基于ESP8266WiFi模塊的物聯網數控直流電壓源的設計

張琥石 林偉龍 鄧日練 韋鴻深 楊發柱 陳潔 覃延帥 盧欣

摘 ?要： 物聯網是繼互聯網后的第四代計算模式，代表了下一代信息發展技術，物聯網技術被越來越多地應用到人們的生活當中。該文旨在介紹一款基于ESP8266 WiFi模塊的物聯網數控直流電壓源。用戶可以使用手機、平板電腦等終端平臺，通過英特網遠程控制電源開關，遠程調控、遠程查詢輸出電壓值，實現對電源的遠程管理。這項技術將物聯網與電源設計結合起來，滿足目前各類物聯網產品的供電需要。

關鍵詞： 數控電壓源; 物聯網; 英特網; 開關控制; 輸出電壓查詢; 遠程管理

中圖分類號： TN711?34; TP301.6 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼： A ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號： 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

物聯網是繼互聯網后的第四代計算模式，代表了下一代信息發展技術，被稱為下一個萬億級產業。物聯網是物物相連的互聯網，可實現物體的智能化識別、定位、跟蹤、監控和管理。物聯網已列入國家發展戰略，它的應用將涉及未來社會的各個行業領域[1]。因此，在此時代大背景下，本文介紹一款基于ESP8266 WiFi模塊的物聯網的數控直流電壓源，可通過物聯網技術遠程調整輸出電壓值，遠程監控當前電壓值，對電壓源實現遠程管理，滿足目前各類物聯網產品的供電需要。

1 ?總體設計

本設計的設計框圖如圖1所示。該設計中電壓源采用12C5A60S2單片機作為控制芯片，輸出8位數字量通過D/A模塊轉換為模擬電壓值，經放大器模塊放大。再經過功率放大模塊放大電流提高帶負載能力后輸出。通過改變單片機的輸出數字量，即可實現輸出電壓可調的效果。繼電器與單片機的I/O口相連，實現用I/O口輸出的數字量控制電路電源的通斷。

ESP8266與單片機的串口相連，通過英特網，用戶可以上位機遠程傳輸控制信號給單片機，改變單片機端口輸出的數字量，從而實現遠程調整輸出電壓，遠程控制電路開關的功能。

2 ?硬件電路設計

整機電路如圖2所示，下面對各個模塊的電路設計進行說明。

圖1 ?系統框圖

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運算放大放構成，DAC0832芯片為8位數/模轉換芯片，轉換輸出結果為電流，需要在其輸出端接一LM358將電流轉換成電壓，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]。又因為其輸出的是負電壓，所以當數字量每增加1時，D/A模塊的輸出增加-0.02 V。

放大模塊由運放LM358和電阻R2，R3，R4組成了一個反向放大器，將D/A模塊的輸出反向放大2.5倍。每按一次電壓調整按鍵，數字量自增2，D/A模塊輸出增加-0.04 V，經過反向放大2.5倍后，輸出電壓增加0.1 V，實現了步進0.1 V。可以通過按鍵KEY1和KEY2改變單片機P0口的數字量輸出。

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，經過LT3083的穩壓與電流放大后，OUT端的電壓也自增0.1 V，從而實現了數控的功能。

圖3 ?功率放大模塊原理圖

3 ?ESP8266 WiFi模塊

ESP8266 WiFi模塊為樂鑫公司開發的一款芯片，專為移動設備可穿戴產品和物聯網應用設計。ESP8266 WiFi模塊采用串口與單片機通信，內置TCP/IP協議棧，能夠實現串口與WiFi之間的轉換。通過ESP8266模塊，傳統的串口設備只是通過簡單的串口配置，也就是只需要通過網絡（WiFi）傳輸自己的內部數據。它能夠支持三種工作模式，也就是STA，AP，以及STA+AP結合的模式。STA模式是通過路由器和互聯網連接，手機或者電腦可以通過互聯網對設備進行遠程控制。AP模式則以 ATK_ESP8266 模塊作為熱點，實現手機或者電腦直接和ESP8266進行通信，達到局域網無線控制的需求。STA+AP是兩種模式的加強版，也就是能夠通過互聯網控制實現無縫切換，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

