PWM方波，结合PID算法计算占空比，温差大时大功率加热，温差小时继电器频繁通断，实现精细控温；OLED屏实时显示参数与水温，四按键本地调参，并接入蓝牙模块支持手机端修改目标温度。压缩包共84个文件，以C语言源码和头文件为主（含36个c、39个h），并附带hex固件、启动文件及Keil工程文件，约314KB，便于直接编译烧录和二次开发。资源已吸引1283人学习，适合想掌握PID控制、PWM调功、蓝牙串口通信及DS18B20测温综合应用的开发者参考。

1. 为什么 500W 热得快控温用 1Hz 低频开关而不是高频 PWM

先亮结论：这套基于 STM32 的蓝牙 PID 水温控制程序，核心并不在 PID 算法本身，而在于它用 1Hz 频率的继电器通断来实现功率调节。500W 热得快是纯阻性负载，热惯性比半导体加热片大得多，如果按常规 PWM 思路用几 kHz 频率去切继电器，触点电弧会在几分钟内把继电器烧死。低频时间比例控制（Time Proportional Control）才是这类大功率加热负载的可行解。

程序把 PID 计算出的 0~100% 功率映射到一秒周期内的导通时间：温差大时输出接近 100%，继电器近乎常通，快速升温；温差减小时占空比下降，继电器以秒级节奏通断，把水温稳定在设定值附近。这套逻辑对想用继电器方案做热水器、鱼缸恒温、小型反应釜温控的嵌入式开发者很有参考价值，手机蓝牙调参也免去了反复拔线改参数的麻烦。

2. 硬件链路：DS18B20、7805、继电器模块的供电与接线坑

2.1 7805 线性电源的压差与功耗

原方案用 220V 转 12V 变压器加 7805 稳压到 5V。这个选择的优点是电路简单、纹波小，但代价是线性稳压的发热。12V 输入减去 5V 输出，压差 7V，整机电流按单片机约 30mA、继电器模块约 70mA、蓝牙模块峰值 40mA、OLED 约 15mA 估算，总电流约 150mA 上下，7805 上要消耗约 1W 功率，必须加散热片，否则热保护会让系统间歇性复位。

输入侧建议 470uF 电解电容配 104 陶瓷电容，输出侧也并 100uF，DS18B20 的读数会稳很多。我遇到过温度值随机跳 0.5℃ 的情况，最后定位是 12V 整流滤波后纹波过大，7805 输出的 5V 上叠加了毛刺，影响 ADC 和单总线时序，加大电容后恢复正常。

注意继电器模块的 VCC 也是接这路 5V。STM32 的 GPIO 是 3.3V 电平，5V 继电器模块输入端大多通过光耦或三极管驱动，3.3V 高电平能可靠触发。但模块分高电平触发和低电平触发两种，接线前先看板子上的丝印，低电平触发模块的输入脚默认要接高，用 GPIO 拉低才吸合，逻辑写反会导致上电瞬间继电器乱跳。

2.2 DS18B20 单总线时序与上拉电阻

DS18B20 的 DQ 引脚必须接 4.7k 上拉电阻到 VCC，STM32 侧 GPIO 配成开漏输出。如果线缆超过 30cm，上拉电阻可以换成 2.2k，否则长线分布电容会让时序沿变缓，读回来的数据在 85℃ 和实际值之间反复横跳。

温度读取建议固定 12 位分辨率，转换时间最长 750ms，配合程序的 1s 采样周期刚好。读取时序顺序是：复位脉冲、存在脉冲、写 0xCC 跳过 ROM、写 0x44 启动转换、等待、复位、写 0xCC、写 0xBE 读暂存器。每次读回 9 个字节，第三第四字节是温度值的整数和小数部分，第五字节起是告警阈值和 CRC。CRC 校验不能省，单总线受继电器通断时的电磁干扰影响，偶发一位翻转很常见，不校验的话 PID 会把毛刺当成真实温度，导致输出突变。

