基于STM32的变频恒压供水系统的设计思路：Modbus协议、LCD、L298N（代码示例）

一、项目概述

项目目标和用途

本文旨在介绍一款基于单片机的变频恒压供水系统的设计与实现，该系统通过实时监测水位，控制供水压力，以保证水泵工作的高效和稳定。系统的主要功能包括：

实时检测水位高度，保证供水系统的安全运行。
通过上位机发送指令，控制变频器的动作，实现对直流电机的精准控制。
通过LCD液晶显示屏实时显示水位、电压和电流等信息，便于用户监测系统状态。

技术栈关键词

单片机：STM32
通信协议：Modbus
驱动模块：L298N
电压测量：ADC
显示模块：LCD
仿真工具：Proteus
编程语言：C语言

二、系统架构

系统架构设计

系统架构分为六个主要部分：

单片机控制模块：负责整个系统的控制和数据处理。
电压输出模块：通过DA模块输出电压信号，以控制水泵。
电流控制模块：使用运算放大器（运放）实现对电流的控制。
驱动模块：L298N驱动直流电机，模拟变频器的功能。
水位检测模块：使用ADC芯片进行水位电压信号的转换与检测。
用户交互模块：使用LCD显示水位及相关数据，支持上位机控制。

系统架构图

三、环境搭建和注意事项

环境搭建

硬件环境：
- STM32开发板（如STM32F103C8T6）
- L298N驱动模块
- 直流电机
- ADC芯片（可以使用STM32的内置ADC）
- LCD显示模块（如1602 LCD）
- 水位传感器（如超声波传感器或电位器）
- 计算机（上位机，用于监控和控制）
软件环境：
- STM32CubeIDE（用于编写和调试代码）
- Proteus（用于电路仿真和功能验证）
- Modbus库（用于实现Modbus协议）

注意事项

电源管理：确保使用适当的电源，避免电压波动导致单片机和传感器工作异常。
接线规范：在进行电路连接时，确保引脚连接正确，避免短路或错误接线。
调试工具：使用逻辑分析仪或示波器对信号进行监测，确保系统各部分正常工作。

四、代码实现过程

功能模块实现

根据系统架构，逐步实现各个功能模块的代码。

1. 主程序

主程序负责系统的初始化和循环处理，采集水位信息并更新LCD显示，同时处理上位机的指令。

#include "stm32f4xx.h"
#include "lcd.h"
#include "adc.h"
#include "modbus.h"

// 主循环
void main(void) {
    // 初始化系统
    SystemInit();
    LCD_Init();
    ADC_Init();
    Modbus_Init();

    while(1) {
        // 读取水位信息
        uint16_t waterLevel = ADC_Read();
        
        // 显示水位信息
        LCD_DisplayWaterLevel(waterLevel);
        
        // 检查上位机命令
        Modbus_CheckCommand();
        
        // 延时1秒
        HAL_Delay(1000);
    }
}

2. ADC模块

ADC模块用于水位的测量，负责将水位传感器的模拟信号转换为数字信号。以下是ADC模块的代码示例：

#include "adc.h"

// 初始化ADC
void ADC_Init(void) {
    // 配置ADC参数
    ADC_HandleTypeDef hadc;
    __HAL_RCC_ADC1_CLK_ENABLE();
    
    // 设置ADC参数
    hadc.Instance = ADC1;
    hadc.Init.Resolution = ADC_RESOLUTION_12B; // 12位分辨率
    hadc.Init.ScanConvMode = DISABLE; // 单通道
    hadc.Init.ContinuousConvMode = ENABLE; // 连续转换
    hadc.Init.DiscontinuousConvMode = DISABLE;
    hadc.Init.ExternalTrigConv = ADC_SOFTWARE_START; // 软件启动
    HAL_ADC_Init(&hadc);
}

// 读取ADC值
uint16_t ADC_Read(void) {
    HAL_ADC_Start(&hadc); // 启动ADC转换
    HAL_ADC_PollForConversion(&hadc, HAL_MAX_DELAY); // 等待转换完成
    return HAL_ADC_GetValue(&hadc); // 返回ADC值
}

3. L298N驱动控制

L298N模块用于驱动直流电机。以下是控制电机速度和方向的代码示例：

#include "motor.h"

// 初始化电机
void Motor_Init(void) {
    // 设置PWM引脚
    __HAL_RCC_GPIOA_CLK_ENABLE(); // 假设使用PA0和PA1引脚
    GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStruct;
    GPIO_InitStruct.Pin = GPIO_PIN_0 | GPIO_PIN_1;
    GPIO_InitStruct.Mode = GPIO_MODE_AF_PP; // 复用推挽输出
    GPIO_InitStruct.Pull = GPIO_NOPULL;
    GPIO_InitStruct.Speed = GPIO_SPEED_FREQ_HIGH;
    HAL_GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStruct);
    