網絡服務器由氦氪云提供，在手機或平板電腦等上位機上發出的控制信號，由英特網傳輸至網絡服務器，服務器收到該信號后，通過英特網轉發至ESP8266芯片，ESP8266再將該信號通過串口傳輸至單片機。這樣不僅實現了上位機通過英特網遠程控制、監測單片機，還實現了物聯的功能。

氦氪云定義了上位機與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）：幀起始標識，指定為H或十六進制0x48;

2） 幀長 （1 B）：整幀內容（包括幀頭、幀長、校驗碼等）的字節個數，取值[0x06，0xFE];

3） 幀類型 （1 B）：識別該幀類型，0x01為設備上報幀，0x02為模塊下發幀，0xFE為模塊操作幀、0xFF為錯誤幀;

4） 幀序號 （1 B）：取值[0x00，0xFF]，循環累加，標識順序，返回幀中填入相同值;

5） 有效數據 （n B）：實際通信內容。根據不同業務分別說明;

6） 校驗碼 （1 B）：整幀內容（包括幀頭、幀長等）的數據和，超過0xFF取低8位（1 B）。

根據氦氪云所定義的格式，設計本項目所需的傳輸幀，如表1所示。表中下發幀指的是上位機發送給單片機的幀，上報幀是指單片機發給上位機的幀。

表1 ?傳輸幀

5 ?軟件設計

5.1 ?上位機軟件設計

上位機程序采用HTML5+Javascript編寫，編寫完成后上傳至氦氪云官網，在手機上下載氦氪云APP，打開APP登錄帳號后即可使用編寫的上位機程序。本項目的上位機界面如圖6所示。

按“加”“減”按鍵可以增加或減小輸出電壓值，按“開關”按鍵可以控制設備的開關，在這個界面上還可顯示當前的輸出電壓值。上位機程序的流程圖如圖7所示。

圖6 ?上位機界面

圖7 ?上位機程序流程圖

先判斷是“開關”按鍵是否被按下，如被按下，向單片機發送switch幀;接著判斷“加”按鍵是否按下，如按下向單片機發送add幀，如“減”按鍵按下則向單片機發送minus幀;然后向單片機發送query幀，查詢單片機的狀態，單片機將目前輸出的電壓值和開關狀態裝入report幀中，上傳給上位機，在APP界面上顯示相應的數值，如沒收到report幀，則提示丟失連接。

5.2 ?單片機軟件設計

單片機軟件采用C51編寫，其流程圖如圖8所示。

圖8 ?單片機程序流程圖

首先檢測是否收到add幀，如收到則單片機P0口輸出數字量增加2，如收到minus幀，P0口輸出數字量減2;接著判斷是否收到switch，如收到則開啟或關斷繼電器;再判斷是否收到query幀，如收到則將當前輸出電壓值和開關狀態裝入report幀后上報。

6 ?系統測試

在蘋果系統的iPhone 7智能手機中安裝氦氪云APP，當Heker V1.1芯片連接上網后，將手機連接上4G網絡，在氦氪云APP中運用編寫的上位機程序調整輸出電壓的值，在0～10 V中取10個值進行測量，采用數字萬用表VC9860+為測量儀器，測量輸出的電壓值。預置電壓值與輸出電壓值如表2所示。

表2 ?預置電壓與輸出電壓比較

測試過程中，每當在APP上點擊“加”“減”按鍵時，電壓源均可正確輸出電壓。點擊“開關”按鍵，也可正確控制電壓源的開啟和關閉，APP上電壓值的顯示也正確無誤。測試結果表明，該電壓源輸出準確，輸出響應良好，實現了通過英特網遠程調控、監測電壓源的功能。

7 ?結 ?語

本文介紹一種基于ESP8266 WiFi模塊的數控直流電壓源的設計方案。該電壓源具有輸出精度高，結構緊湊，可以通過英特網遠程調整、監測輸出電壓的值，實現了物聯功能。經過測試，此電源輸出響應良好，誤差小，可應用于實驗教學、科學研究、物聯網產品供電等領域，具有廣闊的應用前景。

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