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毕设-基于ESP8266-12F家电控制系统设计.docx

发布时间：2022-06-13 发布人：admin 分类：说明书 资料大小：3.92M 资料格式：docx 举报 版权申诉
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    1 前言
    1.1设计的意义和目的
    1.2国内外发展现状
    2总体方案设计
    2.1方案比较
    2.2方案论证
    3单元模块设计
    3.1各单元模块功能介绍及电路
    3.1.1电源模块
    3.1.2 ESP8266-12F最小系统模块
    3.1.3家电通电检测模块
    3.1.4多路选择模块
    3.1.5温湿度检测模块
    3.1.6 家电控制模块
    3.1.7配置按键、网络状态指示模块
    3.2电路参数的计算及元器件的选择
    3.3特殊器件的介绍
    3.4各单元模块的联接
    4软件设计
    4.1软件设计原理及设计所用工具
    4.1.1软件设计原理
    4.1.2设计所用工具
    4.2系统软件设计结构图及其功能
    4.3主要软件设计流程框图及说明
    4.3.1主程序
    4.3.2家电控制子程序
    4.3.3家电通电检测子程序
    4.3.4网络指示灯指示子程序
    4.3.5环境温湿度检测子程序
    4.3.6按键配置中断服务子程序
    4.3.7平台展示与控制界面
    5系统调试
    西华大学毕业设计说明书 目 录 1 前言 ................................................................... 2 1.1 设计的意义和目的 ...................................................... 2 1.2 国内外发展现状 ........................................................ 1 2 总体方案设计 ............................................................ 1 2.1 方案比较 .............................................................. 1 2.2 方案论证 .............................................................. 3 3 单元模块设计 ............................................................ 3 3.1 各单元模块功能介绍及电路 .............................................. 3 3.1.1 电源模块...................................................................................................................3 3.1.2 ESP8266-12F 最小系统模块....................................................................................5 3.1.3 家电通电检测模块...................................................................................................6 3.1.4 多路选择模块...........................................................................................................7 3.1.5 温湿度检测模块.......................................................................................................8 3.1.6 家电控制模块..........................................................................................................9 3.1.7 配置按键、网络状态指示模块.............................................................................10 3.2 电路参数的计算及元器件的选择 ......................................... 10 3.3 特殊器件的介绍 ....................................................... 