// 引入I2C通信库和LCD驱动库
#include <Wire.h>                 // I2C通信协议支持
#include <LiquidCrystal_I2C.h>    // I2C接口的LCD显示屏驱动

// 初始化LCD对象（地址0x27，16列2行显示）
LiquidCrystal_I2C lcd(0x27, 16, 2); // 参数：I2C地址、列数、行数

/******************** 硬件引脚定义 ********************/
#define STEP_PIN 9       // 步进电机脉冲引脚（控制转速）
#define DIR_PIN 8        // 方向控制引脚（固定正转，low=正转）
#define ENABLE_PIN 7     // 驱动器使能引脚（低电平有效）
#define PRESSURE_PIN A0  // 压力传感器模拟输入引脚（0-5V对应0-0.8MPa）
#define LOW_PIN 2        // 低水位开关（低电平有效）
#define MID_PIN 3        // 中水位开关（低电平有效）
#define HIGH_PIN 4       // 高水位开关（低电平有效）
#define DANGER_PIN 5     // 危险水位开关（低电平有效）
#define MODE_PIN 6       // 模式切换开关（低电平=手动模式）
#define MANUAL_PUMP 10   // 手动模式水泵控制开关（低电平=运行）
#define MANUAL_VALVE 11  // 手动模式补气阀控制开关（低电平=开启）
#define VALVE_LED 12     // 补气阀状态指示灯（高电平点亮）
#define SAFETY_LED A1    // 安全阀报警指示灯（高电平点亮）
#define ALARM_LED A2     // 危险水位报警指示灯（高电平点亮）

/******************** 全局变量与常量 ********************/
#define FILTER_SIZE 5            // 压力滤波窗口大小
float targetPressure = 0.4;      // 目标压力设定值（单位：MPa）
float pressureBuffer[FILTER_SIZE]; // 压力滤波缓冲区
int bufferIndex = 0;             // 滤波缓冲区索引
float currentPressure = 0.0;     // 滤波后的当前压力值
int currentMode = 0;             // 运行模式（0=自动，1=手动）
unsigned long lastStepTime = 0;   // 最后一次步进脉冲时间（微秒）
int stepInterval = 500;          // 步进脉冲间隔（单位：微秒，控制转速）
bool pumpRunning = false;        // 水泵运行状态标志（true=运行中）

// PID控制参数
float Kp = 2.0;   // 比例系数（响应速度）
float Ki = 0.05;  // 积分系数（消除稳态误差）
float Kd = 0.5;   // 微分系数（抑制振荡）
float error = 0;          // 当前误差
float lastError = 0;      // 上一次误差
float integral = 0;       // 积分累积值

/******************** 初始化函数 setup() ********************/
void setup() {
  // 配置步进电机控制引脚
  pinMode(STEP_PIN, OUTPUT);     // 脉冲引脚设为输出
  pinMode(DIR_PIN, OUTPUT);      // 方向引脚设为输出
  pinMode(ENABLE_PIN, OUTPUT);   // 使能引脚设为输出
  digitalWrite(DIR_PIN, LOW);   // 固定方向为正转（low）

  // 配置LED指示灯引脚
  pinMode(VALVE_LED, OUTPUT);    // 补气阀LED
  pinMode(SAFETY_LED, OUTPUT);   // 安全阀LED
  pinMode(ALARM_LED, OUTPUT);    // 危险水位LED

  // 配置输入引脚（启用内部上拉电阻）
  pinMode(LOW_PIN, INPUT_PULLUP);    // 低水位开关
  pinMode(MID_PIN, INPUT_PULLUP);    // 中水位开关
  pinMode(HIGH_PIN, INPUT_PULLUP);   // 高水位开关
  pinMode(DANGER_PIN, INPUT_PULLUP); // 危险水位开关
  pinMode(MODE_PIN, INPUT_PULLUP);   // 模式切换开关
  pinMode(MANUAL_PUMP, INPUT_PULLUP);// 手动水泵开关
  pinMode(MANUAL_VALVE, INPUT_PULLUP);// 手动补气阀开关

