智能水阀控制器设计

牛牧原，华志远，李全彬

（1.江苏师范大学 江苏圣理工学院-中俄学院，江苏 徐州 221100；2.江苏师范大学 物理与电子工程学院，江苏 徐州 221100）

0 引 言

现如今，阀门自动控制技术已经很成熟，并且在社会上被广泛应用。在此基础上，不少研究人员还提出了智能控制方案，袁新颜等人以STM32G4作为控制器，采用无线射频技术，结合GPS定位，借助WiFi实现了燃气阀门的远程控制，该设计方案比较复杂、成本较高。马静等人利用ATMEGA328P-AU芯片控制ESP8266无线WiFi单元和NRF24L0无线射频单元实现了电子阀门的远程控制，但对异常情况没有给出实验结果，实际应用中可能存在安全隐患。汪川采用比例-积分-微分（PID）算法实现了阀门参数的全控制，并通过LCD对阀门的当前状态进行实时显示，为智能阀门设计提供了很好的思路。蓝杰等人以STM32为主芯片设计了一种微型步进电机驱动控制器，为实现太阳能自动上水提供了可行方案，严冬等利用三极管截止状态来实现水位检测与上水。赵博利用浮球杠杆法实现了传感器智能上水的功能，但安装操作较为复杂。王文勇利用闹铃脉冲器，实现了定时自动上水的功能，但具备较大的局限性。苏赐民等利用分段式水位检测方法，通过多个水位传感器实现对水位的控制，但无法精确控制上水量。目前，市面上已有自动上水智能测控仪及电磁阀，但均需要对原有管路进行拆卸，安装复杂，一套全自动控制设备的价格也较为昂贵。

为了弥补以上方案的不足，本文设计了一款易安装、成本低的智能水阀控制器。本控制器安装时不需要改动现有管路，只须将其固定到现有手动开关阀门上，安装简单方便，便于操作；其自带的控制器能够在传感器检测到回水管出水时自动关闭水阀，如果控制器突发故障不能正常关闭水阀时，将通过报警器进行大音量连续提醒，提醒用户手动关闭阀门。

1 水阀控制器设计

1.1 适用于球阀的控制器设计

总控装置内含单片机控制系统和步进电机，其中电机转子与球阀轴之间通过连接器连接，上下各有一个螺丝固定。总控装置与水管间通过连接架固定。连接架带有卡扣装置，通过四个螺丝与螺帽使固定装置与水管紧密贴合，从而起到固定作用。球阀控制器设计如图1所示。

图1 适用于球阀的控制器设计

1.2 适用于截止阀的控制器设计

总控装置通过连接架与手动拨盘连接，如图2所示。连接架带有固定装置，下方有两个垫片，用四个长螺丝及螺帽与连接架固定在一起，固定装置如图3所示。

图2 适用于截止阀的控制器设计

图3 截止阀固定装置示意图

2 系统硬件设计

太阳能上水自动控制系统主要由夹子水位感应模块、数据处理系统、单片机控制系统组成。系统处理流程如图4所示。

图4 系统处理流程

2.1 夹子水位感应模块

夹子水位感应模块是一种耗电低、安全、灵敏度高的常用检测流水的方法，如图5所示。它适用于各种排水管的管口尺寸，安装方便，易于更换；将其安放于太阳能排水管出口处，一端连接单片机引脚，一端连接GND。当有水流经过时，夹子与另一端导线经过水流而导通，单片机引脚被拉低，从而检测到水流。

图5 夹子水位感应器

2.2 阀门角度控制系统

AS5600是高精度12位角度传感器，分辨率高，体积小，功耗低。将其安装在步进电机的后面，通过磁编码可以获取主轴的旋转速度等信息，经单片机处理后精确地控制阀门旋转。

2.3 基于STM32的核心控制系统

核心控制模块选用STM32F103ZET6芯片，快速处理用户的按键指令，并对夹子水位感应模块的反馈信号进行实时处理，控制步进电机精准开合上水阀门。步进电机驱动选用A4988芯片，其成本低，拥有内置的译码器，操作简便。系统设计原理如图6所示。

图6 系统控制原理

2.4 阀门开合角度控制系统

选用两相四线的42系列步进电机，角度误差仅为0.09°。相比普通电机，步进电机每接受一个脉冲信号，转子就转动一个角度，其输出的角位移与输入的脉冲数成正比，转速与脉冲频率成正比，配合编码器，能够精确控制阀门开关角度。本设计设定了三种阀门开合角度：90°、180°和360°，用户可以通过相应按键进行选择。

