题目2：基于STM32和按键的电机调速系统 描述：直流电机广泛应用于工业和家庭设备中，实现了许多自动化和控制功能。为了满足不同工作需求和提高系统的效率，设计一个直流电机调速系统，能够实时监测电机的转速，并通过调整电压或电流来控制电机的转速。 具体要求： 1．通过高低电平控制电机正反转； 2．通过PWM实现电机3级调速； 3．通过按键实现电机调速； 4．串口输出电机目前的转速档位； 5．LED指示灯表明电机运行状态，电机停止熄灭，电机启动 点亮。芯片采用STM32F429，请帮我们编写代码使用 HAL 库

<think>我们基于STM32F429芯片，使用HAL库实现一个直流电机调速系统。系统要求：1.通过两个按键控制：一个用于正反转切换，另一个用于调速（三级调速：低速、中速、高速）2.使用PWM控制电机速度，三级速度对应不同的PWM占空比（例如：30%，60%，90%）3.通过串口输出当前状态：正反转状态和速度档位（例如：正转-高速）4.使用LED指示状态：例如，正转时LED1亮，反转时LED2亮，停止时两个LED都灭（或者根据需求设计）硬件连接假设：-电机驱动：使用H桥驱动芯片（如L298N），控制两个GPIO（IN1,IN2）决定方向，一个PWM引脚（EN）控制速度。-按键：两个按键，分别连接在GPIO上（例如PA0:正反转切换按键，PA1:速度档位切换按键）-LED：两个LED（例如PG13:正转指示灯，PG14:反转指示灯）-串口：使用USART1（PA9:TX,PA10:RX）输出信息软件设计：1.初始化系统时钟、GPIO、定时器（用于PWM）、串口。2.配置两个按键为输入模式，并启用外部中断或使用轮询方式检测按键。3.配置两个LED为输出模式。4.配置一个定时器（如TIM3）的通道（如通道1）为PWM输出，连接到电机驱动芯片的使能端（EN）。5.定义全局变量：-motor_direction:0表示正转，1表示反转-speed_level:0,1,2分别表示低速、中速、高速6.在按键中断或轮询中改变状态，并更新PWM占空比、LED状态和串口输出。由于用户要求使用HAL库，我们将使用HAL库函数进行配置。步骤：1.使用STM32CubeMX生成初始化代码，或者手动编写初始化代码。2.编写主循环或中断服务函数来处理按键。注意：按键去抖动处理（这里为了简化，我们使用简单的延时去抖动，实际应用中可以使用定时器去抖动）。代码结构：一、初始化部分二、主循环（轮询按键状态）由于问题中要求三级调速和正反转控制，我们设计如下：状态：方向状态：0-正转，1-反转速度档位：0-低速（30%占空比），1-中速（60%），2-高速（90%）按键功能：按键1（正反转切换）：按下后，方向状态切换（0变1，1变0），同时更新LED状态和串口输出。按键2（速度切换）：按下后，速度档位循环增加（0->1->2->0），同时更新PWM占空比和串口输出。注意：停止状态可以由速度档位0（低速）来实现？但这里我们要求三级调速，所以最低速是30%占空比，而不是0。如果要求停止，可以再增加一个停止按键或者通过长按等方式。但题目要求三级调速，所以这里我们不考虑停止，而是三级速度。如果用户需要停止，可以将速度档位0设置为0%占空比，但题目要求三级调速，所以这里按照30%、60%、90%设计。但题目要求LED指示运行状态：正转时LED1亮，反转时LED2亮。那么停止时？题目没有明确，我们可以设定：当速度档位为0（即低速）时，电机仍在转动，只是速度低。所以LED状态只与方向有关，与速度无关。也就是说，只要方向是正转，无论速度多少，LED1都亮，反转则LED2亮。然而，题目要求“LED指示运行状态”，我们也可以这样设计：正转且运行：LED1亮反转且运行：LED2亮停止：两个LED都灭但题目没有停止状态，所以我们可以考虑在速度档位0时，如果占空比不为0，电机还是在转的。所以这里我们按照只指示方向，不指示速度（即只要电机在转，正转LED1就亮，反转LED2就亮，两者不会同时亮）。但是，题目要求三级调速，并没有停止。所以我们按照：电机始终在转动，只是速度分三级，方向分正反转。因此，我们设计：正转时：LED1亮，LED2灭反转时：LED1灭，LED2亮串口输出内容示例：正转-低速反转-中速正转-高速代码实现：1.定义全局变量：uint8_tmotor_direction=0;//0:forward,1:backwarduint8_tspeed_level=0;//0:low,1:medium,2:high2.PWM占空比设置：假设定时器的自动重装载值为arr，则三个档位的比较值分别为：low:0.3*arrmedium:0.6*arrhigh:0.9*arr3.方向控制：我们使用两个GPIO（例如PA1和PA2）来控制H桥的方向。正转：IN1=1,IN2=0反转：IN1=0,IN2=14.按键处理：按键1（方向切换）：切换motor_direction，并设置方向控制引脚，同时切换LED状态，串口输出。按键2（速度切换）：speed_level循环增加（0->1->2->0），并更新PWM占空比，串口输出。5.注意：按键去抖动，这里我们使用HAL_Delay(200)来简单去抖。具体代码：由于我们使用HAL库，首先需要初始化相关外设。