智能水閥控制器設計

牛牧原，華志遠，李全彬

（1.江蘇師范大學 江蘇圣理工學院-中俄學院，江蘇 徐州 221100；2.江蘇師范大學 物理與電子工程學院，江蘇 徐州 221100）

0 引 言

現如今，閥門自動控制技術已經很成熟，并且在社會上被廣泛應用。在此基礎上，不少研究人員還提出了智能控制方案，袁新顏等人以STM32G4作為控制器，采用無線射頻技術，結合GPS定位，借助WiFi實現了燃氣閥門的遠程控制，該設計方案比較復雜、成本較高。馬靜等人利用ATMEGA328P-AU芯片控制ESP8266無線WiFi單元和NRF24L0無線射頻單元實現了電子閥門的遠程控制，但對異常情況沒有給出實驗結果，實際應用中可能存在安全隱患。汪川采用比例-積分-微分（PID）算法實現了閥門參數的全控制，并通過LCD對閥門的當前狀態進行實時顯示，為智能閥門設計提供了很好的思路。藍杰等人以STM32為主芯片設計了一種微型步進電機驅動控制器，為實現太陽能自動上水提供了可行方案，嚴冬等利用三極管截止狀態來實現水位檢測與上水。趙博利用浮球杠桿法實現了傳感器智能上水的功能，但安裝操作較為復雜。王文勇利用鬧鈴脈沖器，實現了定時自動上水的功能，但具備較大的局限性。蘇賜民等利用分段式水位檢測方法，通過多個水位傳感器實現對水位的控制，但無法精確控制上水量。目前，市面上已有自動上水智能測控儀及電磁閥，但均需要對原有管路進行拆卸，安裝復雜，一套全自動控制設備的價格也較為昂貴。

為了彌補以上方案的不足，本文設計了一款易安裝、成本低的智能水閥控制器。本控制器安裝時不需要改動現有管路，只須將其固定到現有手動開關閥門上，安裝簡單方便，便于操作；其自帶的控制器能夠在傳感器檢測到回水管出水時自動關閉水閥，如果控制器突發故障不能正常關閉水閥時，將通過報警器進行大音量連續提醒，提醒用戶手動關閉閥門。

1 水閥控制器設計

1.1 適用于球閥的控制器設計

總控裝置內含單片機控制系統和步進電機，其中電機轉子與球閥軸之間通過連接器連接，上下各有一個螺絲固定。總控裝置與水管間通過連接架固定。連接架帶有卡扣裝置，通過四個螺絲與螺帽使固定裝置與水管緊密貼合，從而起到固定作用。球閥控制器設計如圖1所示。

圖1 適用于球閥的控制器設計

1.2 適用于截止閥的控制器設計

總控裝置通過連接架與手動撥盤連接，如圖2所示。連接架帶有固定裝置，下方有兩個墊片，用四個長螺絲及螺帽與連接架固定在一起，固定裝置如圖3所示。

圖2 適用于截止閥的控制器設計

圖3 截止閥固定裝置示意圖

2 系統硬件設計

太陽能上水自動控制系統主要由夾子水位感應模塊、數據處理系統、單片機控制系統組成。系統處理流程如圖4所示。

圖4 系統處理流程

2.1 夾子水位感應模塊

夾子水位感應模塊是一種耗電低、安全、靈敏度高的常用檢測流水的方法，如圖5所示。它適用于各種排水管的管口尺寸，安裝方便，易于更換；將其安放于太陽能排水管出口處，一端連接單片機引腳，一端連接GND。當有水流經過時，夾子與另一端導線經過水流而導通，單片機引腳被拉低，從而檢測到水流。

圖5 夾子水位感應器

2.2 閥門角度控制系統

AS5600是高精度12位角度傳感器，分辨率高，體積小，功耗低。將其安裝在步進電機的后面，通過磁編碼可以獲取主軸的旋轉速度等信息，經單片機處理后精確地控制閥門旋轉。

2.3 基于STM32的核心控制系統

核心控制模塊選用STM32F103ZET6芯片，快速處理用戶的按鍵指令，并對夾子水位感應模塊的反饋信號進行實時處理，控制步進電機精準開合上水閥門。步進電機驅動選用A4988芯片，其成本低，擁有內置的譯碼器，操作簡便。系統設計原理如圖6所示。

圖6 系統控制原理

2.4 閥門開合角度控制系統

選用兩相四線的42系列步進電機，角度誤差僅為0.09°。相比普通電機，步進電機每接受一個脈沖信號，轉子就轉動一個角度，其輸出的角位移與輸入的脈沖數成正比，轉速與脈沖頻率成正比，配合編碼器，能夠精確控制閥門開關角度。本設計設定了三種閥門開合角度：90°、180°和360°，用戶可以通過相應按鍵進行選擇。

