基于单片机电动阀门控制系统设计研究

徐耀坤 吴震宇

摘  要： 针对传统燃气阀控制方式的不足，提出了单片机结合电动执行机构的解决方案。该方案设计了一种用于手/电控制方式切换的离合结构，解决了传统阀门只能手动控制的问题。在此基础设计了电动阀门控制系统。该系统以步进电机为执行机构，BF7615BM44为主控模块，结合L6219驱动模块，UKS58K位置检测模块，触控按键输入模块和LED显示模块，实现阀门自动复位，挡位显示，蜂鸣警示功能。大大降低了燃气灶使用过程中忘记关火造成的风险。提高了燃气阀门的安全性能。

关键词： 阀门； 单片机； 步进电机； 驱动控制； 位置检测

中图分类号：TP23;TP302.1;TH132.4          文献标識码：A     文章编号：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

工业控制过程不断朝着智能化发展，电子技术、计算机技术及信息技术得到了更广泛的应用，技术的提升推动了机电一体化产品更新换代，电动阀门也不例外，其在性能上不断追求突破，力求达到更好的精度，更高的运行效率以及最小化设备运行成本[1]。

电机作为电动执行机构是阀门开度控制的核心硬件。步进电机又叫脉冲电机，是通过控制脉冲来实现角度转动和线性移动的。脉冲个数和和频率决定电机的位移和速度的大小[2]。另外，步进电机的广泛应用离不开单片机，且步进电机的控制效果直接由单片机决定。所以步进电机的控制系统是以单片机为基础进行设计的[3]。电动执行机构的设计与研发控制是以满足工程实际为基础，解决实际工况问题为目标[4]。本文以解决传统灶具使用过程中忘记关火的问题，以单片机BF7615BM44结合步进电机设计了一种电动阀门控制系统，实现阀门自动复位。

1 阀门结构升级

目前市场上应用的电动执行机构工作效率较低，整体的结构设计不合理，偏笨重，手/电动切换装置不能完全自由切换，甚至需要借助外力，这给工作人员现场操作带来诸多不便，而且在紧急情况下如果不能及时通过手动操作执行机构控制阀门开启或关闭，就很可能造成难以估量的危险[4]。本研究在传统阀门的基础上进行结构升级，设计了一种离合机构，用来实现手/电自由切换，可实现安全可靠的手动控制，同时使阀门更加智能化。升级的阀门结构如图1。

2 阀门控制系统方案确定

在现有技术的支持下对电动执行机构控制系统进行设计工作。对于该阀门控制系统，步进电机作为执行机构，为控制系统的主要机构。通过MCU核心控制器发出电机运行指令，由驱动器的信号接收模块接收指令，这个信号无法直接驱动步进电机，必须通过驱动器放大，转换处理才能施加到步进电机上实现控制[5]。步进电机虽然是开环控制元件，但是当负载波动较大时，产生丢步、损耗等情况。因此，为保证步进电机的运行精度，提高工作性能，可根据实际情况设计位置/速度/电流闭环控制系统[6]。本文电动阀门控制系统的结构见图2，包括电源模块，驱动模块，单片机主控模块，位置检测模块，步进电机，输入模块，显示模块。其中位置检测模块通过位置传感器输出信号间接检测阀门的开度，并发送给单片机分析处理，对步进电机进行位置闭环控制；同时，位置传感器输出的位置信号在数码管上显示；按键模块采用触控按键输入控制指令；电源模块为各个模块提供相应工作电压。

3 电路设计

主控芯片采用BYDBF7615BM44，采用内置RC振荡电路（1MHz）。该芯片为触控按键类芯片，因运行速度快，成本低，抗扰能力强等优点被广泛应用。

主控模块电路设计如图3，引脚7，12分别接地，5V电源，C2，C7为滤波电容，目的是使电源线和地线之间为低阻抗，电源接近理想电压源。接上拉电阻保护电路，防止电路烧坏。其他引脚连接对应硬件设备：触摸按键；位置检测模块；步进电机驱动芯片；ADC输入；烧写口；数码管及为满足数码管的正向平均电流外接330Ω电阻。

步进电机的驱动采用L6219驱动芯片，该芯片为双极驱动集成电路可以实现两相步进电机进行半步或微步驱动，使运行更加平稳。

步进电机驱动电路设计如图4所示。电阻Rt和电容Ct组成的RC振荡器，为芯片内部提供振荡源。其精度和类型决定着源驱动关闭时间，在该设计中，Rt的精度选用1%，Ct选用NPO类型，精度5%。采样电阻Rs精度为1%。另外，由于该芯片是斩波式电源驱动IC，所以在设计电路时需要大面积铺铜接地线。

