牛牧原，華志遠(yuǎn)，李全彬

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

0 引 言

現(xiàn)如今，閥門自動(dòng)控制技術(shù)已經(jīng)很成熟，并且在社會(huì)上被廣泛應(yīng)用。在此基礎(chǔ)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(shù)，結(jié)合GPS定位，借助WiFi實(shí)現(xiàn)了燃?xì)忾y門的遠(yuǎn)程控制，該設(shè)計(jì)方案比較復(fù)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(shí)現(xiàn)了電子閥門的遠(yuǎn)程控制，但對(duì)異常情況沒有給出實(shí)驗(yàn)結(jié)果，實(shí)際應(yīng)用中可能存在安全隱患。汪川采用比例-積分-微分（PID）算法實(shí)現(xiàn)了閥門參數(shù)的全控制，并通過LCD對(duì)閥門的當(dāng)前狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示，為智能閥門設(shè)計(jì)提供了很好的思路。藍(lán)杰等人以STM32為主芯片設(shè)計(jì)了一種微型步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制器，為實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)能自動(dòng)上水提供了可行方案，嚴(yán)冬等利用三極管截止?fàn)顟B(tài)來實(shí)現(xiàn)水位檢測(cè)與上水。趙博利用浮球杠桿法實(shí)現(xiàn)了傳感器智能上水的功能，但安裝操作較為復(fù)雜。王文勇利用鬧鈴脈沖器，實(shí)現(xiàn)了定時(shí)自動(dòng)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(cè)方法，通過多個(gè)水位傳感器實(shí)現(xiàn)對(duì)水位的控制，但無法精確控制上水量。目前，市面上已有自動(dòng)上水智能測(cè)控儀及電磁閥，但均需要對(duì)原有管路進(jìn)行拆卸，安裝復(fù)雜，一套全自動(dòng)控制設(shè)備的價(jià)格也較為昂貴。

為了彌補(bǔ)以上方案的不足，本文設(shè)計(jì)了一款易安裝、成本低的智能水閥控制器。本控制器安裝時(shí)不需要改動(dòng)現(xiàn)有管路，只須將其固定到現(xiàn)有手動(dòng)開關(guān)閥門上，安裝簡(jiǎn)單方便，便于操作；其自帶的控制器能夠在傳感器檢測(cè)到回水管出水時(shí)自動(dòng)關(guān)閉水閥，如果控制器突發(fā)故障不能正常關(guān)閉水閥時(shí)，將通過報(bào)警器進(jìn)行大音量連續(xù)提醒，提醒用戶手動(dòng)關(guān)閉閥門。

1 水閥控制器設(shè)計(jì)

1.1 適用于球閥的控制器設(shè)計(jì)

總控裝置內(nèi)含單片機(jī)控制系統(tǒng)和步進(jìn)電機(jī)，其中電機(jī)轉(zhuǎn)子與球閥軸之間通過連接器連接，上下各有一個(gè)螺絲固定?？偪匮b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(gè)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(shè)計(jì)如圖1所示。

圖1 適用于球閥的控制器設(shè)計(jì)

1.2 適用于截止閥的控制器設(shè)計(jì)

總控裝置通過連接架與手動(dòng)撥盤連接，如圖2所示。連接架帶有固定裝置，下方有兩個(gè)墊片，用四個(gè)長(zhǎng)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(shè)計(jì)

圖3 截止閥固定裝置示意圖

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

太陽(yáng)能上水自動(dòng)控制系統(tǒng)主要由夾子水位感應(yīng)模塊、數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)、單片機(jī)控制系統(tǒng)組成。系統(tǒng)處理流程如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)處理流程

2.1 夾子水位感應(yīng)模塊

夾子水位感應(yīng)模塊是一種耗電低、安全、靈敏度高的常用檢測(cè)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(yáng)能排水管出口處，一端連接單片機(jī)引腳，一端連接GND。當(dāng)有水流經(jīng)過時(shí)，夾子與另一端導(dǎo)線經(jīng)過水流而導(dǎo)通，單片機(jī)引腳被拉低，從而檢測(cè)到水流。

圖5 夾子水位感應(yīng)器

2.2 閥門角度控制系統(tǒng)

