基于STC15的实验台控制系统设计

引言

在各种灾害中,火灾是威胁公众安全和社会发展的最主要灾害之一,很多用电设备常出现不能及时断电的问题,存在较大火灾隐患和电能浪费。在家电设备控制方面,物联网的应用取得了很多研究成果,市场上有很多智能控制产品,而对于物联网在实验室用电设备智能控制方面的应用则鲜有研究。目前,很多实验室仍通过管理员人工巡查的方式来管理实验室用电设备,这不仅给管理员带来了繁重的工作,还存在人为因素导致的管理隐患。基于此,本文设计了一套实验台控制系统。

1系统设计概述

系统框图如图1所示,实验台控制系统由IAP15W4K58S4单片机、ESP8266-12F物联网模块、DS18B20测温模块、独立按键、电源模块、继电器模块和LCD12864显示模块组成。

1.11AP15W4K58S4单片机

IAP15W4K58S4单片机为功能增强型8051CPU芯片,具有1T的单位时钟/连续机器工作周期,其连续运行工作速度比普通8051CPU芯片快8～12倍,片内的EEPRoM擦写可达10万次以上,工作时频率为5～30MHz。

1.2ESP8266-12FWi-Fi模块

考虑到本设计需要的内存空间比较大,云传输数据量较大,选用ESP8266-12FWi-Fi模块。该模块采用3.3V单电源供电,采用乐鑫ESP8266原装芯片,在较小尺寸封装中集成了业界领先的超低功耗32位微型MCU,同时也集成了Wi-Fi、板载天线。ESP8266芯片连接互联网,实现硬件设备远程控制,模块初始的模式是STA+AP模式,不需要更改ESP8266芯片工作模式。连接机智云平台前,需要登录乐鑫官网下载ESP8266芯片使用机智云的固件,将固件写入ESP8266-12F模块。将焊接好转接板的ESP8266-12F接在单片机上,模块作为一个网络传输芯片,通过串口转Wi-Fi把单片机和手机连接起来。ESP8266-12F与单片机连接图如图2所示。

图2ESP8266-12F与单片机连接图

1.3LCD12864显示模块

LCD12864液晶显示有带字库和不带字库两种,本设计选用带字库的LCD12864,编程时直接调用字库里的字即可,能提高程序执行效率和系统运行速度,以免程序执行时占用过多的RoM。LCD12864液晶显示屏有并行模式和串行模式,可以通过PSB引脚进行切换。串行速度相对较慢,占用I/o口少:并行相对速度快,占用I/o口多。本设计选用LCD12864液晶显示屏并行运行模式。LCD12864液晶显示模块接线图如图3所示。

1.4DS18:2B测温模块

DS18B20是常用数字温度传感器,具有体积小、硬件开销低、抗干扰能力强、精度高的特点,内部有温度上、下限告警设置,温度测量范围在-55～125℃,每个器件上都有独一无二的序列号,只需要一个端口即可实现通信[2],输出数字信号,实际测温中可实现直接测温。DS18B20的2号引脚是通信引脚,需外接上拉电阻将其拉为高电平。DS18B20测温模块电路如图4所示。

1.5继电器模块

4路继电器工作电压选为5V,单片机端口P4工作模式配置为强推挽输出,吸合对应继电器,模块输出常开最大负载为交流250V/10A,实现弱电控制强电,接口直接通过接线端子引出,方便实现控制要求。

1.6独立按键模块

本设计主要使用2×4独立按键的K1、K2、K3和K4四个按键,K1、K2、K3和K4分别连接单片机的P44、P45、P46和P47口,GND与单片机共地,每个按键单独占用一个单独GPIO口,不会影响其他GPIO口状态。独立按键模块电路原理图如图5所示,该电路配置灵活,软件结构简单。

2系统主程序流程

程序开始运行后,系统所有模块初始化,机智云连接协议初始化,所有继电器都处于断开状态,LCD12864屏幕亮并进入开机界面,开始检测按键,如果检测到按键被按下,相对应继电器吸合,单片机通过ESP8266712FWi7Fi模块将工作台电源工作状态变化发送到机智云云端,工作台电源状态同步更新到手机App,手机App上该继电器的状态会显示该继电器已经打开,DS18B20把所测实时温度发送到单片机,单片机通过LCD12864液晶模块将温度显示出来,同时将温度信息发送到ESP8266712FWi7Fi模块,通过机智云云端更新到手机App。手机上可以通过控制界面监视实验台电源工作状态,并可在手机上进行控制操作,把命令通过云平台发送给ESP8266712FWi7Fi模块,与单片机通信后,发送给单片机控制对应继电器吸合或断开。系统软件主程序流程图如图6所示。

3结语

本文从实际出发设计了一套实验台控制系统,采用IAP15W4K58S4单片机控制继电器来模拟控制实验台,可以在现场使用按键或远程使用手机App控制实验台电源,在手机上远程查看实验台电源的状态,实验室管理员还可通过手机App查看实验室室温,及时发现火灾。实验室管理员不需要总是到现场巡查,降低了管理员的工作量,不管距离有多么遥远,只要手机可以上网,都可在App上进行实验台远程监视和控制。