2.3 继电器触点寿命与热得快负载

500W 热得快在 220V 下的工作电流约 2.3A，普通 5V 继电器触点额定 10A 能扛住，但要考虑电弧烧蚀。电磁继电器没有过零检测，开断瞬间的电流冲击会缩短触点寿命。程序里 1Hz 的通断频率相当于每小时 3600 次动作，长期运行对继电器要求不低。

如果是我做量产方案，会用 MOC3063 过零触发双向可控硅替换继电器，或者选用固态继电器 SSR。程序接口完全不用改，GPIO 输出的 1Hz PWM 直接接可控硅触发电路即可。临时实验用电磁继电器也能跑，但建议在热得快两端并联一个压敏电阻，把开断瞬间的浪涌电压钳住。

3. 软件架构：PWM 定时、温度采样、OLED 显示与按键状态机

3.1 用定时器中断生成 1Hz PWM，别用 delay

这套系统的时基是 10ms 定时器中断，TIM2 每 10ms 进一次中断，累计 100 次即为 1 秒周期。占空比通过比较当前计数值和导通计数值实现：

/* 10ms 定时器中断，周期 100 tick = 1s */ volatile uint16_t pwm_tick = 0; volatile uint16_t pwm_period = 100; /* 1Hz */ volatile uint16_t pwm_on = 50; /* 占空比 50% */ void TIM2_IRQHandler(void) { if (TIM_GetITStatus(TIM2, TIM_IT_Update) != RESET) { TIM_ClearITPendingBit(TIM2, TIM_IT_Update); if (++pwm_tick >= pwm_period) { pwm_tick = 0; } /* 前 pwm_on 个 tick 吸合继电器 */ GPIO_WriteBit(RELAY_PORT, RELAY_PIN, (pwm_tick < pwm_on) ? Bit_SET : Bit_RESET); } }

pwm_on 的范围是 0~100，由 PID 输出直接赋值。温度采样、按键扫描、OLED 刷新都放在主循环，不要在任何中断里做温度转换等待，否则 750ms 的阻塞时间会直接打乱 PWM 节奏。TIM2 的中断优先级设高于串口中断，保证蓝牙调参时 PWM 输出不被影响。

3.2 DS18B20 读取流程与 1s 采样节奏

主循环里维护一个 1 秒状态机：第 N 秒启动温度转换，第 N+1 秒读取上一步的结果并启动下一次转换。这样每个采样周期都拿到一个真实测量值，同时避开转换等待阻塞。

/* 交替执行：启动转换和读取结果 */ void temp_task(void) { static uint8_t convert_pending = 0; if (convert_pending) { last_temp = read_temp_result(); /* 上次启动的转换已就绪 */ convert_pending = 0; } else { ds18b20_start_convert(); /* 发出 0x44，启动转换 */ convert_pending = 1; } }

read_temp_result 里做 CRC8 校验，校验失败时保留上一次有效值。宁可让温度显示滞后一秒，也不能把错数据喂给 PID。单总线的毛刺多数出现在继电器吸合瞬间，这个简单策略能挡住绝大部分干扰。

3.3 OLED 局部刷新与按键去抖

IIC 四针 OLED（SSD1306）的 7 位设备地址通常是 0x3C，翻页刷新会全屏闪烁，画面里有明显雪花。实际使用时只刷新变化区域：温度值变化超过 0.1℃ 才更新对应坐标的字符，PID 输出和设定值同理。刷新间隔放进 100ms 的节拍里，不要在定时器中断中直接操作 I2C，I2C 通信会被高优先级中断反复抢占，导致 OLED 响应迟缓。

四个独立按键承担菜单与调参功能：SET 切换菜单页，UP/DOWN 调整数值，START 启动停止加热。按键扫描采用状态机加时间戳：

uint8_t btn_scan(GPIO_TypeDef *port, uint16_t pin) { static uint32_t last_debounce = 0; static uint8_t stable_level = 1; static uint8_t press_handled = 0; uint8_t level = GPIO_ReadInputDataBit(port, pin); uint32_t now = get_tick_ms(); if (level != stable_level) { last_debounce = now; stable_level = level; press_handled = 0; } if (level == 0 && !press_handled && (now - last_debounce > 20)) { press_handled = 1; return 1; /* 一次有效短按 */ } return 0; }

