MiniPLC：紧凑型ESP32自动化控制器

1. 家庭主妇MiniPLC背后的故事

这个项目的灵感来自于一个明确的需求：一个多功能的PLC系统，可以服务于家庭自动化和轻工业应用。

我们想要制造一些适合智能家居的东西——但要有工业级硬件的耐用性和可靠性。这意味着使用高质量的继电器，强大的输入和输出浪涌保护，以及专注于电气稳定性的设计。

我们的主要目标是创造一种设备，其中外设，如灯，开关和传感器通过物理电线连接，而控制器本身通过Wi-Fi或以太网与家庭服务器通信。

我们还希望系统是模块化的，允许根据安装灵活配置，无论是在住宅环境还是小型设施中。

从这个愿景出发，我们的产品概念诞生了：一个紧凑的，可扩展的控制器，具有日常自动化任务所需的所有核心输入和输出，包括：

•照明控制

•加热系统

•灌溉

•安防报警一体化

•能源监测

•泄漏检测

还有更多……

我们选择基于ESPHome的固件，与无缝的家庭助理集成，这样用户就可以用最小的努力构建强大的，可扩展的自动化系统。

homaster MiniPLC的开发花费了几个月的专门工作，实验和改进。

为了达到目前的稳定设计，我们进行了四次PCB修改。每个组件都是通过真实世界的测试和不断的迭代来选择的。例如，我们测试了多个LED灯管——选择一个，替换它，然后再次测试——直到我们找到最适合的可见性和耐用性。

圈地也经历了重大的演变。我们设计了两种外壳的原型，每一种都有不同的机械布局和组件位置，以优化安装。

在第一个原型中，我们将RTD和以太网模块作为单独的电路板。在第二次修订中，我们决定将以太网直接集成到主板中，以获得更好的可靠性。在第三个设计中，我们还删除了RTD模块，并将RTD接口直接放在主板上，从而简化了整体设计。

我们测试了几种类型的继电器，以确保长期的工业级性能，以及各种RJ45连接器，USB端口和螺钉端子，以保证牢固的电气连接和易于安装。

每个组件，直到终端模块，都是根据现场测试、性能和实际用例进行选择的。

这就是“家庭主妇迷你plc”诞生的原因。

最后，我们开发了一个具有以下主要功能的控制器：

2. 功能一览

•输入电压：支持宽范围的输入功率：

24V DC或120V-370V DC

85V-265V AC / 47 - 63hz

•USB: USB Type-C接口，用于编程和诊断。

•RS-485 (Modbus RTU)：内置RS-485接口，通过Modbus协议连接扩展模块。

•以太网：采用LAN8720A以太网PHY芯片的有线网络接口。

•Wi-Fi和蓝牙无线通信通过板载ESP32，支持Wi-Fi和蓝牙。

•LED和按钮：4个前置按钮用于手动控制或用户输入，状态led提供系统状态反馈。

•RTC(实时时钟)：集成PCF8563 RTC精确计时，即使离线。

•显示：SH1106 OLED显示屏，用于实时数据或状态显示。

•蜂鸣器：用于警报和系统通知的内部蜂鸣器。

•MicroSD卡：用于数据记录、扩展配置或固件存储的MicroSD卡插槽。

•继电器：6个光隔离工业继电器，具有压敏电阻保护，安全开关和长期耐用性。

•数字输入：4个数字输入(24V DC)，采用ISO1212 IC，提供浪涌保护和可靠的信号读取。

•RTD输入：2个RTD通道通过MAX31865芯片与2 /3 /4线传感器兼容。

•模拟输入：4个模拟输入通道(0-10V)，采用ADS1115 ADC，具有ESD和过压保护。

•模拟输出：1个模拟输出通道(0-10V)，由MCP4725 DAC供电，也可以防止ESD和电压尖峰。

•1线支持：2个隔离的1线通道，集成ESD和过压保护，用于稳健的传感器通信。

3. 硬件概述

由于某些gpio会影响ESP32-WROOM的启动方式，例如GPIO0、GPIO2、GPIO12和GPIO15，因此我们彻底测试了多种配置。我们最终确定了引脚布局，以确保可靠的启动，同时避免与这些关键的启动引脚冲突：

为了满足家庭自动化和小型设施控制的需求，我们需要更多的数字I/ o， RTD温度传感和高分辨率模拟输入。为了实现这一点，我们使用PCF8574数字I/O扩展器，16位ADS1115 ADC和MCP4725 DAC扩展功能。

这个框图显示了家用微型plc的内部结构。其核心是ESP32-WROOM模块，负责管理所有输入、输出和通信。

4. 系统示意图

MCU板-中央处理单元和通信枢纽

在GitHub上查看原理图(MCU_Board.pdf)文件

单片机板是MiniPLC系统的核心。它不仅包含主微控制器，还集成了多个通信ic和信号接口。主要组件和功能包括：

•I/O扩展ic用于扩展数字I/O功能

•用于获取和生成模拟信号的ADC/DAC

•用于精确温度测量的RTD接口电路

•以太网接口，用于网络通信和远程控制

•CP2101 USB- uart桥接USB连接

•完全集成的I2C和SPI总线外设通信

该板管理所有逻辑执行、传感器接口、控制信号处理以及与外部系统的通信。

继电器板- I/O扩展和电源接口

在我们的GitHub上查看原理图(Relay_Board.pdf)文件

继电器板作为MiniPLC的主要I/O接口，支持数字和模拟信号处理以及电源管理和鲁棒信号保护。它包括:

•用于切换外部负载的多个机电继电器

•ISO1212输入保护IC，用于安全处理工业数字输入

•保护电路RS-485和1线通信接口

•用于调节24V至5V和12V电源的DC-DC转换器(用于模拟DAC输出)

•MYRRA隔离电源模块支持：120-370V直流输入，85-265V交流@ 47 - 63hz

该电路板确保与外部系统的安全可靠的接口，并保护敏感的控制电子设备免受环境影响。

USB板- SD卡和USB接口

在我们的GitHub上查看原理图(USB_Board.pdf)文件

USB板是一种紧凑的接口模块，主要用于简化连接。它包括:

•MicroSD读卡器，用于本地数据记录或固件更新

•用于与主机系统通信的USB连接器

这个电路板上没有额外的功能组件;它旨在简化安装和与MCU板的模块化接口。

6. 物理设计概述

为了更好地理解MiniPLC的结构，我们来看看内部布局和组成系统的实际pcb。

机箱包含三个主控板：MCU板、Relay板和USB/SD接口板。它们通过头和连接器相互连接。

7. 软件与配置

homaster MiniPLC预装了ESPHome，使其可以连接到您的Wi-Fi网络，并与家庭助理集成。初始设置很简单，可以通过内置的网络服务器完成，你可以在几分钟内配置Wi-Fi并使设备上线。

固件更新和自定义配置可以通过ESPHome仪表板以多种方式上传：

•通过USB type-C

•无线通过Wi-Fi (OTA)

•或者直接使用内部web服务器

MiniPLC由ESP32芯片供电，包括一个USB接口，这意味着它也可以使用任何ESP32兼容的IDE编程，例如：

•Arduino IDE

•PlatformIO

•ESP-IDF

这种灵活性允许初学者和高级用户完全定制MiniPLC的功能，以满足他们特定的自动化需求。

查看默认的miniplc。我们的GitHub上的配置文件

本文编译自hackster.io