基于单片机和Wi-Fi技术的家电远程控制系统设计

2021-06-30羌丹丹龚瑜

电子测试 2021年5期

羌丹丹，龚瑜

（南通市生产力促进中心，江苏南通，226019）

0 引言

随着单片机技术、Wi-Fi通信技术和物联网技术的快速发展，家电的智能远程控制需求日益明显[1-5]。林玩杰[6]等人设计了一款Android智能手机控制的智能家居系统，采用STM32F103作为系统主处理器，通过I/O口控制灯的开和关。测试结果表明：用户通过手机客户端APP连接Wi-Fi便可以远程监控家居情况，实现对家用灯光控制、环境检测以及视频监控等功能。陈国童[7]等人基于Wi-Fi通信技术，利用ESP8266串口Wi-Fi模块与STM32微处理进行通信连接，并与Android手机进行联网，通过手机APP实现对家居的智能控制。池雪艳[8]采用单片机完成了无线智能家居环境远程监控系统的设计，以STM32芯片为核心控制器，Windows PC端作为控制终端，单片机通过串口连接Wi-Fi网关实现数据采集。

本设计提出一种基于单片机和Wi-Fi技术的家电远程控制系统，用户可以通过手机APP Tlink物联网平台实现远程控制家电的开关。

1 系统整体设计

系统主要是由硬件与软件两部分构成，硬件部分包括51单片机STC89C52RC、Wi-Fi芯片ESP8266、降压芯片AMS1117、电源等，软件部分包括单片机控制程序和手机APP Tlink上链接协议的设置，以及设备管理等。系统整体设计架构如图1所示。单片机和手机终端APP是系统的控制核心。

图1 系统整体设计架构

2 硬件电路设计

STC89C52RC单片机作为微处理器，是本设计的控制核心。硬件电路部分主要由五部分构成：单片机电路、Wi-Fi电路、继电器电路、按键电路和外部存储器电路等，如图2所示。

图2 硬件电路构成框图

2.1 单片机工作电路设计

（1）时钟电路

Wi-Fi模块ESP8266和单片机通过串口进行通信，51单片机使用的晶振频率通常选12MHz，而进行通信时，一般选择11.0592MHz，12MHz晶振配置9600波特率时会产生一定的误差。搭建如图3所示的时钟电路，可以为单片机产生稳定的工作时钟。

图3 时钟电路图

（2）复位电路

单片机复位采用硬件复位，RESET直接接到单片机的复位引脚RST，将10UF的电容接入，同时接入大小为10K的电阻，系统所用的单片机在5V电压下工作，则充电到电压的0.7倍即3.5V，其所需要的时间为10k*10UF= 0.1us。硬件复位电路图如图4所示。

图4 复位电路图

（3）STC89C52RC单片机电路

STC89C52RC单片机电路如图5所示，加上时钟电路和复位电路就构成了单片机最小系统。

图5 STC89C52RC单片机电路

2.2 Wi-Fi电路设计

（1）稳压电路

STC89C52RC单片机的工作电压是3.3V ～5.5V，其通常供电电压是5V，ESP8266供电电压是3.3V，构建稳压电路尤为重要。稳压电路图如图6所示。

图6 稳压电路

（2）ESP8266电路

安可信公司的配有Wi-Fi模块的ESP8266，其搭载的电路如图7所示，TX和RX直接和单片机串口对接，电源为3.3V，EN脚为使能脚，拉低后单片机复位。

图7 ESP8266电路

2.3 继电器电路设计

由于继电器的工作电流一般为50 ～70mA，而51系列单片机的I/O口输出电流一般只有几百uA，须采用电流放大来解决此问题。继电器电路如图8所示。

图8 继电器电路

3 软件设计

3.1 单片机系统软件设计

单片机上电后首先会进行定时器、串口、I2C等初始化，设置好WIFI波特率9600bps，然后单片机会发送AT指令控制ESP8266进行Wi-Fi联网，此过程中添加看门狗功能，Wi-Fi连接不上时会自动重启，直至连接上Wi-Fi网络；WIFI网络连接上后会通过TCP连接服务器公网IP，和服务器端建立TCP连接后就可以相互进行通信了。与服务器端建立通信后，单片机会读取外部存储器中的值，并对继电器进行相应的操作。

3.2 Wi-Fi联网软件设计

设置ESP8266的波特率为9600bps，使之与单片机的串口波特率一致。通过AT指令来配置其波特率：AT+UART=9600,8,1,0,0，波特率 9600，数据位 8，停止位 1，校验位0。ESP8266的驱动程序如下：

3.3 AT24C02软件设计

单片机和AT24C02直接是通过I2C进行通信。由于单片机I2C硬件接口，所以用软件来模拟I2C通信。利用单片机的两根PIN脚，分别作为SCL、SDA，通过模拟I2C协议和AT24C02进行通信，以此存储和读取信息。

4 系统调试

按照硬件电路设计搭建实物，并进行硬件检查测试。硬件测试无误后，采用Tlink物联网平台模拟家电信号对系统功能进行测试。通过手机APP Tlink登录到平台账号，分别测试三路开关的闭合与断开，打开其中两路，可以观察继电器闭合的响声，对应的指示灯也已经点亮，测试结果符合预期。系统硬件实物与测试过程如图9所示。