基于STM32开发的智能水箱液位控制系统

原创已于 2024-11-18 19:41:29 修改 · 2.1k 阅读

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#stm32 #嵌入式硬件 #单片机

于 2024-08-24 18:26:52 首次发布

引言
环境准备工作
- 硬件准备
- 软件安装与配置
系统设计
- 系统架构
- 硬件连接
代码实现
- 系统初始化
- 液位监测与控制
- 水泵控制与状态显示
- Wi-Fi通信与远程监控
应用场景
- 家庭用水系统的液位控制
- 工业水箱的液位管理
常见问题及解决方案
- 常见问题
- 解决方案
结论

1. 引言

智能水箱液位控制系统通过实时监测水箱中的液位高度，自动控制水泵的开关，确保水箱内的水位保持在设定范围内。系统还可以通过Wi-Fi模块实现远程监控和控制，适用于家庭用水管理和工业用水系统。本文将介绍如何使用STM32微控制器设计和实现一个智能水箱液位控制系统。

2. 环境准备工作

硬件准备

STM32开发板（例如STM32F103C8T6）
超声波液位传感器（例如HC-SR04，用于检测水箱液位）
水泵（用于水箱水位调节）
继电器模块（用于控制水泵）
OLED显示屏（用于显示液位和水泵状态）
Wi-Fi模块（例如ESP8266，用于远程控制）
面包板和连接线
USB下载线

软件安装与配置

Keil uVision：用于编写、编译和调试代码。
STM32CubeMX：用于配置STM32微控制器的引脚和外设。
ST-Link Utility：用于将编译好的代码下载到STM32开发板中。

步骤：

下载并安装Keil uVision。
下载并安装STM32CubeMX。
下载并安装ST-Link Utility。

3. 系统设计

系统架构

智能水箱液位控制系统通过STM32微控制器作为核心控制单元，结合超声波液位传感器，实现对水箱液位的实时监测。系统能够根据液位高度自动控制水泵的开关，避免水箱溢出或干涸。此外，用户可以通过Wi-Fi模块远程监控水箱液位，并在必要时进行手动干预。

硬件连接

液位传感器连接：将HC-SR04超声波液位传感器的VCC引脚连接到STM32的5V引脚，GND引脚连接到GND，Trig引脚连接到STM32的GPIO引脚（例如PA0），Echo引脚连接到STM32的GPIO引脚（例如PA1）。用于检测水箱液位。
水泵连接：将水泵的正极连接到继电器模块的输出引脚，继电器控制引脚连接到STM32的GPIO引脚（例如PA2），用于控制水泵的开关。
OLED显示屏连接：将OLED显示屏的VCC引脚连接到STM32的3.3V引脚，GND引脚连接到GND，SCL和SDA引脚连接到STM32的I2C引脚（例如PB6、PB7）。用于显示液位和水泵状态。
Wi-Fi模块连接：将Wi-Fi模块的TX、RX引脚分别连接到STM32的USART引脚（例如PA9、PA10），VCC引脚连接到STM32的3.3V引脚，GND引脚连接到GND。用于远程控制和数据传输。

4. 代码实现

系统初始化

#include "stm32f1xx_hal.h"
#include "ultrasonic_sensor.h"
#include "pump_control.h"
#include "oled.h"
#include "wifi.h"

void SystemClock_Config(void);
static void MX_GPIO_Init(void);
static void MX_USART1_UART_Init(void);
static void MX_I2C1_Init(void);

int main(void) {
  HAL_Init();
  SystemClock_Config();
  MX_GPIO_Init();
  MX_USART1_UART_Init();
  MX_I2C1_Init();

  UltrasonicSensor_Init();
  PumpControl_Init();
  OLED_Init();
  WiFi_Init();

  while (1) {
    // 系统循环处理
  }
}

void SystemClock_Config(void) {
  // 配置系统时钟
}

static void MX_GPIO_Init(void) {
  // 初始化GPIO
  __HAL_RCC_GPIOA_CLK_ENABLE();
  GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStruct = {0};

  GPIO_InitStruct.Pin = GPIO_PIN_0 | GPIO_PIN_1 | GPIO_PIN_2;
  GPIO_InitStruct.Mode = GPIO_MODE_OUTPUT_PP;
  GPIO_InitStruct.Pull = GPIO_NOPULL;
  GPIO_InitStruct.Speed = GPIO_SPEED_FREQ_LOW;
  HAL_GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStruct);
}

static void MX_USART1_UART_Init(void) {
  // 初始化USART1用于Wi-Fi通信
  huart1.Instance = USART1;
  huart1.Init.BaudRate = 115200;
  huart1.Init.WordLength = UART_WORDLENGTH_8B;
  huart1.Init.StopBits = UART_STOPBITS_1;
  huart1.Init.Parity = UART_PARITY_NONE;
  huart1.Init.Mode = UART_MODE_TX_RX;
  huart1.Init.HwFlowCtl = UART_HWCONTROL_NONE;
  huart1.Init.OverSampling = UART_OVERSAMPLING_16;
  if (HAL_UART_Init(&huart1) != HAL_OK) {
    Error_Handler();
  }
}

static void MX_I2C1_Init(void) {
  // 初始化I2C1用于OLED显示屏通信
  hi2c1.Instance = I2C1;
  hi2c1.Init.ClockSpeed = 100000;
  hi2c1.Init.DutyCycle = I2C_DUTYCYCLE_2;
  hi2c1.Init.OwnAddress1 = 0;
  hi2c1.Init.AddressingMode = I2C_ADDRESSINGMODE_7BIT;
  hi2c1.Init.DualAddressMode = I2C_DUALADDRESS_DISABLE;
  hi2c1.Init.OwnAddress2 = 0;
  hi2c1.Init.GeneralCallMode = I2C_GENERALCALL_DISABLE;
  hi2c1.Init.NoStretchMode = I2C_NOSTRETCH_DISABLE;
  if (HAL_I2C_Init(&hi2c1) != HAL_OK) {
    Error_Handler();
  }
}

