摘要: 设计了一套实验台控制系统，将STC15单片机和物联网相结合，以继电器为执行末端，实验室温度由DS18B20测出发送给IAP15W4K58S4单片机，配合esp8266-12F物联网模块，通过机智云物联网平台与手机App机智云连接，实现实验台电源状态和实时室温的信息传递。实验室管理员通过远程在线方式可实时查。
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 图1控制系统框图
1.1 IAP 15W4K58S 4单片机
IAP15W4K58S4单片机为功能增强型8051CPU芯片，具有1 T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5～30 MHz。
1.2 ES P 8266-12F Wi-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ESP8266-12F Wi-Fi模块。该模块采用3.3 V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[1]。
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。连接机智云物联网平台前，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2 ESP8266-12F与单片机连接图 1.3 LCD12864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。
1.4 DS 18B20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5 V，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250 V/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4所示，该电路配置灵活，软件结构简单。 图3 DS18B20测温模块电路
图4独立按键模块电路 2系统主程序流程
程序开始运行后，系统所有模块初始化，机智云物联网平台连接协议初始化，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ESP8266-12F Wi-Fi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ESP8266-12F Wi-Fi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ESP8266-12F Wi-Fi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5所示。
图5系统主程序流程图 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。
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发表于 2021-9-8 12:28
