基于ESP8266WiFi模塊的物聯(lián)網(wǎng)數(shù)控直流電壓源的設(shè)計(jì)

張琥石 林偉龍 鄧日練 韋鴻深 楊發(fā)柱 陳潔 覃延帥 盧欣

摘 ?要： 物聯(lián)網(wǎng)是繼互聯(lián)網(wǎng)后的第四代計(jì)算模式，代表了下一代信息發(fā)展技術(shù)，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)被越來(lái)越多地應(yīng)用到人們的生活當(dāng)中。該文旨在介紹一款基于ESP8266 WiFi模塊的物聯(lián)網(wǎng)數(shù)控直流電壓源。用戶可以使用手機(jī)、平板電腦等終端平臺(tái)，通過(guò)英特網(wǎng)遠(yuǎn)程控制電源開(kāi)關(guān)，遠(yuǎn)程調(diào)控、遠(yuǎn)程查詢輸出電壓值，實(shí)現(xiàn)對(duì)電源的遠(yuǎn)程管理。這項(xiàng)技術(shù)將物聯(lián)網(wǎng)與電源設(shè)計(jì)結(jié)合起來(lái)，滿足目前各類物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)品的供電需要。

關(guān)鍵詞： 數(shù)控電壓源; 物聯(lián)網(wǎng); 英特網(wǎng); 開(kāi)關(guān)控制; 輸出電壓查詢; 遠(yuǎn)程管理

中圖分類號(hào)： TN711?34; TP301.6 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號(hào)： 1004?373X（2019）20?0033?04

Design of IoT digital control DC voltage source based on ESP8266 WiFi module

ZHANG Hushi， LIN Weilong， DENG Rilian， WEI Hongshen， YANG Fazhu， CHEN Jie， QIN Yanshuai， LU Xin

（School of Biomedical Engineering， Guangxi Medical University， Nanning 530021， China）

Abstract： Internet of Things （IoT） is the fourth generation computing mode after Internet， which represents the information development technology of the next generation. The IoT technology has been more and more applied to our lives. An IoT digital control DC voltage source based on ESP8266 WIFI module is introduced in this paper. Users can use terminal platforms such as mobile phone， tablet computer to execute remote control of power supply switch， remote regulation and control， and remote query of output voltage values by means of Internet， and achieve remote management of power supply. This technology can meet present power supply demands of all kinds of IoT products by combining IoT with power supply design.

Keywords： digital control voltage source; Internet of Things; Internet; switch control; output voltage query; remote management

物聯(lián)網(wǎng)是繼互聯(lián)網(wǎng)后的第四代計(jì)算模式，代表了下一代信息發(fā)展技術(shù)，被稱為下一個(gè)萬(wàn)億級(jí)產(chǎn)業(yè)。物聯(lián)網(wǎng)是物物相連的互聯(lián)網(wǎng)，可實(shí)現(xiàn)物體的智能化識(shí)別、定位、跟蹤、監(jiān)控和管理。物聯(lián)網(wǎng)已列入國(guó)家發(fā)展戰(zhàn)略，它的應(yīng)用將涉及未來(lái)社會(huì)的各個(gè)行業(yè)領(lǐng)域[1]。因此，在此時(shí)代大背景下，本文介紹一款基于ESP8266 WiFi模塊的物聯(lián)網(wǎng)的數(shù)控直流電壓源，可通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)遠(yuǎn)程調(diào)整輸出電壓值，遠(yuǎn)程監(jiān)控當(dāng)前電壓值，對(duì)電壓源實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程管理，滿足目前各類物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)品的供電需要。

1 ?總體設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)框圖如圖1所示。該設(shè)計(jì)中電壓源采用12C5A60S2單片機(jī)作為控制芯片，輸出8位數(shù)字量通過(guò)D/A模塊轉(zhuǎn)換為模擬電壓值，經(jīng)放大器模塊放大。再經(jīng)過(guò)功率放大模塊放大電流提高帶負(fù)載能力后輸出。通過(guò)改變單片機(jī)的輸出數(shù)字量，即可實(shí)現(xiàn)輸出電壓可調(diào)的效果。繼電器與單片機(jī)的I/O口相連，實(shí)現(xiàn)用I/O口輸出的數(shù)字量控制電路電源的通斷。

ESP8266與單片機(jī)的串口相連，通過(guò)英特網(wǎng)，用戶可以上位機(jī)遠(yuǎn)程傳輸控制信號(hào)給單片機(jī)，改變單片機(jī)端口輸出的數(shù)字量，從而實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程調(diào)整輸出電壓，遠(yuǎn)程控制電路開(kāi)關(guān)的功能。

2 ?硬件電路設(shè)計(jì)

