基于ESP8266WiFi模块的物联网数控直流电压源的设计

张琥石 林伟龙 邓日练 韦鸿深 杨发柱 陈洁 覃延帅 卢欣

摘  要： 物联网是继互联网后的第四代计算模式，代表了下一代信息发展技术，物联网技术被越来越多地应用到人们的生活当中。该文旨在介绍一款基于ESP8266 WiFi模块的物联网数控直流电压源。用户可以使用手机、平板电脑等终端平台，通过英特网远程控制电源开关，远程调控、远程查询输出电压值，实现对电源的远程管理。这项技术将物联网与电源设计结合起来，满足目前各类物联网产品的供电需要。

关键词： 数控电压源; 物联网; 英特网; 开关控制; 输出电压查询; 远程管理

中图分类号： TN711?34; TP301.6                     文献标识码： A                  文章编号： 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

物联网是继互联网后的第四代计算模式，代表了下一代信息发展技术，被称为下一个万亿级产业。物联网是物物相连的互联网，可实现物体的智能化识别、定位、跟踪、监控和管理。物联网已列入国家发展战略，它的应用将涉及未来社会的各个行业领域[1]。因此，在此时代大背景下，本文介绍一款基于ESP8266 WiFi模块的物联网的数控直流电压源，可通过物联网技术远程调整输出电压值，远程监控当前电压值，对电压源实现远程管理，满足目前各类物联网产品的供电需要。

1  总体设计

本设计的设计框图如图1所示。该设计中电压源采用12C5A60S2单片机作为控制芯片，输出8位数字量通过D/A模块转换为模拟电压值，经放大器模块放大。再经过功率放大模块放大电流提高带负载能力后输出。通过改变单片机的输出数字量，即可实现输出电压可调的效果。继电器与单片机的I/O口相连，实现用I/O口输出的数字量控制电路电源的通断。

ESP8266与单片机的串口相连，通过英特网，用户可以上位机远程传输控制信号给单片机，改变单片机端口输出的数字量，从而实现远程调整输出电压，远程控制电路开关的功能。

2  硬件电路设计

整机电路如图2所示，下面对各个模块的电路设计进行说明。

图1  系统框图

圖2  硬件电路原理图

2.1  D/A模块和放大模块

D/A模块由DAC0832芯片和LM358运算放大放构成，DAC0832芯片为8位数/模转换芯片，转换输出结果为电流，需要在其输出端接一LM358将电流转换成电压，得到一反向电压输出。DAC0832由5 V电压供电，分辨率为[5256≈0.02 V]。又因为其输出的是负电压，所以当数字量每增加1时，D/A模块的输出增加-0.02 V。

放大模块由运放LM358和电阻R2，R3，R4组成了一个反向放大器，将D/A模块的输出反向放大2.5倍。每按一次电压调整按键，数字量自增2，D/A模块输出增加-0.04 V，经过反向放大2.5倍后，输出电压增加0.1 V，实现了步进0.1 V。可以通过按键KEY1和KEY2改变单片机P0口的数字量输出。

2.2  功率放大模块

功率放大模块原理图如图3所示。LT3083芯片为一款3 A低压差线性稳压电路，在图3中LT3083的Vcontrol端和IN端接入15 V电压，输出端OUT端可以输出不高于14.7 V的的电压。SET端输入的电压值等于OUT端输出的电压值。把放大模块的输出端接入SET端，每按一次按键放大模块输出自增0.1 V，经过LT3083的稳压与电流放大后，OUT端的电压也自增0.1 V，从而实现了数控的功能。

图3  功率放大模块原理图

3  ESP8266 WiFi模块

ESP8266 WiFi模块为乐鑫公司开发的一款芯片，专为移动设备可穿戴产品和物联网应用设计。ESP8266 WiFi模块采用串口与单片机通信，内置TCP/IP协议栈，能够实现串口与WiFi之间的转换。通过ESP8266模块，传统的串口设备只是通过简单的串口配置，也就是只需要通过网络（WiFi）传输自己的内部数据。它能够支持三种工作模式，也就是STA，AP，以及STA+AP结合的模式。STA模式是通过路由器和互联网连接，手机或者电脑可以通过互联网对设备进行远程控制。AP模式则以 ATK_ESP8266 模块作为热点，实现手机或者电脑直接和ESP8266进行通信，达到局域网无线控制的需求。STA+AP是两种模式的加强版，也就是能够通过互联网控制实现无缝切换，方便用户操作[2]。

