基于STC15的實驗臺控制系統設計

李昆侖 付若松 文永順 肖揚

摘要：設計了一套實驗臺控制系統，將STC15單片機和物聯網相結合，以繼電器為執行末端，實驗室溫度由DS18B20測出發送給IAP15W4K58S4單片機，配合ESP8266-12F物聯網模塊，通過機智云平臺與手機App機智云連接，實現實驗臺電源狀態和實時室溫的信息傳遞。實驗室管理員通過遠程在線方式可實時查看各實驗臺電源狀態和實驗室室溫，遠程控制每個實驗臺電源開啟或關閉。

關鍵詞：STC15;機智云;實驗臺控制;ESP8266

0 引言

在各種災害中，火災是威脅公眾安全和社會發展的最主要災害之一，很多用電設備常出現不能及時斷電的問題，存在較大火災隱患和電能浪費。在家電設備控制方面，物聯網的應用取得了很多研究成果，市場上有很多智能控制產品，而對于物聯網在實驗室用電設備智能控制方面的應用則鮮有研究。目前，很多實驗室仍通過管理員人工巡查的方式來管理實驗室用電設備，這不僅給管理員帶來了繁重的工作，還存在人為因素導致的管理隱患。基于此，本文設計了一套實驗臺控制系統。

1 系統設計概述

系統框圖如圖1所示，實驗臺控制系統由IAP15W4K58S4單片機、ESP8266-12F物聯網模塊、DS18B20測溫模塊、獨立按鍵、電源模塊、繼電器模塊和LCD12864顯示模塊組成。

1.1? ? IAP15W4K58S4單片機

IAP15W4K58S4單片機為功能增強型8051CPU芯片，具有1 T的單位時鐘/連續機器工作周期，其連續運行工作速度比普通8051CPU芯片快8～12倍，片內的EEPROM擦寫可達10萬次以上，工作時頻率為5～30 MHz。

1.2? ? ESP8266-12F Wi-Fi模塊

考慮到本設計需要的內存空間比較大，云傳輸數據量較大，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界領先的超低功耗32位微型MCU，同時也集成了Wi-Fi、板載天線[1]。ESP8266芯片連接互聯網，實現硬件設備遠程控制，模塊初始的模式是STA+AP模式，不需要更改ESP8266芯片工作模式。連接機智云平臺前，需要登錄樂鑫官網下載ESP8266芯片使用機智云的固件，將固件寫入ESP8266-12F模塊。將焊接好轉接板的ESP8266-12F接在單片機上，模塊作為一個網絡傳輸芯片，通過串口轉Wi-Fi把單片機和手機連接起來。ESP8266-12F與單片機連接圖如圖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，本設計選用帶字庫的LCD12864，編程時直接調用字庫里的字即可，能提高程序執行效率和系統運行速度，以免程序執行時占用過多的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。本設計選用LCD12864液晶顯示屏并行運行模式。LCD12864液晶顯示模塊接線圖如圖3所示。

1.4? ? DS18B20測溫模塊

DS18B20是常用數字溫度傳感器，具有體積小、硬件開銷低、抗干擾能力強、精度高的特點，內部有溫度上、下限告警設置，溫度測量范圍在-55～125 ℃，每個器件上都有獨一無二的序列號，只需要一個端口即可實現通信[2]，輸出數字信號，實際測溫中可實現直接測溫。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，單片機端口P4工作模式配置為強推挽輸出，吸合對應繼電器，模塊輸出常開最大負載為交流250 V/10 A，實現弱電控制強電，接口直接通過接線端子引出，方便實現控制要求。

1.6? ? 獨立按鍵模塊

本設計主要使用2×4獨立按鍵的K1、K2、K3和K4四個按鍵，K1、K2、K3和K4分別連接單片機的P44、P45、P46和P47口，GND與單片機共地，每個按鍵單獨占用一個單獨GPIO口，不會影響其他GPIO口狀態。獨立按鍵模塊電路原理圖如圖5所示，該電路配置靈活，軟件結構簡單。

2 系統主程序流程

程序開始運行后，系統所有模塊初始化，機智云連接協議初始化，所有繼電器都處于斷開狀態，LCD12864屏幕亮并進入開機界面，開始檢測按鍵，如果檢測到按鍵被按下，相對應繼電器吸合，單片機通過ESP8266-12F Wi-Fi模塊將工作臺電源工作狀態變化發送到機智云云端，工作臺電源狀態同步更新到手機App，手機App上該繼電器的狀態會顯示該繼電器已經打開，DS18B20把所測實時溫度發送到單片機，單片機通過LCD12864液晶模塊將溫度顯示出來，同時將溫度信息發送到ESP8266-12F Wi-Fi模塊，通過機智云云端更新到手機App。手機上可以通過控制界面監視實驗臺電源工作狀態，并可在手機上進行控制操作，把命令通過云平臺發送給ESP8266-12F Wi-Fi模塊，與單片機通信后，發送給單片機控制對應繼電器吸合或斷開。系統軟件主程序流程圖如圖6所示。

3 結語

本文從實際出發設計了一套實驗臺控制系統，采用IAP15W4K58S4單片機控制繼電器來模擬控制實驗臺，可以在現場使用按鍵或遠程使用手機App控制實驗臺電源，在手機上遠程查看實驗臺電源的狀態，實驗室管理員還可通過手機App查看實驗室室溫，及時發現火災。實驗室管理員不需要總是到現場巡查，降低了管理員的工作量，不管距離有多么遙遠，只要手機可以上網，都可在App上進行實驗臺遠程監視和控制。

[參考文獻]

[1] 楊揚.基于STM32的實驗室智能安防報警系統的設計與實現[D].哈爾濱：黑龍江大學，2020.

[2] 雷雪梅.數字溫度傳感器DS18B20的結構及應用簡介[J].科技創新與應用，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：機器人控制、在線監測。

付若松（1999—），男，湖南邵陽人，研究方向：機械電子工程。