基于STC15的實(shí)驗(yàn)臺控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

李昆侖 付若松 文永順 肖揚(yáng)

摘要：設(shè)計(jì)了一套實(shí)驗(yàn)臺控制系統(tǒng)，將STC15單片機(jī)和物聯(lián)網(wǎng)相結(jié)合，以繼電器為執(zhí)行末端，實(shí)驗(yàn)室溫度由DS18B20測出發(fā)送給IAP15W4K58S4單片機(jī)，配合ESP8266-12F物聯(lián)網(wǎng)模塊，通過機(jī)智云平臺與手機(jī)App機(jī)智云連接，實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)臺電源狀態(tài)和實(shí)時(shí)室溫的信息傳遞。實(shí)驗(yàn)室管理員通過遠(yuǎn)程在線方式可實(shí)時(shí)查看各實(shí)驗(yàn)臺電源狀態(tài)和實(shí)驗(yàn)室室溫，遠(yuǎn)程控制每個(gè)實(shí)驗(yàn)臺電源開啟或關(guān)閉。

關(guān)鍵詞：STC15;機(jī)智云;實(shí)驗(yàn)臺控制;ESP8266

0 引言

在各種災(zāi)害中，火災(zāi)是威脅公眾安全和社會(huì)發(fā)展的最主要災(zāi)害之一，很多用電設(shè)備常出現(xiàn)不能及時(shí)斷電的問題，存在較大火災(zāi)隱患和電能浪費(fèi)。在家電設(shè)備控制方面，物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用取得了很多研究成果，市場上有很多智能控制產(chǎn)品，而對于物聯(lián)網(wǎng)在實(shí)驗(yàn)室用電設(shè)備智能控制方面的應(yīng)用則鮮有研究。目前，很多實(shí)驗(yàn)室仍通過管理員人工巡查的方式來管理實(shí)驗(yàn)室用電設(shè)備，這不僅給管理員帶來了繁重的工作，還存在人為因素導(dǎo)致的管理隱患。基于此，本文設(shè)計(jì)了一套實(shí)驗(yàn)臺控制系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)概述

系統(tǒng)框圖如圖1所示，實(shí)驗(yàn)臺控制系統(tǒng)由IAP15W4K58S4單片機(jī)、ESP8266-12F物聯(lián)網(wǎng)模塊、DS18B20測溫模塊、獨(dú)立按鍵、電源模塊、繼電器模塊和LCD12864顯示模塊組成。

1.1? ? IAP15W4K58S4單片機(jī)

IAP15W4K58S4單片機(jī)為功能增強(qiáng)型8051CPU芯片，具有1 T的單位時(shí)鐘/連續(xù)機(jī)器工作周期，其連續(xù)運(yùn)行工作速度比普通8051CPU芯片快8～12倍，片內(nèi)的EEPROM擦寫可達(dá)10萬次以上，工作時(shí)頻率為5～30 MHz。

1.2? ? ESP8266-12F Wi-Fi模塊

考慮到本設(shè)計(jì)需要的內(nèi)存空間比較大，云傳輸數(shù)據(jù)量較大，選用ESP8266-12F Wi-Fi模塊。該模塊采用3.3 V單電源供電，采用樂鑫ESP8266原裝芯片，在較小尺寸封裝中集成了業(yè)界領(lǐng)先的超低功耗32位微型MCU，同時(shí)也集成了Wi-Fi、板載天線[1]。ESP8266芯片連接互聯(lián)網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)硬件設(shè)備遠(yuǎn)程控制，模塊初始的模式是STA+AP模式，不需要更改ESP8266芯片工作模式。連接機(jī)智云平臺前，需要登錄樂鑫官網(wǎng)下載ESP8266芯片使用機(jī)智云的固件，將固件寫入ESP8266-12F模塊。將焊接好轉(zhuǎn)接板的ESP8266-12F接在單片機(jī)上，模塊作為一個(gè)網(wǎng)絡(luò)傳輸芯片，通過串口轉(zhuǎn)Wi-Fi把單片機(jī)和手機(jī)連接起來。ESP8266-12F與單片機(jī)連接圖如圖2所示。

1.3? ? LCD12864顯示模塊

LCD12864液晶顯示有帶字庫和不帶字庫兩種，本設(shè)計(jì)選用帶字庫的LCD12864，編程時(shí)直接調(diào)用字庫里的字即可，能提高程序執(zhí)行效率和系統(tǒng)運(yùn)行速度，以免程序執(zhí)行時(shí)占用過多的ROM。LCD12864液晶顯示屏有并行模式和串行模式，可以通過PSB引腳進(jìn)行切換。串行速度相對較慢，占用I/O口少;并行相對速度快，占用I/O口多。本設(shè)計(jì)選用LCD12864液晶顯示屏并行運(yùn)行模式。LCD12864液晶顯示模塊接線圖如圖3所示。