11 3.4 各单元模块的联接 ..................................................... 12 4 软件设计 ............................................................... 14 4.1 软件设计原理及设计所用工具 ........................................... 14 4.1.1 软件设计原理.........................................................................................................14 4.1.2 设计所用工具.........................................................................................................15 4.2 系统软件设计结构图及其功能 ........................................... 15 4.3 主要软件设计流程框图及说明 ........................................... 16 4.3.1 主程序.....................................................................................................................16 4.3.2 家电控制子程序.....................................................................................................17 4.3.3 家电通电检测子程序.............................................................................................17 4.3.4 网络指示灯指示子程序.........................................................................................19 4.3.5 环境温湿度检测子程序.........................................................................................20 I
    西华大学毕业设计说明书 4.3.6 按键配置中断服务子程序.....................................................................................21 4.3.7 平台展示与控制界面.............................................................................................22 5 系统调试 ............................................................... 25 1 前言 1.1 设计的意义和目的 随着现代互联网技术的高速发展，互联网技术所拓展和延伸的物联网技术正逐渐对 人们的生活家居产生了越来越不可替代的作用。物联网（Internet of Things，缩写 IoT） 技术将我们生活中各个无处不在的终端和设备按照约定的协议接入互联网中，使得物与 物之间更高效的进行信息的交换和通讯、极大的方便了人们对物的控制和状态监控。最 近几年，物联网的兴起对智能家电的影响是空前的，越来越多的消费者和用户站在物联 网的角度对智能家电提出了新的需求，智能家电行业也是备受关注[1]。新的生活方式正 在逐步带给人们新的生活体验这也逐渐促使着智能家居家电更加蓬勃的发展。新的技术 之所以能得以发展是因为它能将人们从繁忙的生活中解放出来，很多事逐渐变为由计算 机代替人力去完成，这便是“智能”最大的体现，智能家电不仅能使用户在繁忙的生活 中解放出来，更多的是带给人新的生活体验。智能家电相比传统的方式管理家电其主要 II
    西华大学毕业设计说明书 的优势在于操作简单方便，在一定程度上也更加方便用户对设备的维护与管理，增加家 电设备的安全运行。这正是我们研究智能家电的意义所在，取而代之传统的用户管理家 电，智能家电将带给我们的是更加高效的家电管理和监控。 1.2 国内外发展现状 在人们刚使用上家电的时代，家电的管理和控制没加入互联网等技术元素，人们只 能通过人工的方式对家电进行控制和运行状态的监测，但是随着科技和互联网技术的飞 跃式进步，传统的家电控制和管理不能再满足人们的生活需求，人们难以从重复繁琐的 简单劳动的解放出来，反而带给我们的更多是生活的不变和累赘。随着新的需求和新的 技术共同存在总会激发出新的应用，智能家电应运而生。智能家电从发展至今正在变得 逐渐的智能化，人性化和实用化。 目前国内外的智能家电发展迅猛，不断的涌现新的概念和新的技术。