这里我们假设：PWM使用TIM3的通道1，对应引脚PA6（具体根据实际电路连接）方向控制引脚：PA1（IN1），PA2（IN2）按键：PA0（方向切换），PA1（速度切换）注意：这里PA1已经被用作方向控制，所以按键不能使用同一个引脚。因此我们调整按键引脚：方向切换按键接PC0，速度切换按键接PC1。LED：PG13（正转指示），PG14（反转指示）初始化代码（使用CubeMX配置后生成，这里只写关键部分）：</think>基于您的需求，我将提供完整的STM32F429直流电机调速系统实现方案，使用HAL库实现所有功能。以下是系统设计和代码实现： ### 系统设计 #### 硬件连接 | 组件 | STM32F429引脚 | 功能描述 | |-------------|---------------|-------------------------| | 电机驱动IN1 | PD12 | 正转控制 | | 电机驱动IN2 | PD13 | 反转控制 | | PWM输出 | PA8 (TIM1_CH1)| 电机速度控制 | | 正反转按键 | PC0 | 切换电机方向 | | 调速按键 | PC1 | 循环切换三级速度 | | LED1 | PG13 | 正转状态指示 | | LED2 | PG14 | 反转状态指示 | | UART TX | PA9 | 串口输出状态信息 | #### 状态逻辑 ```mermaid stateDiagram-v2 [*] --> 正转_低速 正转_低速 --> 正转_中速： 调速按键 正转_中速 --> 正转_高速： 调速按键 正转_高速 --> 正转_低速： 调速按键 正转_低速 --> 反转_低速： 方向按键 正转_中速 --> 反转_中速： 方向按键 正转_高速 --> 反转_高速： 方向按键 反转_低速 --> 反转_中速： 调速按键 反转_中速 --> 反转_高速： 调速按键 反转_高速 --> 反转_低速： 调速按键 反转_低速 --> 正转_低速： 方向按键 反转_中速 --> 正转_中速： 方向按键 反转_高速 --> 正转_高速： 方向按键 ``` ### 代码实现 #### 1. 宏定义和全局变量 ```c // 电机状态定义 typedef enum { FORWARD_LOW, FORWARD_MEDIUM, FORWARD_HIGH, REVERSE_LOW, REVERSE_MEDIUM, REVERSE_HIGH } MotorState; // 引脚定义 #define DIR_KEY_PIN GPIO_PIN_0 #define SPEED_KEY_PIN GPIO_PIN_1 #define DIR_KEY_PORT GPIOC #define SPEED_KEY_PORT GPIOC #define IN1_PIN GPIO_PIN_12 #define IN2_PIN GPIO_PIN_13 #define MOTOR_PORT GPIOD #define LED_FW_PIN GPIO_PIN_13 #define LED_BW_PIN GPIO_PIN_14 #define LED_PORT GPIOG // PWM参数 #define PWM_TIMER htim1 #define PWM_CHANNEL TIM_CHANNEL_1 #define PWM_PERIOD 999 // 自动重装载值 #define LOW_SPEED 300 // 30%占空比 #define MEDIUM_SPEED 600 // 60%占空比 #define HIGH_SPEED 900 // 90%占空比 MotorState currentState = FORWARD_LOW; // 初始状态 char uartMsg[50]; // 串口消息缓冲区 ``` #### 2. 初始化函数 ```c void System_Init(void) { // 1. 初始化HAL库 HAL_Init(); // 2. 配置系统时钟 SystemClock_Config(); // 3. 初始化GPIO __HAL_RCC_GPIOC_CLK_ENABLE(); __HAL_RCC_GPIOD_CLK_ENABLE(); __HAL_RCC_GPIOG_CLK_ENABLE(); GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStruct = {0}; // 按键配置 (上拉输入) GPIO_InitStruct.Pin = DIR_KEY_PIN | SPEED_KEY_PIN; GPIO_InitStruct.Mode = GPIO_MODE_INPUT; GPIO_InitStruct.Pull = GPIO_PULLUP; HAL_GPIO_Init(GPIOC, &GPIO_InitStruct); // 电机控制引脚 GPIO_InitStruct.Pin = IN1_PIN | IN2_PIN; GPIO_InitStruct.Mode = GPIO_MODE_OUTPUT_PP; GPIO_InitStruct.Speed = GPIO_SPEED_FREQ_HIGH; HAL_GPIO_Init(MOTOR_PORT, &GPIO_InitStruct); // LED指示灯 GPIO_InitStruct.Pin = LED_FW_PIN | LED_BW_PIN; GPIO_InitStruct.Mode = GPIO_MODE_OUTPUT_PP; HAL_GPIO_Init(LED_PORT, &GPIO_InitStruct); // 4. 