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(jìn)電機(jī)的后面，通過磁編碼可以獲取主軸的旋轉(zhuǎn)速度等信息，經(jīng)單片機(jī)處理后精確地控制閥門旋轉(zhuǎn)。

2.3 基于STM32的核心控制系統(tǒng)

核心控制模塊選用STM32F103ZET6芯片，快速處理用戶的按鍵指令，并對(duì)夾子水位感應(yīng)模塊的反饋信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)處理，控制步進(jìn)電機(jī)精準(zhǔn)開合上水閥門。步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)選用A4988芯片，其成本低，擁有內(nèi)置的譯碼器，操作簡(jiǎn)便。系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理如圖6所示。

圖6 系統(tǒng)控制原理

2.4 閥門開合角度控制系統(tǒng)

選用兩相四線的42系列步進(jìn)電機(jī)，角度誤差僅為0.09°。相比普通電機(jī)，步進(jìn)電機(jī)每接受一個(gè)脈沖信號(hào)，轉(zhuǎn)子就轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)角度，其輸出的角位移與輸入的脈沖數(shù)成正比，轉(zhuǎn)速與脈沖頻率成正比，配合編碼器，能夠精確控制閥門開關(guān)角度。本設(shè)計(jì)設(shè)定了三種閥門開合角度：90°、180°和360°，用戶可以通過相應(yīng)按鍵進(jìn)行選擇。

2.5 人機(jī)交互系統(tǒng)

用戶在使用本設(shè)計(jì)時(shí)，需要對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)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(tài)時(shí)，對(duì)應(yīng)狀態(tài)提示文字下的LED燈將會(huì)點(diǎn)亮。閥門三種開合角度（90°、180°和360°）對(duì)應(yīng)三個(gè)檔位，選擇按鍵、一鍵上水按鍵、強(qiáng)制關(guān)閉閥門按鍵、復(fù)位按鍵等均有對(duì)應(yīng)的LED燈背景光。按鍵電路設(shè)計(jì)如圖7所示，復(fù)位電路設(shè)計(jì)如圖8所示。

圖7 按鍵電路

圖8 復(fù)位按鍵電路

用戶在第一次使用時(shí)，先將太陽(yáng)能上水閥門關(guān)閉，按下單片機(jī)復(fù)位按鍵，電源燈會(huì)亮起；隨后選擇合適的檔位，相應(yīng)檔位的LED燈會(huì)亮起；最后按下一鍵上水按鍵，系統(tǒng)將為用戶打開閥門，該過程中LED燈將會(huì)一直亮，直至閥門旋轉(zhuǎn)到相應(yīng)角度后，該檔位的LED燈由亮轉(zhuǎn)滅，即為閥門開啟過程結(jié)束，開始上水。開合閥門過程中，如果編碼器感應(yīng)到步進(jìn)電機(jī)不轉(zhuǎn)動(dòng)，單片機(jī)會(huì)做出響應(yīng)，上水故障對(duì)應(yīng)的LED燈會(huì)亮起，同時(shí)蜂鳴器報(bào)警。如果上水過程中突發(fā)斷電，則會(huì)自動(dòng)啟用備用電池對(duì)蜂鳴器供電，蜂鳴器進(jìn)行報(bào)警，提醒用戶。單片機(jī)控制蜂鳴器最高報(bào)警時(shí)長(zhǎng)為10 min，用戶可自行關(guān)閉開關(guān)令蜂鳴器停止報(bào)警。報(bào)警電路設(shè)計(jì)如圖9所示，LED燈控制電路如圖10所示。

圖9 蜂鳴器報(bào)警電路

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)首先對(duì)單片機(jī)及各模塊進(jìn)行初始化并讀取AS5600信號(hào)，記錄下電機(jī)初始角度并將其存入單片機(jī)內(nèi)部。主程序首先將用戶選擇的角度讀入單片機(jī)，在上水信號(hào)到來時(shí)控制電機(jī)正轉(zhuǎn)相應(yīng)的角度，閥門開啟。夾子水位感應(yīng)器接觸到回水時(shí)，將觸發(fā)的微弱電信號(hào)反饋到單片機(jī)，控制電機(jī)反轉(zhuǎn)相同角度，閥門閉合。采用AS5600編碼器，將其讀取的步進(jìn)電機(jī)角度信號(hào)實(shí)時(shí)存儲(chǔ)在單片機(jī)內(nèi)部FLASH中，配合濾波算法實(shí)時(shí)探測(cè)步進(jìn)電機(jī)工作狀態(tài)，使系統(tǒng)魯棒性更強(qiáng)。若有異常，蜂鳴器自動(dòng)開啟進(jìn)行報(bào)警。整個(gè)上水過程完成后，單片機(jī)控制A4988進(jìn)入睡眠模式，等待下一次上水信號(hào)到來。本系統(tǒng)采用C語(yǔ)言編寫代碼，利用Keil5進(jìn)行編譯。軟件設(shè)計(jì)流程如圖11所示。