2.5 人机交互系统

用户在使用本设计时，需要对系统运行状态有明显的感知，因此借助LED灯增加了用户交互功能。在不同的工作状态时，对应状态提示文字下的LED灯将会点亮。阀门三种开合角度（90°、180°和360°）对应三个档位，选择按键、一键上水按键、强制关闭阀门按键、复位按键等均有对应的LED灯背景光。按键电路设计如图7所示，复位电路设计如图8所示。

图7 按键电路

图8 复位按键电路

用户在第一次使用时，先将太阳能上水阀门关闭，按下单片机复位按键，电源灯会亮起；随后选择合适的档位，相应档位的LED灯会亮起；最后按下一键上水按键，系统将为用户打开阀门，该过程中LED灯将会一直亮，直至阀门旋转到相应角度后，该档位的LED灯由亮转灭，即为阀门开启过程结束，开始上水。开合阀门过程中，如果编码器感应到步进电机不转动，单片机会做出响应，上水故障对应的LED灯会亮起，同时蜂鸣器报警。如果上水过程中突发断电，则会自动启用备用电池对蜂鸣器供电，蜂鸣器进行报警，提醒用户。单片机控制蜂鸣器最高报警时长为10 min，用户可自行关闭开关令蜂鸣器停止报警。报警电路设计如图9所示，LED灯控制电路如图10所示。

图9 蜂鸣器报警电路

3 系统软件设计

本系统首先对单片机及各模块进行初始化并读取AS5600信号，记录下电机初始角度并将其存入单片机内部。主程序首先将用户选择的角度读入单片机，在上水信号到来时控制电机正转相应的角度，阀门开启。夹子水位感应器接触到回水时，将触发的微弱电信号反馈到单片机，控制电机反转相同角度，阀门闭合。采用AS5600编码器，将其读取的步进电机角度信号实时存储在单片机内部FLASH中，配合滤波算法实时探测步进电机工作状态，使系统鲁棒性更强。若有异常，蜂鸣器自动开启进行报警。整个上水过程完成后，单片机控制A4988进入睡眠模式，等待下一次上水信号到来。本系统采用C语言编写代码，利用Keil5进行编译。软件设计流程如图11所示。

图10 交互LED灯电路

图11 软件设计流程

4 实验过程

为确保系统整体设计的科学性与可行性，本实验以普通家用的截止阀为测试对象，从正常过程和异常过程两个方面进行测试。

4.1 正常过程实验

对阀门的一端进行人工标记，按下90°档位按键、一键上水按键，指示灯亮起，1 s内装置开始启动，同时步进电机驱动阀门开始转动；3 s后标志物精确停在距原始点90°位置，指示灯由亮转灭，阀门开启测试完成。回水管出水，约1 s后装置开始启动，又经过约5 s阀门反转回原点，阀门关闭测试完成。再分别对180°、360°档位进行测试，指示灯均正常显示，阀门能够精准开合。实验结果见表1所列。

表1 正常过程实验测试结果

4.2 异常过程实验

（1）电机故障实验

给系统正常供电，令电机的A相正线不连接，使电机无法正常运转，按下上水按键，上水指示灯正常亮起，观察到步进电机抖动，2 s后上水故障指示灯亮起，同时蜂鸣器进行报警，按下蜂鸣器控制开关，关闭蜂鸣器，关闭电源，电机故障实验测试结束。

（2）停电测试

给系统正常供电，按下上水按键，上水指示灯亮起，在阀门正常开启过程中拔掉电源，经过0.5 s，蜂鸣器报警。接着打开电源，按下上水按键，系统正常工作，蜂鸣器自动停止报警，电机继续转动到阀门开启位置。在阀门完全开启后的上水过程中拔掉电源，经过0.5 s，蜂鸣器报警，手动关闭蜂鸣器。打开电源和蜂鸣器，蜂鸣器未报警，按下强制关闭阀门按键，阀门关闭，停电测试结束。

测试结果表明，本系统可以在正常供电时，实现正常的开合阀门功能，提供上水服务。当电路出现问题，或者系统上水进行时供电突然出现异常，系统将自动开启蜂鸣器报警。

5 结 语

考虑到大多数家庭使用的阀门为球阀和截止阀两种类型，本文的控制器设计了适用于上述两个类型阀门的构造，安装时直接卡在对应类型的阀门上，方便快捷。硬件电路使用了常用的芯片，硬件成本低廉。用户操作方便，选择好开合角度后，按下开关键，水阀即开启上水，感应到出水口出水时自动关闭阀门。为了应对突发状况，比如突然停电，本系统也自带电源（两节7号电池），启动后如果检测到异常（电机故障、突然停电等），蜂鸣器报警，提醒用户及时手动干预。