按下和释放都经过 20ms 消抖窗口，松手后才会触发下一次按键，避免长按连发。菜单状态用一个 uint8_t 变量切换，每个状态对应一个 OLED 绘制函数，比在中断里处理按键干净得多。

4. PID 控制与蓝牙调参：积分限幅、串口协议与 AT 指令

4.1 位置式 PID 与积分分离

采样周期和 PWM 周期都固定为 1 秒，温度对象是大惯性纯滞后系统，所以程序直接用位置式 PID，输出映射到 0~100% 占空比：

float kp = 25.0f, ki = 0.8f, kd = 0.0f; float integral = 0.0f; float e_prev = 0.0f; float pid_calc(float cur, float set) { float e = set - cur; /* 积分分离：温差超过 10℃，冻结积分，防止严重超调 */ if (fabsf(e) > 10.0f) { integral = 0.0f; } else { integral += e; } /* 积分限幅 */ if (integral > 300.0f) integral = 300.0f; if (integral < -300.0f) integral = -300.0f; float out = kp * e + ki * integral + kd * (e - e_prev); e_prev = e; /* 输出限幅：继电器只有加热能力，不能制冷 */ if (out > 100.0f) out = 100.0f; if (out < 0.0f) out = 0.0f; return out; }

积分限幅是关键。没有限幅时，从冷水升温到设定值的过程中积分项会不断累积，等到温度接近设定值时，积分项已经把输出推到饱和，实际温度会大幅冲过设定值，然后经历漫长的回落。上面的代码把积分输出限在 300 以内，意思是积分项最多贡献 ki×300=240 的占空比，防止它喧宾夺主。

积分分离的阈值 10℃ 根据水体热惯性调整：热得快功率大、水量少时阈值应收小到 5℃，否则刚进入积分区还是会冲过头。

Kp 的值反映温差对功率的放大程度。温差 1℃、Kp=25 时，P 项贡献 25% 占空比，这个比例对 500W 加热、5L 水量是合理的起始值。Kd 在原设计中默认不开，因为 DS18B20 的温度量化噪声在 0.1℃ 级别，温度读数的微分会被放大成剧烈的功率抖动，只有在温度曲线出现明显周期性波动时才需要试探性加一点 D。

4.2 蓝牙串口调参协议：中断收帧，主循环解析

蓝牙模块接 USART1，手机端任意串口调试助手发送以回车换行结尾的字符串命令。协议设计成能直接手打的文本格式，不需要专用 App：

/* 串口中断收帧 */ #define CMD_BUF_SIZE 64 static char cmd_buf[CMD_BUF_SIZE]; static uint8_t cmd_idx = 0; volatile uint8_t cmd_ready = 0; void USART1_IRQHandler(void) { if (USART_GetITStatus(USART1, USART_IT_RXNE) != RESET) { char ch = USART_ReceiveData(USART1); if (ch == '\n' || ch == '\r') { if (cmd_idx > 0) { cmd_buf[cmd_idx] = '\0'; cmd_ready = 1; cmd_idx = 0; } } else if (cmd_idx < CMD_BUF_SIZE - 1) { cmd_buf[cmd_idx++] = ch; } } }

主循环探测 cmd_ready 标志，解析命令并执行：

void parse_cmd(char *s) { float v; if (strncmp(s, "SV:", 3) == 0) { v = atof(s + 3); if (v >= 20.0f && v <= 99.0f) { target_temp = v; uart_send_str("ACK SV\r\n"); } } else if (strncmp(s, "KP:", 3) == 0) { v = atof(s + 3); if (v >= 0.0f && v <= 200.0f) kp = v; } else if (strncmp(s, "KI:", 3) == 0) { v = atof(s + 3); if (v >= 0.0f && v <= 50.0f) ki = v; } else if (strncmp(s, "KD:", 3) == 0) { v = atof(s + 3); if (v >= 0.0f && v <= 50.0f) kd = v; } else if (strncmp(s, "SAVE", 4) == 0) { save_params_flash(); uart_send_str("ACK SAVE\r\n"); } }