圖10 交互LED燈電路

圖11 軟件設(shè)計(jì)流程

4 實(shí)驗(yàn)過程

為確保系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)的科學(xué)性與可行性，本實(shí)驗(yàn)以普通家用的截止閥為測(cè)試對(duì)象，從正常過程和異常過程兩個(gè)方面進(jìn)行測(cè)試。

4.1 正常過程實(shí)驗(yàn)

對(duì)閥門的一端進(jìn)行人工標(biāo)記，按下90°檔位按鍵、一鍵上水按鍵，指示燈亮起，1 s內(nèi)裝置開始啟動(dòng)，同時(shí)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)閥門開始轉(zhuǎn)動(dòng)；3 s后標(biāo)志物精確停在距原始點(diǎn)90°位置，指示燈由亮轉(zhuǎn)滅，閥門開啟測(cè)試完成?；厮艹鏊?，約1 s后裝置開始啟動(dòng)，又經(jīng)過約5 s閥門反轉(zhuǎn)回原點(diǎn)，閥門關(guān)閉測(cè)試完成。再分別對(duì)180°、360°檔位進(jìn)行測(cè)試，指示燈均正常顯示，閥門能夠精準(zhǔn)開合。實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表1所列。

表1 正常過程實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果

4.2 異常過程實(shí)驗(yàn)

（1）電機(jī)故障實(shí)驗(yàn)

給系統(tǒng)正常供電，令電機(jī)的A相正線不連接，使電機(jī)無法正常運(yùn)轉(zhuǎn)，按下上水按鍵，上水指示燈正常亮起，觀察到步進(jìn)電機(jī)抖動(dòng)，2 s后上水故障指示燈亮起，同時(shí)蜂鳴器進(jìn)行報(bào)警，按下蜂鳴器控制開關(guān)，關(guān)閉蜂鳴器，關(guān)閉電源，電機(jī)故障實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)束。

（2）停電測(cè)試

給系統(tǒng)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(jīng)過0.5 s，蜂鳴器報(bào)警。接著打開電源，按下上水按鍵，系統(tǒng)正常工作，蜂鳴器自動(dòng)停止報(bào)警，電機(jī)繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)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(jīng)過0.5 s，蜂鳴器報(bào)警，手動(dòng)關(guān)閉蜂鳴器。打開電源和蜂鳴器，蜂鳴器未報(bào)警，按下強(qiáng)制關(guān)閉閥門按鍵，閥門關(guān)閉，停電測(cè)試結(jié)束。

測(cè)試結(jié)果表明，本系統(tǒng)可以在正常供電時(shí)，實(shí)現(xiàn)正常的開合閥門功能，提供上水服務(wù)。當(dāng)電路出現(xiàn)問題，或者系統(tǒng)上水進(jìn)行時(shí)供電突然出現(xiàn)異常，系統(tǒng)將自動(dòng)開啟蜂鳴器報(bào)警。

5 結(jié) 語(yǔ)

考慮到大多數(shù)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(shè)計(jì)了適用于上述兩個(gè)類型閥門的構(gòu)造，安裝時(shí)直接卡在對(duì)應(yīng)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(guān)鍵，水閥即開啟上水，感應(yīng)到出水口出水時(shí)自動(dòng)關(guān)閉閥門。為了應(yīng)對(duì)突發(fā)狀況，比如突然停電，本系統(tǒng)也自帶電源（兩節(jié)7號(hào)電池），啟動(dòng)后如果檢測(cè)到異常（電機(jī)故障、突然停電等），蜂鳴器報(bào)警，提醒用戶及時(shí)手動(dòng)干預(yù)。