  // 初始化压力滤波缓冲区（填充初始值）
  for (int i = 0; i < FILTER_SIZE; i++) {
    pressureBuffer[i] = analogRead(PRESSURE_PIN) * 0.8 / 1023.0;
  }

  // 初始化LCD显示屏
  lcd.init();          // 初始化LCD
  lcd.backlight();     // 开启背光
  lcd.print("System Ready"); // 显示启动信息
  delay(1000);         // 保持启动信息1秒
  lcd.clear();         // 清屏准备显示运行数据
}

/******************** 主循环函数 loop() ********************/
void loop() {
  // 1. 读取模式开关状态（低电平=手动模式）
  currentMode = digitalRead(MODE_PIN) ? 0 : 1;

  // 2. 读取并滤波压力值
  updatePressure(); // 调用压力更新函数

  // 3. 获取当前水位状态
  int waterLevel = getWaterLevel();

  // 4. 根据模式执行控制逻辑
  if (currentMode == 0) {
    autoControl(waterLevel); // 自动模式
  } else {
    manualControl();        // 手动模式
  }

  // 5. 更新LCD显示
  updateLCD();
}

/******************** 自定义函数：updatePressure() ********************/
void updatePressure() {
  // 读取原始压力值（0-1023对应0-5V）
  float rawValue = analogRead(PRESSURE_PIN); 
  // 转换为MPa单位（0-0.8MPa）
  float rawPressure = rawValue * 0.8 / 1023.0;

  // 更新滤波缓冲区（移动平均滤波）
  pressureBuffer[bufferIndex] = rawPressure;
  bufferIndex = (bufferIndex + 1) % FILTER_SIZE;

  // 计算滤波后的压力值
  currentPressure = 0;
  for (int i = 0; i < FILTER_SIZE; i++) {
    currentPressure += pressureBuffer[i];
  }
  currentPressure /= FILTER_SIZE;
}

/******************** 自定义函数：getWaterLevel() ********************/
int getWaterLevel() {
  // 读取水位开关状态（低电平=接通）
  int low = !digitalRead(LOW_PIN);    // 低水位开关
  int mid = !digitalRead(MID_PIN);    // 中水位开关
  int high = !digitalRead(HIGH_PIN);  // 高水位开关
  int danger = !digitalRead(DANGER_PIN); // 危险水位开关

  // 水位状态优先级判断
  if (danger) return 3;       // 危险水位（最高优先级）
  if (high && mid && low) return 2; // 高水位（需三个开关接通）
  if (mid && low) return 1;   // 中水位（需两个开关接通）
  if (low) return 0;          // 低水位（仅低开关接通）
  return -1;                  // 无效状态
}

/******************** 自动控制函数：autoControl() ********************/
void autoControl(int level) {
  // 1. 危险水位处理
  if (level == 3) {
    digitalWrite(ENABLE_PIN, HIGH); // 禁用驱动器（停泵）
    digitalWrite(ALARM_LED, HIGH);  // 点亮危险报警灯
    digitalWrite(VALVE_LED, HIGH);  // 强制开启补气阀
    pumpRunning = false;            // 标记水泵停止
    return;                         // 退出函数
  } else {
    digitalWrite(ALARM_LED, LOW);   // 非危险水位关闭报警灯
  }

  // 2. 补气阀控制（高水位及以上开启）
  digitalWrite(VALVE_LED, (level >= 2) ? HIGH : LOW);

  // 3. 压力控制逻辑
  if (currentPressure >= 0.5) {     // 超压保护
    digitalWrite(ENABLE_PIN, HIGH); // 停泵
    digitalWrite(SAFETY_LED, HIGH); // 点亮安全阀报警灯
    pumpRunning = false;
  } else {                          // 正常压力范围
    digitalWrite(SAFETY_LED, LOW);  // 关闭安全阀报警灯
    digitalWrite(ENABLE_PIN, LOW);  // 启用驱动器

