基于單片機電動閥門控制系統設計研究

徐耀坤 吳震宇

摘? 要： 針對傳統燃氣閥控制方式的不足，提出了單片機結合電動執行機構的解決方案。該方案設計了一種用于手/電控制方式切換的離合結構，解決了傳統閥門只能手動控制的問題。在此基礎設計了電動閥門控制系統。該系統以步進電機為執行機構，BF7615BM44為主控模塊，結合L6219驅動模塊，UKS58K位置檢測模塊，觸控按鍵輸入模塊和LED顯示模塊，實現閥門自動復位，擋位顯示，蜂鳴警示功能。大大降低了燃氣灶使用過程中忘記關火造成的風險。提高了燃氣閥門的安全性能。

關鍵詞： 閥門； 單片機； 步進電機； 驅動控制； 位置檢測

中圖分類號：TP23;TP302.1;TH132.4? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ?文章編號：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

工業控制過程不斷朝著智能化發展，電子技術、計算機技術及信息技術得到了更廣泛的應用，技術的提升推動了機電一體化產品更新換代，電動閥門也不例外，其在性能上不斷追求突破，力求達到更好的精度，更高的運行效率以及最小化設備運行成本[1]。

電機作為電動執行機構是閥門開度控制的核心硬件。步進電機又叫脈沖電機，是通過控制脈沖來實現角度轉動和線性移動的。脈沖個數和和頻率決定電機的位移和速度的大小[2]。另外，步進電機的廣泛應用離不開單片機，且步進電機的控制效果直接由單片機決定。所以步進電機的控制系統是以單片機為基礎進行設計的[3]。電動執行機構的設計與研發控制是以滿足工程實際為基礎，解決實際工況問題為目標[4]。本文以解決傳統灶具使用過程中忘記關火的問題，以單片機BF7615BM44結合步進電機設計了一種電動閥門控制系統，實現閥門自動復位。

1 閥門結構升級

目前市場上應用的電動執行機構工作效率較低，整體的結構設計不合理，偏笨重，手/電動切換裝置不能完全自由切換，甚至需要借助外力，這給工作人員現場操作帶來諸多不便，而且在緊急情況下如果不能及時通過手動操作執行機構控制閥門開啟或關閉，就很可能造成難以估量的危險[4]。本研究在傳統閥門的基礎上進行結構升級，設計了一種離合機構，用來實現手/電自由切換，可實現安全可靠的手動控制，同時使閥門更加智能化。升級的閥門結構如圖1。

2 閥門控制系統方案確定

在現有技術的支持下對電動執行機構控制系統進行設計工作。對于該閥門控制系統，步進電機作為執行機構，為控制系統的主要機構。通過MCU核心控制器發出電機運行指令，由驅動器的信號接收模塊接收指令，這個信號無法直接驅動步進電機，必須通過驅動器放大，轉換處理才能施加到步進電機上實現控制[5]。步進電機雖然是開環控制元件，但是當負載波動較大時，產生丟步、損耗等情況。因此，為保證步進電機的運行精度，提高工作性能，可根據實際情況設計位置/速度/電流閉環控制系統[6]。本文電動閥門控制系統的結構見圖2，包括電源模塊，驅動模塊，單片機主控模塊，位置檢測模塊，步進電機，輸入模塊，顯示模塊。其中位置檢測模塊通過位置傳感器輸出信號間接檢測閥門的開度，并發送給單片機分析處理，對步進電機進行位置閉環控制；同時，位置傳感器輸出的位置信號在數碼管上顯示；按鍵模塊采用觸控按鍵輸入控制指令；電源模塊為各個模塊提供相應工作電壓。

3 電路設計

主控芯片采用BYDBF7615BM44，采用內置RC振蕩電路（1MHz）。該芯片為觸控按鍵類芯片，因運行速度快，成本低，抗擾能力強等優點被廣泛應用。

主控模塊電路設計如圖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。接上拉電阻保護電路，防止電路燒壞。其他引腳連接對應硬件設備：觸摸按鍵；位置檢測模塊；步進電機驅動芯片；ADC輸入；燒寫口；數碼管及為滿足數碼管的正向平均電流外接330Ω電阻。

步進電機的驅動采用L6219驅動芯片，該芯片為雙極驅動集成電路可以實現兩相步進電機進行半步或微步驅動，使運行更加平穩。

步進電機驅動電路設計如圖4所示。電阻Rt和電容Ct組成的RC振蕩器，為芯片內部提供振蕩源。其精度和類型決定著源驅動關閉時間，在該設計中，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動IC，所以在設計電路時需要大面積鋪銅接地線。

位置檢測模塊使用六個開關型霍爾傳感器UKS58K圍繞閥軸環形分布，將閥門開度設置為六個檔位，為了更精準地實現自動閉合功能，在閉合位置設置兩個傳感器。當驅動步進電機轉動時，位置傳感器會輸出不同電壓信號，然后單片機進行AD采樣分析，從而實現位置檢測。位置檢測電路設計如圖5所示。

4 軟件設計

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

系統根據實際的工作狀態，將按鍵設置了兩種模式：普通模式和功能模式。普通模式通過短按控制步進電機正反轉對閥門開度調節，按鍵K1/K2使閥門擋位加/減；功能模式通過長按進入自動復位模式，設置預定復位時間進行定時控制閥門關閉，按鍵K3/K4時間加/減。另外，擋位信息及時間信息在數碼管顯示。控制器功能流程如圖6所示。

控制器發出指令與位置信號對比，進而控制步進電機執行相應動作，來實現對閥門的控制。電機控制流程如圖7。

4.1 電機驅動示例（使用節拍驅動，主程序main（） 1ms調用一次）

void MotorRunningProcess（void）

{? uint8 tmp; //步進電機驅動

if（gs_Motor_s16_Steps ！= 0）

//判斷步進電機轉動步數是否為0

{? gs_Motor_u16_StepInterruptCnts++;

if（gs_Motor_u16_StepInterruptCnts

>=gs_Motor_u16_StepTime）

//累計滿次清0操作，并對電機端口控制值進行轉換操作

{? gs_Motor_u16_StepInterruptCnts=0;

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

//判斷步進電機轉動步數是否為正；為正則反轉，為負則正轉

{? gs_Motor_s16_Steps++; //正向轉動一步記一次

gs_Motor_s16_StepCnts++; //步進電機節拍控制

gs_Motor_u16_Steps_now ++; //當前步數增加

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--; //反向轉動一步記一次

gs_Motor_s16_StepCnts--; //步進電機節拍控制

gs_Motor_u16_Steps_now --; //當前步數增加

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采樣檢測示例（主程序main（） 每10ms調用一次）

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 結束語

本文針對傳動燃氣閥門控制存在的問題，對閥體結構進行升級，并設計了電動閥門控制系統。該系統以步進電機為執行機構，BYD7615為控制核心，借助L6219步進電機驅動芯片，UKS58K位置傳感器等硬件實現對燃氣閥門的控制并給出驅動和AD檢測代碼。該電動閥門控制系統可實現閥門自動復位，蜂鳴警示，擋位調節功能。大大降低了用戶忘記關火的風險，提高了安全性能。同時，為廚房自動化，智能化進一步發展提供了基礎。

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