基于單片機(jī)電動(dòng)閥門控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究

徐耀坤 吳震宇

摘? 要： 針對(duì)傳統(tǒng)燃?xì)忾y控制方式的不足，提出了單片機(jī)結(jié)合電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的解決方案。該方案設(shè)計(jì)了一種用于手/電控制方式切換的離合結(jié)構(gòu)，解決了傳統(tǒng)閥門只能手動(dòng)控制的問題。在此基礎(chǔ)設(shè)計(jì)了電動(dòng)閥門控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)以步進(jìn)電機(jī)為執(zhí)行機(jī)構(gòu)，BF7615BM44為主控模塊，結(jié)合L6219驅(qū)動(dòng)模塊，UKS58K位置檢測(cè)模塊，觸控按鍵輸入模塊和LED顯示模塊，實(shí)現(xiàn)閥門自動(dòng)復(fù)位，擋位顯示，蜂鳴警示功能。大大降低了燃?xì)庠钍褂眠^程中忘記關(guān)火造成的風(fēng)險(xiǎn)。提高了燃?xì)忾y門的安全性能。

關(guān)鍵詞： 閥門； 單片機(jī)； 步進(jìn)電機(jī)； 驅(qū)動(dòng)控制； 位置檢測(cè)

中圖分類號(hào)：TP23;TP302.1;TH132.4? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ?文章編號(hào)：1006-8228（2023）06-11-04

Design and research of electric valve control system

based on single chip microcomputer

Xu Yaokun1，2， Wu Zhenyu1，2

（1. Zhejiang Sci-Tech University， Hangzhou， Zhejiang 310018， China;

2. Xinchang Zhejiang Sci-Tech University Technology Innovation Research Institute）

Abstract： Aiming at the shortage of traditional gas valve control mode， a solution of single chip microcomputer combined with electric actuator is proposed. A clutch structure for manual/electric control mode switching is designed to solve the problem that traditional valves can only be controlled manually. On this basis， the electric valve control system is designed. Using the stepping motor as the actuator and BF7615BM44 as the main control module， combined with L6219 drive module， UKS58K position detection module， touch key input module and LED display module， the functions of automatic valve reset， gear display and buzzer warning are realized. It greatly reduces the risk caused by forgetting to turn off the fire when using the gas stove. The safety performance of the gas valve is improved.

Key words： valve; single chip microcomputer; stepping motor; drive control; position detection

0 引言

工業(yè)控制過程不斷朝著智能化發(fā)展，電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)及信息技術(shù)得到了更廣泛的應(yīng)用，技術(shù)的提升推動(dòng)了機(jī)電一體化產(chǎn)品更新?lián)Q代，電動(dòng)閥門也不例外，其在性能上不斷追求突破，力求達(dá)到更好的精度，更高的運(yùn)行效率以及最小化設(shè)備運(yùn)行成本[1]。

電機(jī)作為電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)是閥門開度控制的核心硬件。步進(jìn)電機(jī)又叫脈沖電機(jī)，是通過控制脈沖來實(shí)現(xiàn)角度轉(zhuǎn)動(dòng)和線性移動(dòng)的。脈沖個(gè)數(shù)和和頻率決定電機(jī)的位移和速度的大小[2]。另外，步進(jìn)電機(jī)的廣泛應(yīng)用離不開單片機(jī)，且步進(jìn)電機(jī)的控制效果直接由單片機(jī)決定。所以步進(jìn)電機(jī)的控制系統(tǒng)是以單片機(jī)為基礎(chǔ)進(jìn)行設(shè)計(jì)的[3]。電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)與研發(fā)控制是以滿足工程實(shí)際為基礎(chǔ)，解決實(shí)際工況問題為目標(biāo)[4]。本文以解決傳統(tǒng)灶具使用過程中忘記關(guān)火的問題，以單片機(jī)BF7615BM44結(jié)合步進(jìn)電機(jī)設(shè)計(jì)了一種電動(dòng)閥門控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)閥門自動(dòng)復(fù)位。

1 閥門結(jié)構(gòu)升級(jí)

目前市場(chǎng)上應(yīng)用的電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)工作效率較低，整體的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理，偏笨重，手/電動(dòng)切換裝置不能完全自由切換，甚至需要借助外力，這給工作人員現(xiàn)場(chǎng)操作帶來諸多不便，而且在緊急情況下如果不能及時(shí)通過手動(dòng)操作執(zhí)行機(jī)構(gòu)控制閥門開啟或關(guān)閉，就很可能造成難以估量的危險(xiǎn)[4]。本研究在傳統(tǒng)閥門的基礎(chǔ)上進(jìn)行結(jié)構(gòu)升級(jí)，設(shè)計(jì)了一種離合機(jī)構(gòu)，用來實(shí)現(xiàn)手/電自由切換，可實(shí)現(xiàn)安全可靠的手動(dòng)控制，同時(shí)使閥門更加智能化。升級(jí)的閥門結(jié)構(gòu)如圖1。

