基于STC15的实验台控制系统设计

李昆仑 付若松 文永顺 肖扬

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看各实验台电源状态和实验室室温，远程控制每个实验台电源开启或关闭。

关键词：STC15;机智云;实验台控制;ESP8266

0 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

系统框图如图1所示，实验台控制系统由IAP15W4K58S4单片机、ESP8266-12F物联网模块、DS18B20测温模块、独立按键、电源模块、继电器模块和LCD12864显示模块组成。

1.1    IAP15W4K58S4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    ESP8266-12F 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。

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    DS18B20測温模块

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/10 A，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5所示，该电路配置灵活，软件结构简单。

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6所示。

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。

[参考文献]

[1] 杨扬.基于STM32的实验室智能安防报警系统的设计与实现[D].哈尔滨：黑龙江大学，2020.

[2] 雷雪梅.数字温度传感器DS18B20的结构及应用简介[J].科技创新与应用，2017（2）：62.

收稿日期：2021-06-29

作者简介：李昆仑（1986—），男，广西富川人，硕士，讲师，研究方向：机器人控制、在线监测。

付若松（1999—），男，湖南邵阳人，研究方向：机械电子工程。