整機(jī)電路如圖2所示，下面對(duì)各個(gè)模塊的電路設(shè)計(jì)進(jìn)行說(shuō)明。

圖1 ?系統(tǒng)框圖

圖2 ?硬件電路原理圖

2.1 ?D/A模塊和放大模塊

D/A模塊由DAC0832芯片和LM358運(yùn)算放大放構(gòu)成，DAC0832芯片為8位數(shù)/模轉(zhuǎn)換芯片，轉(zhuǎn)換輸出結(jié)果為電流，需要在其輸出端接一LM358將電流轉(zhuǎn)換成電壓，得到一反向電壓輸出。DAC0832由5 V電壓供電，分辨率為[5256≈0.02 V]。又因?yàn)槠漭敵龅氖秦?fù)電壓，所以當(dāng)數(shù)字量每增加1時(shí)，D/A模塊的輸出增加-0.02 V。

放大模塊由運(yùn)放LM358和電阻R2，R3，R4組成了一個(gè)反向放大器，將D/A模塊的輸出反向放大2.5倍。每按一次電壓調(diào)整按鍵，數(shù)字量自增2，D/A模塊輸出增加-0.04 V，經(jīng)過(guò)反向放大2.5倍后，輸出電壓增加0.1 V，實(shí)現(xiàn)了步進(jìn)0.1 V?？梢酝ㄟ^(guò)按鍵KEY1和KEY2改變單片機(jī)P0口的數(shù)字量輸出。

2.2 ?功率放大模塊

功率放大模塊原理圖如圖3所示。LT3083芯片為一款3 A低壓差線性穩(wěn)壓電路，在圖3中LT3083的Vcontrol端和IN端接入15 V電壓，輸出端OUT端可以輸出不高于14.7 V的的電壓。SET端輸入的電壓值等于OUT端輸出的電壓值。把放大模塊的輸出端接入SET端，每按一次按鍵放大模塊輸出自增0.1 V，經(jīng)過(guò)LT3083的穩(wěn)壓與電流放大后，OUT端的電壓也自增0.1 V，從而實(shí)現(xiàn)了數(shù)控的功能。

圖3 ?功率放大模塊原理圖

3 ?ESP8266 WiFi模塊

ESP8266 WiFi模塊為樂(lè)鑫公司開(kāi)發(fā)的一款芯片，專為移動(dòng)設(shè)備可穿戴產(chǎn)品和物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用設(shè)計(jì)。ESP8266 WiFi模塊采用串口與單片機(jī)通信，內(nèi)置TCP/IP協(xié)議棧，能夠?qū)崿F(xiàn)串口與WiFi之間的轉(zhuǎn)換。通過(guò)ESP8266模塊，傳統(tǒng)的串口設(shè)備只是通過(guò)簡(jiǎn)單的串口配置，也就是只需要通過(guò)網(wǎng)絡(luò)（WiFi）傳輸自己的內(nèi)部數(shù)據(jù)。它能夠支持三種工作模式，也就是STA，AP，以及STA+AP結(jié)合的模式。STA模式是通過(guò)路由器和互聯(lián)網(wǎng)連接，手機(jī)或者電腦可以通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)對(duì)設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程控制。AP模式則以 ATK_ESP8266 模塊作為熱點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)手機(jī)或者電腦直接和ESP8266進(jìn)行通信，達(dá)到局域網(wǎng)無(wú)線控制的需求。STA+AP是兩種模式的加強(qiáng)版，也就是能夠通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)控制實(shí)現(xiàn)無(wú)縫切換，方便用戶操作[2]。

4 ?氦氪云

ESP8266需要裝入固件才可使用，目前市面上有多種固件可供使用，人們選擇安裝了氦氪云固件的ESP8266模塊——Heker V1.1模塊。該模塊的工作原理如圖4所示。

圖4 ?ESP8266工作原理圖

網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器由氦氪云提供，在手機(jī)或平板電腦等上位機(jī)上發(fā)出的控制信號(hào)，由英特網(wǎng)傳輸至網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器，服務(wù)器收到該信號(hào)后，通過(guò)英特網(wǎng)轉(zhuǎn)發(fā)至ESP8266芯片，ESP8266再將該信號(hào)通過(guò)串口傳輸至單片機(jī)。這樣不僅實(shí)現(xiàn)了上位機(jī)通過(guò)英特網(wǎng)遠(yuǎn)程控制、監(jiān)測(cè)單片機(jī)，還實(shí)現(xiàn)了物聯(lián)的功能。

氦氪云定義了上位機(jī)與ESP8266傳輸指令的格式，具體指令格式如圖5所示。

圖5 ?氦氪云傳輸幀格式

1） 幀頭 （1 B）：幀起始標(biāo)識(shí)，指定為H或十六進(jìn)制0x48;

2） 幀長(zhǎng) （1 B）：整幀內(nèi)容（包括幀頭、幀長(zhǎng)、校驗(yàn)碼等）的字節(jié)個(gè)數(shù)，取值[0x06，0xFE];

3） 幀類型 （1 B）：識(shí)別該幀類型，0x01為設(shè)備上報(bào)幀，0x02為模塊下發(fā)幀，0xFE為模塊操作幀、0xFF為錯(cuò)誤幀;

4） 幀序號(hào) （1 B）：取值[0x00，0xFF]，循環(huán)累加，標(biāo)識(shí)順序，返回幀中填入相同值;