2 閥門控制系統(tǒng)方案確定

在現(xiàn)有技術(shù)的支持下對(duì)電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)控制系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)工作。對(duì)于該閥門控制系統(tǒng)，步進(jìn)電機(jī)作為執(zhí)行機(jī)構(gòu)，為控制系統(tǒng)的主要機(jī)構(gòu)。通過MCU核心控制器發(fā)出電機(jī)運(yùn)行指令，由驅(qū)動(dòng)器的信號(hào)接收模塊接收指令，這個(gè)信號(hào)無法直接驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)，必須通過驅(qū)動(dòng)器放大，轉(zhuǎn)換處理才能施加到步進(jìn)電機(jī)上實(shí)現(xiàn)控制[5]。步進(jìn)電機(jī)雖然是開環(huán)控制元件，但是當(dāng)負(fù)載波動(dòng)較大時(shí)，產(chǎn)生丟步、損耗等情況。因此，為保證步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行精度，提高工作性能，可根據(jù)實(shí)際情況設(shè)計(jì)位置/速度/電流閉環(huán)控制系統(tǒng)[6]。本文電動(dòng)閥門控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)見圖2，包括電源模塊，驅(qū)動(dòng)模塊，單片機(jī)主控模塊，位置檢測(cè)模塊，步進(jìn)電機(jī)，輸入模塊，顯示模塊。其中位置檢測(cè)模塊通過位置傳感器輸出信號(hào)間接檢測(cè)閥門的開度，并發(fā)送給單片機(jī)分析處理，對(duì)步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行位置閉環(huán)控制；同時(shí)，位置傳感器輸出的位置信號(hào)在數(shù)碼管上顯示；按鍵模塊采用觸控按鍵輸入控制指令；電源模塊為各個(gè)模塊提供相應(yīng)工作電壓。

3 電路設(shè)計(jì)

主控芯片采用BYDBF7615BM44，采用內(nèi)置RC振蕩電路（1MHz）。該芯片為觸控按鍵類芯片，因運(yùn)行速度快，成本低，抗擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)被廣泛應(yīng)用。

主控模塊電路設(shè)計(jì)如圖3，引腳7，12分別接地，5V電源，C2，C7為濾波電容，目的是使電源線和地線之間為低阻抗，電源接近理想電壓源。接上拉電阻保護(hù)電路，防止電路燒壞。其他引腳連接對(duì)應(yīng)硬件設(shè)備：觸摸按鍵；位置檢測(cè)模塊；步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片；ADC輸入；燒寫口；數(shù)碼管及為滿足數(shù)碼管的正向平均電流外接330Ω電阻。

步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)采用L6219驅(qū)動(dòng)芯片，該芯片為雙極驅(qū)動(dòng)集成電路可以實(shí)現(xiàn)兩相步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行半步或微步驅(qū)動(dòng)，使運(yùn)行更加平穩(wěn)。

步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)如圖4所示。電阻Rt和電容Ct組成的RC振蕩器，為芯片內(nèi)部提供振蕩源。其精度和類型決定著源驅(qū)動(dòng)關(guān)閉時(shí)間，在該設(shè)計(jì)中，Rt的精度選用1%，Ct選用NPO類型，精度5%。采樣電阻Rs精度為1%。另外，由于該芯片是斬波式電源驅(qū)動(dòng)IC，所以在設(shè)計(jì)電路時(shí)需要大面積鋪銅接地線。

位置檢測(cè)模塊使用六個(gè)開關(guān)型霍爾傳感器UKS58K圍繞閥軸環(huán)形分布，將閥門開度設(shè)置為六個(gè)檔位，為了更精準(zhǔn)地實(shí)現(xiàn)自動(dòng)閉合功能，在閉合位置設(shè)置兩個(gè)傳感器。當(dāng)驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，位置傳感器會(huì)輸出不同電壓信號(hào)，然后單片機(jī)進(jìn)行AD采樣分析，從而實(shí)現(xiàn)位置檢測(cè)。位置檢測(cè)電路設(shè)計(jì)如圖5所示。

4 軟件設(shè)計(jì)

主程序包括：看門狗模塊、按鍵標(biāo)志位獲取模塊、功能函數(shù)。其中看門狗功能用來避免在操作過程中產(chǎn)生死機(jī)問題；按鍵標(biāo)志的獲取主要用于觸摸判斷并置位或清除觸摸標(biāo)志位；功能函數(shù)包括按鍵值處理，閥位顯示，AD采樣，電機(jī)運(yùn)行。

系統(tǒng)根據(jù)實(shí)際的工作狀態(tài)，將按鍵設(shè)置了兩種模式：普通模式和功能模式。普通模式通過短按控制步進(jìn)電機(jī)正反轉(zhuǎn)對(duì)閥門開度調(diào)節(jié)，按鍵K1/K2使閥門擋位加/減；功能模式通過長(zhǎng)按進(jìn)入自動(dòng)復(fù)位模式，設(shè)置預(yù)定復(fù)位時(shí)間進(jìn)行定時(shí)控制閥門關(guān)閉，按鍵K3/K4時(shí)間加/減。另外，擋位信息及時(shí)間信息在數(shù)碼管顯示。控制器功能流程如圖6所示。