    // PID控制计算
    error = targetPressure - currentPressure;       // 计算误差
    integral += error * (stepInterval / 1000000.0); // 积分项（考虑时间）
    float derivative = (error - lastError) / (stepInterval / 1000000.0); // 微分项
    float output = Kp * error + Ki * integral + Kd * derivative; // PID输出

    // 根据输出调整脉冲间隔（限制在200-2000μs）
    stepInterval = constrain(map(output, -1.0, 1.0, 200, 2000), 200, 2000);

    // 生成步进脉冲
    if (micros() - lastStepTime > stepInterval) {
      digitalWrite(STEP_PIN, HIGH); // 脉冲上升沿
      delayMicroseconds(10);         // 保持10μs脉宽
      digitalWrite(STEP_PIN, LOW);   // 脉冲下降沿
      lastStepTime = micros();       // 记录当前时间
      pumpRunning = true;            // 标记水泵运行中
    }

    lastError = error; // 保存当前误差供下次计算
  }
}

/******************** 手动控制函数：manualControl() ********************/
void manualControl() {
  // 1. 水泵控制（低电平=运行）
  if (!digitalRead(MANUAL_PUMP)) {
    digitalWrite(ENABLE_PIN, LOW);  // 启用驱动器
    digitalWrite(STEP_PIN, HIGH);   // 生成脉冲上升沿
    delayMicroseconds(10);           // 保持10μs脉宽
    digitalWrite(STEP_PIN, LOW);     // 生成脉冲下降沿
    delay(10);                       // 固定间隔（约100Hz）
    pumpRunning = true;              // 标记水泵运行中
  } else {
    digitalWrite(ENABLE_PIN, HIGH); // 禁用驱动器
    pumpRunning = false;            // 标记水泵停止
  }

  // 2. 补气阀控制（低电平=开启）
  digitalWrite(VALVE_LED, !digitalRead(MANUAL_VALVE) ? HIGH : LOW);

  // 3. 复位安全指示灯
  digitalWrite(SAFETY_LED, LOW); // 关闭安全阀灯
  digitalWrite(ALARM_LED, LOW);  // 关闭危险水位灯
}

/******************** LCD显示更新函数：updateLCD() ********************/
void updateLCD() {
  // 第一行显示模式与压力
  lcd.setCursor(0, 0);                   // 光标定位到第0列第0行
  lcd.print("Mode:");                    // 显示模式标签
  lcd.print(currentMode ? "MAN" : "AUTO"); // 显示当前模式（MAN/AUTO）

  lcd.setCursor(8, 0);                   // 光标移动到第8列
  lcd.print("P:");                       // 显示压力标签
  lcd.print(currentPressure, 1);         // 显示压力值（保留1位小数）
  lcd.print("MPa");                      // 显示单位

  // 第二行显示水位与频率
  lcd.setCursor(0, 1);                   // 光标定位到第0列第1行
  lcd.print("Level:");                   // 显示水位标签
  switch (getWaterLevel()) {             // 根据水位值显示状态
    case 0: lcd.print("LOW "); break;    // 低水位
    case 1: lcd.print("MID "); break;    // 中水位
    case 2: lcd.print("HIGH"); break;    // 高水位
    case 3: lcd.print("DANG"); break;    // 危险水位
    default: lcd.print("----"); break;   // 无效状态
  }

  lcd.setCursor(10, 1);                  // 光标移动到第10列
  lcd.print("Freq:");                    // 显示频率标签
  if (!pumpRunning) {
    lcd.print("0Hz ");                   // 停泵时显示0Hz
  } else {
    // 将脉冲间隔映射为等效频率（200μs=50Hz，2000μs=10Hz）
    lcd.print(map(stepInterval, 200, 2000, 50, 10));
    lcd.print("Hz");                     // 显示单位
  }
}