从系统架构上 看，大体结构是相同的，都是将家电通过物联网技术接入网络的平台上，然后通过智能 终端设备进行控制和管理。不同点在于使用何种平台进行管理、通过什么样的方式接入、 通过什么样的协议接入等。对于接入协议和方式，有的选择通过有线的方式将家电接入 有的选择无线方式接入，有的适合纯 TCP/IP 协议进行接入，有的适合 MQTT 协议接入 等等，不同的应用场景决定使用不同的方式。 2 总体方案设计 2.1 方案比较 方案一：基于安信可 ESP8266-12F wifi 模组的智能家电控制系统设计方案 方案一采用 ESP8266-12F 作为主控制器。整个系统包括了 ESP8266-12F 模组最小系 统、家电状态检测模块、继电器控制模块、配置按键、温湿度检测模块电源电路等。上 电时 ESP8266-12F 作为 Station 模式按照配置参数连接平台服务器，正常运行时，接收 平台的继电器切换指令，当平台有继电器切换的指令下发，ESP8266-12F 可直接收到然 后对应的进行相应的继电器切换。另外，正常运行时，ESP8266-12F 每间隔 10s 进行一 次环境的温湿度采集和家电状态的采集并上传到服务器上，用户可以通过手机等智能终 端登录到平台上查看相应的参数状态。需要控制的时候也可使用手机等智能终端进行相 应的控制。当需要配置网络连接的时候可直接长按下配置按键，ESP8266-12F 进入 AP 模式，使用手机或者电脑等终端连接上 ESP8266-12F 使用浏览器进行 web 端网页配置完 第 1 页
    西华大学毕业设计说明书 成后 ESP8266-12F 保存配置参数到 flash 中，重启时按照最新的配置参数进行连接。如 图 2.1 所示为方案一框图。 家电状态检测模块 家电控制模块 系统电源 配置按键 ESP8266 云平台 温湿度模块 图 2.1 方案一框图 方案二：基于单片机+W5500 网络芯片的智能家电控制系统设计方案 方案二是使用普通单片机+网络芯片的设计方案。整个方案包括了单片机最小系统 模块、电源模块、家电状态监测模块、继电器控制模块、温湿度检测模块、W5500 电路 等。系统通过 W5500 连接到网络和平台服务器上，单片机作为系统的控制器、负责外围 继电器的切换，平台下发家电状态切换的指令，W5500 收到后发送给单片机，单片机对 应的进行相应的开关动作，切换继电器到相应的状态。另外单片机定时采集环境温湿度 和家电的开关状态并上报给服务器。电源模块负责系统的供电需要，其中包括继电器控 制模块的所需的继电器驱动电源和单片机的供电。整个系统需要配置参数时通过串口对 单片机进行配置，配置完成保存在 flash 中，上电重启时按照用户配置的网络参数进行 连接网络。如图 2.2 所示为方案二框图。 家电状态检测模块 云平台 家电控制模块 单片机 系 统 电 源 W5500 电路 第 2 页
    西华大学毕业设计说明书 温湿度检测模块 2.2 方案论证 图 2.2 方案二框图 相比于方案一，方案二涉及的电路模块相对较复杂，主要区别在于连接网络的实现 原理不同，一种采用有线的方式进行网络连接，一种采用无线的方式进行网络连接。但 相比较而言，方案一的实现更为简单，但优势是明显的。第一、从成本考虑，使用方案 一硬件成本约为方案二的四风之一或者五分之一，作为产品角度考虑对用户和生产商都 利于推广。第二、从实用性考虑，无线的方案更接近现实的实用场景，实用有线需要另 外安装布置网线的到控制器，十分麻烦，对于家庭用户不利于推广。第三、从使用者角 度考虑，用户需要改变网络连接配置时，只有专业人员通过串口进行配置后方可重新更 改安装到新的环境中，而方案一只需按下配置按键，用户连接 wifi 使用浏览器访问固定 的 IP 即可进行 web 页面进行重新配置网络连接参数的更改。第四、方案一硬件体积可 以做到很小。综合考虑各方面因素，本次设计的家电控制系统采用方案一。 3 单元模块设计 本次智能家电控制系统控制系统硬件上主要由电源模块、ESP-12F 最小系统模块、 家电通电检测模块、多路选择模块、温湿度检测模块、家电控制模块、配置按键构成。 各个模块相互独立但相互协调构成系统功能。 3.1 各单元模块功能介绍及电路 3.1.1 电源模块 电源模块作为本系统的重要组成部分负责系统的所有供电需要。本次设计中的电源 分为两路，一路为控制部分电源，控制部分的电源即 ESP8266 芯片的工作电源，ESP8266 的正常工作电压为 3.0V~3.6V 本次设计供 ESP8266 的电压为 3.3V 的逻辑电压。另外一 路是继电器驱动部分的驱动电源，继电器选择的是 5V 的继电器，所以继电器部分的供 电电压为 5V，驱动和控制电源分开这样设计的目的是防止驱动部分电路的大电流变化 对逻辑控制电路的影响，保证二则独立互不干扰。 第 3 页