控制器發(fā)出指令與位置信號(hào)對(duì)比，進(jìn)而控制步進(jìn)電機(jī)執(zhí)行相應(yīng)動(dòng)作，來實(shí)現(xiàn)對(duì)閥門的控制。電機(jī)控制流程如圖7。

4.1 電機(jī)驅(qū)動(dòng)示例（使用節(jié)拍驅(qū)動(dòng)，主程序main（） 1ms調(diào)用一次）

void MotorRunningProcess（void）

{? uint8 tmp; //步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)

if（gs_Motor_s16_Steps ！= 0）

//判斷步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)步數(shù)是否為0

{? gs_Motor_u16_StepInterruptCnts++;

if（gs_Motor_u16_StepInterruptCnts

>=gs_Motor_u16_StepTime）

//累計(jì)滿次清0操作，并對(duì)電機(jī)端口控制值進(jìn)行轉(zhuǎn)換操作

{? gs_Motor_u16_StepInterruptCnts=0;

if（（gs_Motor_s16_Steps &0x8000）==0x8000）

//判斷步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)步數(shù)是否為正；為正則反轉(zhuǎn)，為負(fù)則正轉(zhuǎn)

{? gs_Motor_s16_Steps++; //正向轉(zhuǎn)動(dòng)一步記一次

gs_Motor_s16_StepCnts++; //步進(jìn)電機(jī)節(jié)拍控制

gs_Motor_u16_Steps_now ++; //當(dāng)前步數(shù)增加

if（bFiregearFlag）

{? gs_Motor_u16_Steps_Pre++;

if（gs_Motor_u16_Steps_Pre >

8000）

{? gs_Motor_u16_Steps_Pre=8000;

}

}

}

else

{? gs_Motor_s16_Steps--; //反向轉(zhuǎn)動(dòng)一步記一次

gs_Motor_s16_StepCnts--; //步進(jìn)電機(jī)節(jié)拍控制

gs_Motor_u16_Steps_now --; //當(dāng)前步數(shù)增加

if（bFiregearFlag）

{? gs_Motor_u16_Steps_Pre--;

if（gs_Motor_u16_Steps_Pre<-8000）

{? gs_Motor_u16_Steps_Pre=-8000;

}

}

}

tmp=Step_Code[（gs_Motor_s16_StepCnts & 0x07）];

//端口電平給予

}

4.2 AD采樣檢測(cè)示例（主程序main（） 每10ms調(diào)用一次）

void KnobCheck（void）

{? //采樣的AD值讀取

gu8_PowerSwitchAd=Get_ADC（21）;

gu8_Tmp=gu8_PowerSwitchAd -

gu8_PowerSwitchPreData;

//前后兩次讀取值比較

if（gu8_Tmp<0）

{? gu8_Tmp = ～gu8_Tmp;

}

if（gu8_Tmp < 8）

//兩次壓差<0.15V采樣值有效

{? gu16_PowerLeftSwitchAvg =

gu16_PowerLeftSwitchAvg -

（gu16_PowerLeftSwitchAvg >> 2）

+ gu8_PowerSwitchAd;

//電壓值平滑處理

}

gu8_PowerSwitchPreData = gu8_PowerSwitchAd;

}

5 結(jié)束語

本文針對(duì)傳動(dòng)燃?xì)忾y門控制存在的問題，對(duì)閥體結(jié)構(gòu)進(jìn)行升級(jí)，并設(shè)計(jì)了電動(dòng)閥門控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)以步進(jìn)電機(jī)為執(zhí)行機(jī)構(gòu)，BYD7615為控制核心，借助L6219步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片，UKS58K位置傳感器等硬件實(shí)現(xiàn)對(duì)燃?xì)忾y門的控制并給出驅(qū)動(dòng)和AD檢測(cè)代碼。該電動(dòng)閥門控制系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)閥門自動(dòng)復(fù)位，蜂鳴警示，擋位調(diào)節(jié)功能。大大降低了用戶忘記關(guān)火的風(fēng)險(xiǎn)，提高了安全性能。同時(shí)，為廚房自動(dòng)化，智能化進(jìn)一步發(fā)展提供了基礎(chǔ)。

參考文獻(xiàn)（References）：

[1] 杜夢(mèng)婷.智能閥門電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)控制系統(tǒng)研究[D].碩士，

南京理工大學(xué)，2020

[2] 楊鑒.基于AT89C52單片機(jī)的兩坐標(biāo)步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)

設(shè)計(jì)[J].湖南工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào)，2021，21（4）：17-19，39

[3] 呂穎利，趙會(huì)娟.基于單片機(jī)的步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)研究[J].

南方農(nóng)機(jī)，2022，53（8）：132-134

[4] 姚冰.智能多回轉(zhuǎn)閥門電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)與研究[D].碩士，

中國(guó)礦業(yè)大學(xué)，2021

[5] 蘇文德，朱凱，管堯，等.基于STM32的步進(jìn)電機(jī)PID速度環(huán)

控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，2022，35（7）：37-38，41

[6] 林滔.基于可編程控制器的步進(jìn)電機(jī)閉環(huán)智能控制系統(tǒng)[J].

自動(dòng)化與儀表，2022，37（4）：36-39，45