2.5 人機交互系統

用戶在使用本設計時，需要對系統運行狀態有明顯的感知，因此借助LED燈增加了用戶交互功能。在不同的工作狀態時，對應狀態提示文字下的LED燈將會點亮。閥門三種開合角度（90°、180°和360°）對應三個檔位，選擇按鍵、一鍵上水按鍵、強制關閉閥門按鍵、復位按鍵等均有對應的LED燈背景光。按鍵電路設計如圖7所示，復位電路設計如圖8所示。

圖7 按鍵電路

圖8 復位按鍵電路

用戶在第一次使用時，先將太陽能上水閥門關閉，按下單片機復位按鍵，電源燈會亮起；隨后選擇合適的檔位，相應檔位的LED燈會亮起；最后按下一鍵上水按鍵，系統將為用戶打開閥門，該過程中LED燈將會一直亮，直至閥門旋轉到相應角度后，該檔位的LED燈由亮轉滅，即為閥門開啟過程結束，開始上水。開合閥門過程中，如果編碼器感應到步進電機不轉動，單片機會做出響應，上水故障對應的LED燈會亮起，同時蜂鳴器報警。如果上水過程中突發斷電，則會自動啟用備用電池對蜂鳴器供電，蜂鳴器進行報警，提醒用戶。單片機控制蜂鳴器最高報警時長為10 min，用戶可自行關閉開關令蜂鳴器停止報警。報警電路設計如圖9所示，LED燈控制電路如圖10所示。

圖9 蜂鳴器報警電路

3 系統軟件設計

本系統首先對單片機及各模塊進行初始化并讀取AS5600信號，記錄下電機初始角度并將其存入單片機內部。主程序首先將用戶選擇的角度讀入單片機，在上水信號到來時控制電機正轉相應的角度，閥門開啟。夾子水位感應器接觸到回水時，將觸發的微弱電信號反饋到單片機，控制電機反轉相同角度，閥門閉合。采用AS5600編碼器，將其讀取的步進電機角度信號實時存儲在單片機內部FLASH中，配合濾波算法實時探測步進電機工作狀態，使系統魯棒性更強。若有異常，蜂鳴器自動開啟進行報警。整個上水過程完成后，單片機控制A4988進入睡眠模式，等待下一次上水信號到來。本系統采用C語言編寫代碼，利用Keil5進行編譯。軟件設計流程如圖11所示。

圖10 交互LED燈電路

圖11 軟件設計流程

4 實驗過程

為確保系統整體設計的科學性與可行性，本實驗以普通家用的截止閥為測試對象，從正常過程和異常過程兩個方面進行測試。

4.1 正常過程實驗

對閥門的一端進行人工標記，按下90°檔位按鍵、一鍵上水按鍵，指示燈亮起，1 s內裝置開始啟動，同時步進電機驅動閥門開始轉動；3 s后標志物精確停在距原始點90°位置，指示燈由亮轉滅，閥門開啟測試完成。回水管出水，約1 s后裝置開始啟動，又經過約5 s閥門反轉回原點，閥門關閉測試完成。再分別對180°、360°檔位進行測試，指示燈均正常顯示，閥門能夠精準開合。實驗結果見表1所列。

表1 正常過程實驗測試結果

4.2 異常過程實驗

（1）電機故障實驗

給系統正常供電，令電機的A相正線不連接，使電機無法正常運轉，按下上水按鍵，上水指示燈正常亮起，觀察到步進電機抖動，2 s后上水故障指示燈亮起，同時蜂鳴器進行報警，按下蜂鳴器控制開關，關閉蜂鳴器，關閉電源，電機故障實驗測試結束。

（2）停電測試

給系統正常供電，按下上水按鍵，上水指示燈亮起，在閥門正常開啟過程中拔掉電源，經過0.5 s，蜂鳴器報警。接著打開電源，按下上水按鍵，系統正常工作，蜂鳴器自動停止報警，電機繼續轉動到閥門開啟位置。在閥門完全開啟后的上水過程中拔掉電源，經過0.5 s，蜂鳴器報警，手動關閉蜂鳴器。打開電源和蜂鳴器，蜂鳴器未報警，按下強制關閉閥門按鍵，閥門關閉，停電測試結束。

測試結果表明，本系統可以在正常供電時，實現正常的開合閥門功能，提供上水服務。當電路出現問題，或者系統上水進行時供電突然出現異常，系統將自動開啟蜂鳴器報警。

5 結 語

考慮到大多數家庭使用的閥門為球閥和截止閥兩種類型，本文的控制器設計了適用于上述兩個類型閥門的構造，安裝時直接卡在對應類型的閥門上，方便快捷。硬件電路使用了常用的芯片，硬件成本低廉。用戶操作方便，選擇好開合角度后，按下開關鍵，水閥即開啟上水，感應到出水口出水時自動關閉閥門。為了應對突發狀況，比如突然停電，本系統也自帶電源（兩節7號電池），啟動后如果檢測到異常（電機故障、突然停電等），蜂鳴器報警，提醒用戶及時手動干預。