液位监测与控制

#include "ultrasonic_sensor.h"
#include "pump_control.h"

void UltrasonicSensor_Init(void) {
  // 初始化超声波液位传感器
}

float UltrasonicSensor_Read(void) {
  // 读取液位数据
  // 示例代码：通过测量Echo脉冲的持续时间来计算距离
  HAL_GPIO_WritePin(GPIOA, GPIO_PIN_0, GPIO_PIN_SET);
  HAL_Delay(10); // 触发脉冲持续时间
  HAL_GPIO_WritePin(GPIOA, GPIO_PIN_0, GPIO_PIN_RESET);

  // 等待Echo信号返回并测量时间
  uint32_t duration = 0;
  while (HAL_GPIO_ReadPin(GPIOA, GPIO_PIN_1) == GPIO_PIN_RESET);
  while (HAL_GPIO_ReadPin(GPIOA, GPIO_PIN_1) == GPIO_PIN_SET) {
    duration++;
  }

  float distance = (duration / 2.0) * 0.0343; // 根据时间计算距离（单位：厘米）
  return distance;
}

水泵控制与状态显示

#include "pump_control.h"
#include "oled.h"

void PumpControl_Init(void) {
  // 初始化水泵控制模块
}

void PumpControl_Start(void) {
  // 启动水泵
  HAL_GPIO_WritePin(GPIOA, GPIO_PIN_2, GPIO_PIN_SET);
}

void PumpControl_Stop(void) {
  // 停止水泵
  HAL_GPIO_WritePin(GPIOA, GPIO_PIN_2, GPIO_PIN_RESET);
}

void OLED_DisplayStatus(float liquidLevel, const char *pumpStatus) {
  // 在OLED显示屏上显示液位和水泵状态
  char displayStr[32];
  sprintf(displayStr, "Level: %.2f cm\nPump: %s", liquidLevel, pumpStatus);
  OLED_ShowString(0, 0, displayStr);
}

Wi-Fi通信与远程监控

#include "wifi.h"

void WiFi_Init(void) {
  // 初始化Wi-Fi模块
}

bool WiFi_IsConnected(void) {
  // 检查Wi-Fi是否已连接
  return true; // 示例中假设已连接
}

void WiFi_SendStatus(float liquidLevel, const char *pumpStatus) {
  // 发送水箱液位和水泵状态到服务器或远程设备
  char dataStr[64];
  sprintf(dataStr, "Level: %.2f cm, Pump: %s", liquidLevel, pumpStatus);
  HAL_UART_Transmit(&huart1, (uint8_t*)dataStr, strlen(dataStr), HAL_MAX_DELAY);
}

主程序循环处理

在main函数的while循环中，系统将不断监测液位，并根据液位高度自动控制水泵的开关，同时更新OLED显示屏上的状态信息，并通过Wi-Fi模块发送数据。

while (1) {
  // 读取液位数据
  float liquidLevel = UltrasonicSensor_Read();
  
  // 根据液位自动控制水泵
  if (liquidLevel < 10.0) { // 设定一个液位阈值
    PumpControl_Start(); // 启动水泵
    OLED_DisplayStatus(liquidLevel, "On");
  } else if (liquidLevel > 50.0) {
    PumpControl_Stop(); // 停止水泵
    OLED_DisplayStatus(liquidLevel, "Off");
  }

  // 更新Wi-Fi状态并发送水箱状态
  if (WiFi_IsConnected()) {
    WiFi_SendStatus(liquidLevel, (liquidLevel < 10.0) ? "On" : "Off");
  }

  HAL_Delay(100); // 添加一个短暂延时
}

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5. 应用场景

家庭用水系统的液位控制

本系统适用于家庭环境，通过智能水箱液位控制系统自动管理家庭用水水箱的液位，确保水箱在安全的液位范围内，避免水箱溢出或干涸。用户可以通过Wi-Fi远程监控水箱液位，并根据需要进行手动控制。

工业水箱的液位管理

本系统也适用于工业用水管理，通过智能液位控制系统集中管理多个水箱的液位，自动控制水泵的开关，确保工业用水的稳定供应。管理人员还可以通过远程控制水泵，优化用水系统的运行效率。

6. 常见问题及解决方案

常见问题

液位传感器读数异常：可能是传感器安装位置不当或传感器老化。
- 解决方案：检查传感器的安装位置，确保其在正常工作范围内。必要时更换传感器。
Wi-Fi连接不稳定：可能是网络信号弱或Wi-Fi模块配置不当。
- 解决方案：检查Wi-Fi模块的配置，确保网络环境良好。必要时更换信号更强的路由器或使用信号放大器。
水泵无法正常工作：可能是驱动电路问题或水泵故障。
- 解决方案：检查继电器驱动电路的连接，确保其正常工作。必要时更换水泵或继电器模块。