初始化PWM定时器 MX_TIM1_Init(); HAL_TIM_PWM_Start(&PWM_TIMER, PWM_CHANNEL); // 5. 初始化串口 MX_USART1_UART_Init(); // 初始状态设置 Update_Motor_State(); } ``` #### 3. PWM定时器配置 (CubeMX生成) ```c void MX_TIM1_Init(void) { TIM_ClockConfigTypeDef sClockSourceConfig = {0}; TIM_MasterConfigTypeDef sMasterConfig = {0}; TIM_OC_InitTypeDef sConfigOC = {0}; htim1.Instance = TIM1; htim1.Init.Prescaler = 71; // 72MHz/(71+1) = 1MHz htim1.Init.CounterMode = TIM_COUNTERMODE_UP; htim1.Init.Period = PWM_PERIOD; htim1.Init.ClockDivision = TIM_CLOCKDIVISION_DIV1; htim1.Init.RepetitionCounter = 0; HAL_TIM_Base_Init(&htim1); sClockSourceConfig.ClockSource = TIM_CLOCKSOURCE_INTERNAL; HAL_TIM_ConfigClockSource(&htim1, &sClockSourceConfig); HAL_TIM_PWM_Init(&htim1); sMasterConfig.MasterOutputTrigger = TIM_TRGO_RESET; sMasterConfig.MasterSlaveMode = TIM_MASTERSLAVEMODE_DISABLE; HAL_TIMEx_MasterConfigSynchronization(&htim1, &sMasterConfig); sConfigOC.OCMode = TIM_OCMODE_PWM1; sConfigOC.Pulse = LOW_SPEED; sConfigOC.OCPolarity = TIM_OCPOLARITY_HIGH; sConfigOC.OCNPolarity = TIM_OCNPOLARITY_HIGH; sConfigOC.OCFastMode = TIM_OCFAST_DISABLE; sConfigOC.OCIdleState = TIM_OCIDLESTATE_RESET; sConfigOC.OCNIdleState = TIM_OCNIDLESTATE_RESET; HAL_TIM_PWM_ConfigChannel(&htim1, &sConfigOC, TIM_CHANNEL_1); HAL_TIM_MspPostInit(&htim1); } ``` #### 4. 电机状态更新函数 ```c void Update_Motor_State(void) { // 1. 设置方向控制引脚 if(currentState <= FORWARD_HIGH) { // 正转状态 HAL_GPIO_WritePin(MOTOR_PORT, IN1_PIN, GPIO_PIN_SET); HAL_GPIO_WritePin(MOTOR_PORT, IN2_PIN, GPIO_PIN_RESET); } else { // 反转状态 HAL_GPIO_WritePin(MOTOR_PORT, IN1_PIN, GPIO_PIN_RESET); HAL_GPIO_WritePin(MOTOR_PORT, IN2_PIN, GPIO_PIN_SET); } // 2. 设置PWM占空比 switch(currentState) { case FORWARD_LOW: case REVERSE_LOW: __HAL_TIM_SET_COMPARE(&PWM_TIMER, PWM_CHANNEL, LOW_SPEED); break; case FORWARD_MEDIUM: case REVERSE_MEDIUM: __HAL_TIM_SET_COMPARE(&PWM_TIMER, PWM_CHANNEL, MEDIUM_SPEED); break; case FORWARD_HIGH: case REVERSE_HIGH: __HAL_TIM_SET_COMPARE(&PWM_TIMER, PWM_CHANNEL, HIGH_SPEED); break; } // 3. 