每帧命令后面都带范围校验，越界值直接丢弃。设定温度限到 99℃ 是给热得快留安全余量，如果想测沸点，需要程序里另加高温保护逻辑，后面会专门讲。

命令示例：

SV:45.5 设置目标温度 45.5℃ KP:20.0 设置比例系数 KI:0.8 设置积分系数 KD:0.5 设置微分系数 SAVE 参数保存到内部 Flash

手机端用蓝牙 SPP 类的调试工具就能连。蓝牙模块上电后默认是 AT 模式还是透传模式，取决于模块固件。用 USB-TTL 转接板通过串口给蓝牙模块发指令：

AT+UART=9600,0,0 设置波特率 9600，停止位 1，无校验 AT+ROLE=0 设为从模式 AT+NAME=WaterPID 设置广播名

波特率选 9600 而不是 115200，是为了长距离蓝牙串口传输时的抗干扰能力。串口初始化时对应设置 9600 8N1，中断接收使能。如果蓝牙模块的 TX 是 3.3V 电平，和 STM32 的 RX 直连没问题；但 STM32 的 TX 是 3.3V，接到 5V 供电蓝牙模块的 RX 前，要确认模块 RX 是否兼容 3.3V，不兼容就加一级二极管电平转换。

4.3 参数持久化到单片机内部 Flash

C8T6 没有独立 EEPROM，但内部 Flash 有 128KB，最后一页 2KB 可以用来存参数。每次改完参数执行 SAVE 命令时，先擦除整页再写入：

#define PARAM_ADDR 0x0801F800 /* 最后一页起始地址 */ void save_params_flash(void) { FLASH_Unlock(); FLASH_ErasePage(PARAM_ADDR); float params[4]; params[0] = target_temp; params[1] = kp; params[2] = ki; params[3] = kd; uint32_t *p = (uint32_t *)params; for (int i = 0; i < 4; i++) { FLASH_ProgramWord(PARAM_ADDR + i * 4, p[i]); } FLASH_Lock(); }

上电启动时读这 16 字节，前 4 字节判断是否全为 0xFF，是则视为首次上电，加载默认参数，否则直接使用 Flash 里的值。注意 Flash 擦写寿命约 1 万次，不要每次蓝牙改数都自动保存，用显式 SAVE 命令更稳妥。

5. 临界比例度法整定与排错：温度曲线和继电器抖动怎么办

5.1 用临界比例度法做第一轮粗调

先把 Ki、Kd 设 0，Kp 从 5 开始，每 5 分钟记录一次温度曲线。逐渐增大 Kp，直到温度在设定值附近出现等幅振荡，记下此时的 Kp 为临界增益 Kcr，振荡周期为 Tcr。然后用经验公式计算参数：

加热水这类一阶惯性加纯滞后对象，临界振荡周期通常在 60 到 180 秒之间。整定过程中观察温度曲线的形状比看数字更直观，可以把串口输出的时间、温度、占空比喂给匿名上位机，用波形窗口实时看响应。

5.2 常见现象与对应调整

5.3 安全保护与最终验证

程序里保留两类保护。一是输出保护：目标温度设置在 20~99℃ 之间，超过 100℃ 直接清空输出占空比；实测水温超 105℃ 时无论 PID 输出多少都强制断开继电器。二是干烧提醒：热得快必须浸没在水中才能加热，如果做实际烧水实验，建议在加热管附近加一个干簧管液位开关，干烧时硬件断开继电器，这是电磁继电器方案下最容易忽视的安全问题。

一个实用的最终验证方法：设定目标温度 60℃，记录从冷水开始到第一次达到设定值的时间，同时记录超调量和稳定时间。把 PID 参数换成临界比例度法算出的值再跑一次，两次曲线对比，通常能把超调从 8℃ 压到 2℃ 以内，稳定时间控制在 10 分钟量级。调到这个程度，这套 1Hz 继电器 PID 温控就可以放心用于鱼缸、热水壶或者小型恒温水浴场景了。

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