5） 有效數(shù)據(jù) （n B）：實(shí)際通信內(nèi)容。根據(jù)不同業(yè)務(wù)分別說(shuō)明;

6） 校驗(yàn)碼 （1 B）：整幀內(nèi)容（包括幀頭、幀長(zhǎng)等）的數(shù)據(jù)和，超過(guò)0xFF取低8位（1 B）。

根據(jù)氦氪云所定義的格式，設(shè)計(jì)本項(xiàng)目所需的傳輸幀，如表1所示。表中下發(fā)幀指的是上位機(jī)發(fā)送給單片機(jī)的幀，上報(bào)幀是指單片機(jī)發(fā)給上位機(jī)的幀。

表1 ?傳輸幀

5 ?軟件設(shè)計(jì)

5.1 ?上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

上位機(jī)程序采用HTML5+Javascript編寫(xiě)，編寫(xiě)完成后上傳至氦氪云官網(wǎng)，在手機(jī)上下載氦氪云APP，打開(kāi)APP登錄帳號(hào)后即可使用編寫(xiě)的上位機(jī)程序。本項(xiàng)目的上位機(jī)界面如圖6所示。

按“加”“減”按鍵可以增加或減小輸出電壓值，按“開(kāi)關(guān)”按鍵可以控制設(shè)備的開(kāi)關(guān)，在這個(gè)界面上還可顯示當(dāng)前的輸出電壓值。上位機(jī)程序的流程圖如圖7所示。

圖6 ?上位機(jī)界面

圖7 ?上位機(jī)程序流程圖

先判斷是“開(kāi)關(guān)”按鍵是否被按下，如被按下，向單片機(jī)發(fā)送switch幀;接著判斷“加”按鍵是否按下，如按下向單片機(jī)發(fā)送add幀，如“減”按鍵按下則向單片機(jī)發(fā)送minus幀;然后向單片機(jī)發(fā)送query幀，查詢單片機(jī)的狀態(tài)，單片機(jī)將目前輸出的電壓值和開(kāi)關(guān)狀態(tài)裝入report幀中，上傳給上位機(jī)，在APP界面上顯示相應(yīng)的數(shù)值，如沒(méi)收到report幀，則提示丟失連接。

5.2 ?單片機(jī)軟件設(shè)計(jì)

單片機(jī)軟件采用C51編寫(xiě)，其流程圖如圖8所示。

圖8 ?單片機(jī)程序流程圖

首先檢測(cè)是否收到add幀，如收到則單片機(jī)P0口輸出數(shù)字量增加2，如收到minus幀，P0口輸出數(shù)字量減2;接著判斷是否收到switch，如收到則開(kāi)啟或關(guān)斷繼電器;再判斷是否收到query幀，如收到則將當(dāng)前輸出電壓值和開(kāi)關(guān)狀態(tài)裝入report幀后上報(bào)。

6 ?系統(tǒng)測(cè)試

在蘋(píng)果系統(tǒng)的iPhone 7智能手機(jī)中安裝氦氪云APP，當(dāng)Heker V1.1芯片連接上網(wǎng)后，將手機(jī)連接上4G網(wǎng)絡(luò)，在氦氪云APP中運(yùn)用編寫(xiě)的上位機(jī)程序調(diào)整輸出電壓的值，在0～10 V中取10個(gè)值進(jìn)行測(cè)量，采用數(shù)字萬(wàn)用表VC9860+為測(cè)量?jī)x器，測(cè)量輸出的電壓值。預(yù)置電壓值與輸出電壓值如表2所示。

表2 ?預(yù)置電壓與輸出電壓比較

測(cè)試過(guò)程中，每當(dāng)在APP上點(diǎn)擊“加”“減”按鍵時(shí)，電壓源均可正確輸出電壓。點(diǎn)擊“開(kāi)關(guān)”按鍵，也可正確控制電壓源的開(kāi)啟和關(guān)閉，APP上電壓值的顯示也正確無(wú)誤。測(cè)試結(jié)果表明，該電壓源輸出準(zhǔn)確，輸出響應(yīng)良好，實(shí)現(xiàn)了通過(guò)英特網(wǎng)遠(yuǎn)程調(diào)控、監(jiān)測(cè)電壓源的功能。

7 ?結(jié) ?語(yǔ)

本文介紹一種基于ESP8266 WiFi模塊的數(shù)控直流電壓源的設(shè)計(jì)方案。該電壓源具有輸出精度高，結(jié)構(gòu)緊湊，可以通過(guò)英特網(wǎng)遠(yuǎn)程調(diào)整、監(jiān)測(cè)輸出電壓的值，實(shí)現(xiàn)了物聯(lián)功能。經(jīng)過(guò)測(cè)試，此電源輸出響應(yīng)良好，誤差小，可應(yīng)用于實(shí)驗(yàn)教學(xué)、科學(xué)研究、物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)品供電等領(lǐng)域，具有廣闊的應(yīng)用前景。

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