    // 设置PWM
    TIM_HandleTypeDef htim;
    __HAL_RCC_TIM1_CLK_ENABLE(); // 假设使用TIM1
    htim.Instance = TIM1;
    htim.Init.Prescaler = 84 - 1; // 84MHz / 84 = 1MHz
    htim.Init.Period = 1000 - 1; // PWM周期
    HAL_TIM_PWM_Init(&htim);
    
    // PWM通道配置
    TIM_OC_InitTypeDef sConfigOC;
    sConfigOC.OCMode = TIM_OCMODE_PWM1;
    sConfigOC.Pulse = 0; // 初始占空比为0
    sConfigOC.OCPolarity = TIM_OCPOLARITY_HIGH;
    sConfigOC.OCFastMode = TIM_OCFAST_DISABLE;
    HAL_TIM_PWM_ConfigChannel(&htim, &sConfigOC, TIM_CHANNEL_1);
}

// 控制电机速度
void Motor_Control(uint8_t speed) {
    if (speed > 100) speed = 100; // 限制最大速度
    __HAL_TIM_SET_COMPARE(&htim, TIM_CHANNEL_1, speed * 10); // 根据占空比设置PWM
    HAL_TIM_PWM_Start(&htim, TIM_CHANNEL_1); // 启动PWM
}

4. Modbus通信

Modbus通信模块实现与上位机的通信，处理接收到的命令。以下是基本的Modbus实现代码：

#include "modbus.h"

// 初始化Modbus协议
void Modbus_Init(void) {
    // 配置UART
    __HAL_RCC_USART1_CLK_ENABLE();
    USART_HandleTypeDef husart;
    husart.Instance = USART1;
    husart.Init.BaudRate = 9600;
    husart.Init.WordLength = UART_WORDLENGTH_8B;
    husart.Init.StopBits = UART_STOPBITS_1;
    husart.Init.Parity = UART_PARITY_NONE;
    husart.Init.Mode = UART_MODE_TX_RX;
    HAL_UART_Init(&husart);
}

// 检查Modbus命令
void Modbus_CheckCommand(void) {
    uint8_t command[10];
    if (HAL_UART_Receive(&husart, command, sizeof(command), 100) == HAL_OK) {
        // 处理接收到的命令
        Modbus_ProcessCommand(command);
    }
}

// 处理Modbus命令
void Modbus_ProcessCommand(uint8_t* command) {
    // 假设命令格式为：命令字节, 参数1, 参数2
    uint8_t commandCode = command[0];

    switch (commandCode) {
        case 0x01: // 假设命令码0x01用于设置电机速度
            uint8_t speed = command[1]; // 获取速度参数
            Motor_Control(speed); // 控制电机速度
            break;
        
        case 0x02: // 假设命令码0x02用于请求水位信息
            uint16_t waterLevel = ADC_Read(); // 读取水位信息
            Modbus_SendResponse(waterLevel); // 发送水位信息给上位机
            break;

        default:
            // 处理未知命令
            break;
    }
}

// 发送Modbus响应
void Modbus_SendResponse(uint16_t waterLevel) {
    uint8_t response[3];
    response[0] = 0x02; // 响应命令码
    response[1] = (waterLevel >> 8) & 0xFF; // 高字节
    response[2] = waterLevel & 0xFF; // 低字节
    HAL_UART_Transmit(&husart, response, sizeof(response), 100); // 发送响应
}

5. 用户交互模块

用户交互模块负责通过LCD显示水位和电流等信息，以便用户实时监控系统状态。以下是LCD显示模块的代码示例：

#include "lcd.h"

// 初始化LCD
void LCD_Init(void) {
    // LCD初始化代码，这里省略具体实现
}

// 显示水位信息
void LCD_DisplayWaterLevel(uint16_t waterLevel) {
    char buffer[16];
    sprintf(buffer, "Water Level: %d", waterLevel);
    LCD_Clear(); // 清空LCD
    LCD_Print(buffer); // 打印水位信息
}

6. 总体代码结构

将上述模块整合到一起，形成一个完整的系统。以下是代码结构的概述：

#include "stm32f4xx.h"
#include "lcd.h"
#include "adc.h"
#include "modbus.h"
#include "motor.h"

// 主程序
void main(void) {
    // 初始化系统
    SystemInit();
    LCD_Init();
    ADC_Init();
    Modbus_Init();
    Motor_Init();

    while(1) {
        // 读取水位信息
        uint16_t waterLevel = ADC_Read();
        
        // 显示水位信息
        LCD_DisplayWaterLevel(waterLevel);
        
        // 检查上位机命令
        Modbus_CheckCommand();
        
        // 延时1秒
        HAL_Delay(1000);
    }
}