1.4? ? DS18B20測溫模塊

DS18B20是常用數(shù)字溫度傳感器，具有體積小、硬件開銷低、抗干擾能力強(qiáng)、精度高的特點(diǎn)，內(nèi)部有溫度上、下限告警設(shè)置，溫度測量范圍在-55～125 ℃，每個(gè)器件上都有獨(dú)一無二的序列號，只需要一個(gè)端口即可實(shí)現(xiàn)通信[2]，輸出數(shù)字信號，實(shí)際測溫中可實(shí)現(xiàn)直接測溫。DS18B20的2號引腳是通信引腳，需外接上拉電阻將其拉為高電平。DS18B20測溫模塊電路如圖4所示。

1.5? ? 繼電器模塊

4路繼電器工作電壓選為5 V，單片機(jī)端口P4工作模式配置為強(qiáng)推挽輸出，吸合對應(yīng)繼電器，模塊輸出常開最大負(fù)載為交流250 V/10 A，實(shí)現(xiàn)弱電控制強(qiáng)電，接口直接通過接線端子引出，方便實(shí)現(xiàn)控制要求。

1.6? ? 獨(dú)立按鍵模塊

本設(shè)計(jì)主要使用2×4獨(dú)立按鍵的K1、K2、K3和K4四個(gè)按鍵，K1、K2、K3和K4分別連接單片機(jī)的P44、P45、P46和P47口，GND與單片機(jī)共地，每個(gè)按鍵單獨(dú)占用一個(gè)單獨(dú)GPIO口，不會(huì)影響其他GPIO口狀態(tài)。獨(dú)立按鍵模塊電路原理圖如圖5所示，該電路配置靈活，軟件結(jié)構(gòu)簡單。

2 系統(tǒng)主程序流程

程序開始運(yùn)行后，系統(tǒng)所有模塊初始化，機(jī)智云連接協(xié)議初始化，所有繼電器都處于斷開狀態(tài)，LCD12864屏幕亮并進(jìn)入開機(jī)界面，開始檢測按鍵，如果檢測到按鍵被按下，相對應(yīng)繼電器吸合，單片機(jī)通過ESP8266-12F Wi-Fi模塊將工作臺電源工作狀態(tài)變化發(fā)送到機(jī)智云云端，工作臺電源狀態(tài)同步更新到手機(jī)App，手機(jī)App上該繼電器的狀態(tài)會(huì)顯示該繼電器已經(jīng)打開，DS18B20把所測實(shí)時(shí)溫度發(fā)送到單片機(jī)，單片機(jī)通過LCD12864液晶模塊將溫度顯示出來，同時(shí)將溫度信息發(fā)送到ESP8266-12F Wi-Fi模塊，通過機(jī)智云云端更新到手機(jī)App。手機(jī)上可以通過控制界面監(jiān)視實(shí)驗(yàn)臺電源工作狀態(tài)，并可在手機(jī)上進(jìn)行控制操作，把命令通過云平臺發(fā)送給ESP8266-12F Wi-Fi模塊，與單片機(jī)通信后，發(fā)送給單片機(jī)控制對應(yīng)繼電器吸合或斷開。系統(tǒng)軟件主程序流程圖如圖6所示。

3 結(jié)語

本文從實(shí)際出發(fā)設(shè)計(jì)了一套實(shí)驗(yàn)臺控制系統(tǒng)，采用IAP15W4K58S4單片機(jī)控制繼電器來模擬控制實(shí)驗(yàn)臺，可以在現(xiàn)場使用按鍵或遠(yuǎn)程使用手機(jī)App控制實(shí)驗(yàn)臺電源，在手機(jī)上遠(yuǎn)程查看實(shí)驗(yàn)臺電源的狀態(tài)，實(shí)驗(yàn)室管理員還可通過手機(jī)App查看實(shí)驗(yàn)室室溫，及時(shí)發(fā)現(xiàn)火災(zāi)。實(shí)驗(yàn)室管理員不需要總是到現(xiàn)場巡查，降低了管理員的工作量，不管距離有多么遙遠(yuǎn)，只要手機(jī)可以上網(wǎng)，都可在App上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)臺遠(yuǎn)程監(jiān)視和控制。

[參考文獻(xiàn)]

[1] 楊揚(yáng).基于STM32的實(shí)驗(yàn)室智能安防報(bào)警系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D].哈爾濱：黑龍江大學(xué)，2020.

[2] 雷雪梅.數(shù)字溫度傳感器DS18B20的結(jié)構(gòu)及應(yīng)用簡介[J].科技創(chuàng)新與應(yīng)用，2017（2）：62.

收稿日期：2021-06-29

作者簡介：李昆侖（1986—），男，廣西富川人，碩士，講師，研究方向：機(jī)器人控制、在線監(jiān)測。

付若松（1999—），男，湖南邵陽人，研究方向：機(jī)械電子工程。