更新LED状态 HAL_GPIO_WritePin(LED_PORT, LED_FW_PIN, (currentState <= FORWARD_HIGH) ? GPIO_PIN_SET : GPIO_PIN_RESET); HAL_GPIO_WritePin(LED_PORT, LED_BW_PIN, (currentState >= REVERSE_LOW) ? GPIO_PIN_SET : GPIO_PIN_RESET); // 4. 串口输出状态信息 const char* direction = (currentState <= FORWARD_HIGH) ? "正转" : "反转"; const char* speed = ""; switch(currentState % 3) { case 0: speed = "低速"; break; case 1: speed = "中速"; break; case 2: speed = "高速"; break; } sprintf(uartMsg, "状态: %s-%s\r\n", direction, speed); HAL_UART_Transmit(&huart1, (uint8_t*)uartMsg, strlen(uartMsg), HAL_MAX_DELAY); } ``` #### 5. 按键处理函数（带消抖） ```c void Process_Keys(void) { static uint32_t lastDirKeyTime = 0; static uint32_t lastSpeedKeyTime = 0; const uint32_t debounceTime = 200; // 消抖时间(ms) // 方向按键处理 if(HAL_GPIO_ReadPin(DIR_KEY_PORT, DIR_KEY_PIN) == GPIO_PIN_RESET) { if(HAL_GetTick() - lastDirKeyTime > debounceTime) { // 切换方向状态 switch(currentState) { case FORWARD_LOW: currentState = REVERSE_LOW; break; case FORWARD_MEDIUM: currentState = REVERSE_MEDIUM; break; case FORWARD_HIGH: currentState = REVERSE_HIGH; break; case REVERSE_LOW: currentState = FORWARD_LOW; break; case REVERSE_MEDIUM: currentState = FORWARD_MEDIUM; break; case REVERSE_HIGH: currentState = FORWARD_HIGH; break; } Update_Motor_State(); lastDirKeyTime = HAL_GetTick(); } } // 速度按键处理 if(HAL_GPIO_ReadPin(SPEED_KEY_PORT, SPEED_KEY_PIN) == GPIO_PIN_RESET) { if(HAL_GetTick() - lastSpeedKeyTime > debounceTime) { // 循环切换速度档位 switch(currentState) { case FORWARD_LOW: currentState = FORWARD_MEDIUM; break; case FORWARD_MEDIUM: currentState = FORWARD_HIGH; break; case FORWARD_HIGH: currentState = FORWARD_LOW; break; case REVERSE_LOW: currentState = REVERSE_MEDIUM; break; case REVERSE_MEDIUM: currentState = REVERSE_HIGH; break; case REVERSE_HIGH: currentState = REVERSE_LOW; break; } Update_Motor_State(); lastSpeedKeyTime = HAL_GetTick(); } } } ``` #### 6. 主循环 ```c int main(void) { System_Init(); while(1) { Process_Keys(); HAL_Delay(10); // 降低CPU占用率 } } ``` ### 功能说明 1. **PWM三级调速**： - 低速：占空比30% ($D = 0.3$) - 中速：占空比60% ($D = 0.6$) - 高速：占空比90% ($D = 0.9$) 2. **正反转控制**： - 通过IN1/IN2引脚电平组合实现 - 正转：IN1=1, IN2=0 - 反转：IN1=0, IN2=1 3. **状态指示**： - PG13 LED：正转时点亮 - PG14 LED：反转时点亮 - 串口输出：格式"正转-低速"等 4. **按键消抖**： - 采用时间戳方式实现200ms消抖 - 防止机械按键抖动导致多次触发 ### 扩展建议 1. 增加编码器反馈实现闭环控制 2. 添加PID算法提高速度稳定性 3. 实现软启动/软停止功能 4. 增加过流保护机制