    西华大学毕业设计说明书 图 3.1 继电器驱动电源电路图 电源电路的电源芯片选择的是 LM2596 开关电源芯片。选择 LM2596 的原因是 LM2596 开关电源芯片是降压型电源管理单片集成电路，能够输出 3A 的电流，同时具 有很好的线性和负载调节特性。可调型版本可以输出小鱼 37V 的各种电压。该芯片内部 集成频率补偿和固定的频率发生器，开关频率为 150KHz,与低频开关调节器相比较，可 以使用更小的规格的滤波元件。由于该器件最少只需要 4 个外接元件，可以使用通用的 标准电感，这更优化了 LM2596 的使用，极大的简化了开关电源电路的设计，这也是本 次设计选用此电源芯片得目的。该器件还有一个特点，在特定的输入电源和输出负载的 条件下，输出电压的误差可以保证在±4%的范围内，振荡器的误差在±15%的范围内；可 以用仅 80uA 的待机电流，实现外部断电，具有自我保护电路(一个两级的降频限流保护 和一个在异常情况下断电的过温完全保护电路)。电源模块的输入部分为变压器输出的 12V 交流电压，变压器直接将 220V 的交流电压经过变压器变压后输出一个±12V 双交 流电压作为两个电源电路的输入。变压器输出的 12V 交流电经过 4 个二极管构成的整流 桥后将交流电压变成一个脉动的直流电压，经过整流后的电压再经过电容的滤波后变为 一个平滑的直流电压作为 LM2596 的输入电压。LM2596 的输出部分经过 LC 滤波电路 变为所需的 5V 直流电压。其中 R22、R23、R24 为电压反馈电阻，当输出电压需要可调 时选择焊接 R22、R24 中的元件，当确定好参数固定电压输出时选择焊接 R23、R24 元 件。反馈电阻的作用时采样输出电压反馈到 LM2596 的第 4 引脚当输出电压变化时 LM2596 自动调节内部电源的开关频率从而调节输出电压到固定的值。SS34 为肖特基二 极管，当 LM2596 输出开关脉冲到电感上，电感在脉冲为低电压时由楞次定律可知电感 会瞬间产生一个较大反向电压阻碍电压的下降，在开关电源中起到反向续流的作用，保 证电流的连续性。整个结构构成了继电器驱动电源的电路结构，保证输出稳定的 5V 的 继电器驱动电压。图 3.1 为继电器驱动部分电源电路图。 第 4 页
    西华大学毕业设计说明书 图 3.2 控制电源电路图 与继电器驱动部分电源相同的是变压器输出的 12V 交流部分到 5V 的直流输出电路 相同。不同的是，ESP8266 需要的是 3.0~3.6V 的稳定供电电压，很明显 5V 不能满足需 要，在直流 5V 的输出基础上加上了一级线性稳压电源芯片 ASM1117 得到稳定的 3.3V 电压。ASM1117 为三端可调或固定电压 3.3V 的线性电压芯片。为了防止环境温度造成 结温过高，片内过热电路将会切断电路，从而为过载和过热提供保护。ASM1117 的电 压输出引脚连接了三个不同容值的电容用于滤除 ASM1117 输出的电源纹波干扰确保 ASM1117 输出的电压的稳定。图 3.2 所示电路为控制部分电源电路。 3.1.2 ESP8266-12F 最小系统模块 ESP8266-12F 最小系统模块作为本次设计的核心模块，主要负责外设硬件的控制、 网络连接、设备信息保存和支持 web 页面配置等功能。系统启动时，ESP8266 需要通过 无线的方式连接云平台上，连接网络时需要控制网络指示灯指示相应的状态。连接云服 务器后 ESP8266 在正常工作时需要根据云服务器的指令控制外设的继电器对应的开关 切换。另外，ESP8266 正常工作时需要采集环境温湿度和负载通电状态，并实施上传到 云服务上。当用户需要更改网络连接时，需要按下配置按键让系统进入配置模式重新配 置网络连接参数，当配置完成后 ESP8266 保存最新的配置到 flash 中，系统重启时读取 最新的配置参数，按照最新的配置参数进行网络连接。 第 5 页
    西华大学毕业设计说明书 图 3.3 ESP-12F 最小系统电路图 它包含一个 RC 复位电路、第 1 引脚为复位引脚，当正常使能的时候两引脚拉高。 当按下复位按键，复位引脚被拉低，芯片复位重启。第 3 引脚作为芯片的使能引脚，高 电平芯片使能，当系统正常运行的时候拉高引脚。GPIO2、GPIO0、GPIO15 三个 IO 的 引脚可以确定系统的运行模式，如表 3-1 所示，正常运行时，GPIO15 拉低、GPIO2、 GPIO0 拉高表示系统从外部 flash 启动；下载时只需将正常启动的 GPIO0 拉低，表示进 入升级状态，等待串口下载指令。GPIO1、GPIO3 为芯片的串口 TXD 和 RXD。图 3.3 所示为 ESP8266-12F 最小系统电路图。 模式 GPIO15、GPIO2、GPIO0 模式 1 模式 2 模式 3 1 X X 0 1 1 0 1 0 3.1.3 家电通电检测模块 表 3-1 ESP-12F 模式选择表 系统运行模式 系统工作在 SDIO 模式，可以用外面 MCU 驱动内部 WIFI 系统从外部 FLASH 启动 系统自动进入升级状态，等待串口下载指令到 负载通电检测模块电路主要作用是当控制家电为开的状态时检测系统有无输出 220V 交流电到用电的电器上，进而软件上判断采集这一状态最总反馈给用户，用户获 取这一状态后再更具实际情况进行相应的控制等。负载通电检测模块电路实现的基本原 理主要是检测有无 220V 的交流电压。通过将有无 220V 交流电压的状态变化数字逻辑 信号加以处理作出相应的动作。本次设计的负载通电检测模块电路检测 220V 交流电压 的基本思路是首先将 220V 的交流电压转换为控制器所能判断的数字逻辑电平，然后根 据数字逻辑电平的状态进而判断有无 220V 电源的通入。 第 6 页
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