位置检测模块使用六个开关型霍尔传感器UKS58K围绕阀轴环形分布，将阀门开度设置为六个档位，为了更精准地实现自动闭合功能，在闭合位置设置两个传感器。当驱动步进电机转动时，位置传感器会输出不同电压信号，然后单片机进行AD采样分析，从而实现位置检测。位置检测电路设计如图5所示。

4 软件设计

主程序包括：看门狗模块、按键标志位获取模块、功能函数。其中看门狗功能用来避免在操作过程中产生死机问题；按键标志的获取主要用于触摸判断并置位或清除触摸标志位；功能函数包括按键值处理，阀位显示，AD采样，电机运行。

系统根据实际的工作状态，将按键设置了两种模式：普通模式和功能模式。普通模式通过短按控制步进电机正反转对阀门开度调节，按键K1/K2使阀门挡位加/减；功能模式通过长按进入自动复位模式，设置预定复位时间进行定时控制阀门关闭，按键K3/K4时间加/减。另外，挡位信息及时间信息在数码管显示。控制器功能流程如图6所示。

控制器发出指令与位置信号对比，进而控制步进电机执行相应动作，来实现对阀门的控制。电机控制流程如图7。

4.1 电机驱动示例（使用节拍驱动，主程序main（） 1ms调用一次）

void MotorRunningProcess（void）

{  uint8 tmp; //步进电机驱动

if（gs_Motor_s16_Steps ！= 0）

//判断步进电机转动步数是否为0

{  gs_Motor_u16_StepInterruptCnts++;

if（gs_Motor_u16_StepInterruptCnts

>=gs_Motor_u16_StepTime）

//累计满次清0操作，并对电机端口控制值进行转换操作

{  gs_Motor_u16_StepInterruptCnts=0;

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

//判断步进电机转动步数是否为正；为正则反转，为负则正转

{  gs_Motor_s16_Steps++; //正向转动一步记一次

gs_Motor_s16_StepCnts++; //步进电机节拍控制

gs_Motor_u16_Steps_now ++; //当前步数增加

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--; //反向转动一步记一次

gs_Motor_s16_StepCnts--; //步进电机节拍控制

gs_Motor_u16_Steps_now --; //当前步数增加

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）];

//端口电平给予

}

4.2 AD采样检测示例（主程序main（） 每10ms调用一次）

void KnobCheck（void）

{  //采样的AD值读取

gu8_PowerSwitchAd=Get_ADC（21）;

gu8_Tmp=gu8_PowerSwitchAd -

gu8_PowerSwitchPreData;

//前后兩次读取值比较

if（gu8_Tmp<0）

{  gu8_Tmp = ～gu8_Tmp;

}

if（gu8_Tmp < 8）

//两次压差<0.15V采样值有效

{  gu16_PowerLeftSwitchAvg =

gu16_PowerLeftSwitchAvg -

（gu16_PowerLeftSwitchAvg >> 2）

+ gu8_PowerSwitchAd;

//电压值平滑处理

}

gu8_PowerSwitchPreData = gu8_PowerSwitchAd;

}

5 结束语

本文针对传动燃气阀门控制存在的问题，对阀体结构进行升级，并设计了电动阀门控制系统。该系统以步进电机为执行机构，BYD7615为控制核心，借助L6219步进电机驱动芯片，UKS58K位置传感器等硬件实现对燃气阀门的控制并给出驱动和AD检测代码。该电动阀门控制系统可实现阀门自动复位，蜂鸣警示，挡位调节功能。大大降低了用户忘记关火的风险，提高了安全性能。同时，为厨房自动化，智能化进一步发展提供了基础。

参考文献（References）：

[1] 杜梦婷.智能阀门电动执行机构控制系统研究[D].硕士，

南京理工大学，2020

[2] 杨鉴.基于AT89C52单片机的两坐标步进电机控制系统

设计[J].湖南工业职业技术学院学报，2021，21（4）：17-19，39

[3] 吕颖利，赵会娟.基于单片机的步进电机控制系统研究[J].

南方农机，2022，53（8）：132-134

[4] 姚冰.智能多回转阀门电动执行机构的设计与研究[D].硕士，

中国矿业大学，2021

[5] 苏文德，朱凯，管尧，等.基于STM32的步进电机PID速度环

控制系统设计[J].工业控制计算机，2022，35（7）：37-38，41

[6] 林滔.基于可编程控制器的步进电机闭环智能控制系统[J].

自動化与仪表，2022，37（4）：36-39，45