4  氦氪云

ESP8266需要装入固件才可使用，目前市面上有多种固件可供使用，人们选择安装了氦氪云固件的ESP8266模块——Heker V1.1模块。该模块的工作原理如图4所示。

图4  ESP8266工作原理图

网络服务器由氦氪云提供，在手机或平板电脑等上位机上发出的控制信号，由英特网传输至网络服务器，服务器收到该信号后，通过英特网转发至ESP8266芯片，ESP8266再将该信号通过串口传输至单片机。这样不仅实现了上位机通过英特网远程控制、监测单片机，还实现了物联的功能。

氦氪云定义了上位机与ESP8266传输指令的格式，具体指令格式如图5所示。

图5  氦氪云传输帧格式

1） 帧头 （1 B）：帧起始标识，指定为H或十六进制0x48;

2） 帧长 （1 B）：整帧内容（包括帧头、帧长、校验码等）的字节个数，取值[0x06，0xFE];

3） 帧类型 （1 B）：识别该帧类型，0x01为设备上报帧，0x02为模块下发帧，0xFE为模块操作帧、0xFF为错误帧;

4） 帧序号 （1 B）：取值[0x00，0xFF]，循环累加，标识顺序，返回帧中填入相同值;

5） 有效数据 （n B）：实际通信内容。根据不同业务分别说明;

6） 校验码 （1 B）：整帧内容（包括帧头、帧长等）的数据和，超过0xFF取低8位（1 B）。

根据氦氪云所定义的格式，设计本项目所需的传输帧，如表1所示。表中下发帧指的是上位机发送给单片机的帧，上报帧是指单片机发给上位机的帧。

表1  传输帧

5  軟件设计

5.1  上位机软件设计

上位机程序采用HTML5+Javascript编写，编写完成后上传至氦氪云官网，在手机上下载氦氪云APP，打开APP登录帐号后即可使用编写的上位机程序。本项目的上位机界面如图6所示。

按“加”“减”按键可以增加或减小输出电压值，按“开关”按键可以控制设备的开关，在这个界面上还可显示当前的输出电压值。上位机程序的流程图如图7所示。

图6  上位机界面

图7  上位机程序流程图

先判断是“开关”按键是否被按下，如被按下，向单片机发送switch帧;接着判断“加”按键是否按下，如按下向单片机发送add帧，如“减”按键按下则向单片机发送minus帧;然后向单片机发送query帧，查询单片机的状态，单片机将目前输出的电压值和开关状态装入report帧中，上传给上位机，在APP界面上显示相应的数值，如没收到report帧，则提示丢失连接。

5.2  单片机软件设计

单片机软件采用C51编写，其流程图如图8所示。

图8  单片机程序流程图

首先检测是否收到add帧，如收到则单片机P0口输出数字量增加2，如收到minus帧，P0口输出数字量减2;接着判断是否收到switch，如收到则开启或关断继电器;再判断是否收到query帧，如收到则将当前输出电压值和开关状态装入report帧后上报。

6  系统测试

在苹果系统的iPhone 7智能手机中安装氦氪云APP，当Heker V1.1芯片连接上网后，将手机连接上4G网络，在氦氪云APP中运用编写的上位机程序调整输出电压的值，在0～10 V中取10个值进行测量，采用数字万用表VC9860+为测量仪器，测量输出的电压值。预置电压值与输出电压值如表2所示。

表2  预置电压与输出电压比较

测试过程中，每当在APP上点击“加”“减”按键时，电压源均可正确输出电压。点击“开关”按键，也可正确控制电压源的开启和关闭，APP上电压值的显示也正确无误。测试结果表明，该电压源输出准确，输出响应良好，实现了通过英特网远程调控、监测电压源的功能。

7  结  语

本文介绍一种基于ESP8266 WiFi模块的数控直流电压源的设计方案。该电压源具有输出精度高，结构紧凑，可以通过英特网远程调整、监测输出电压的值，实现了物联功能。经过测试，此电源输出响应良好，误差小，可应用于实验教学、科学研究、物联网产品供电等领域，具有广阔的应用前景。

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