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【原创】ESP8266物联网开发板设计1

2021-7-26 16:31:01  2278 ESP8266 物联网
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` 本帖最后由 松山归人 于 2021-7-26 16:32 编辑

作者:张角老师(张飞实战电子高级工程师)
我们今天使用ESP8266这款芯片设计一块物联网开发板,使用的模组是ESP-12F,这款模组我们在上篇文章已经给大家介绍过,生产厂家是深圳是安信可科技有限公司。我们这款开发板,只是使用这个模组内部的单片机ESP8266,实现的功能来说也相对较为简单,换句话说,也就是没有外挂单片机。

那么总体上要实现什么功能呢?

第一个要实现的功能是温湿度的采集,这个是物联网场景中最为常见的。远程而且在线的数据采集功能,能够为系统决策提供实时的决策依据。我们这里主要是以温湿度的采集以及往云端上传为例,给大家演示一下物联网开发板的流程是什么样子的。

第二个要实现的功能是远程控制继电器开关。我们从物联网的数据终端获得了数据之后,自然需要根据数据做出决策。那么这个决策执行,一个最简单的示例就是继电器的开通和关断。我们可以通过继电器的开通和关断,来决定相应的模块是不是需要运行。

ESP-12F这个模组要想能够正常工作,首先就是要搭建一个单片机的最小系统。这个最小系统包括如下模块,比如电源模块,程序烧录模块,时钟模块,Reset模块,boot选择模块等等。只有这些模块工作正常了,ESP-12F内部的单片机才有可能工作起来。

我们下面分别来看一下,这些小模块用什么样的方案实现比较合适。

第一个是程序烧录模块,我们这里使用的是USB转串口,芯片是CH340G,这个是南京沁恒公司出品的,属于非常常用的芯片,性能稳定价格相对便宜。具体的电路设计也相对来说比较简单。大体的电路设计如下:
11.png
我们这里只是参考示意图,具体电路实现,我们后面再分析。


第二个是时钟模块,我们这个ESP-12F里面应该已经包含了时钟震荡电路,我们不用再外接震荡电路模块。从模组管脚功能的描述上看,ESP-12F也没有外部晶振接口,那么我们可以断定这个模组已经自己搞定了震荡器部分,要么是单片机内部的RC震荡器,要么是模组封装的石英震荡器。后面有机会,我们再对这块进行分析。
22.png 33.png
Reset模块和BOOT模块按照芯片给出的说明来就可以了。RESET这个地方一般是低复位,意思也就是说这个管脚在低电平的时候,芯片内部执行复位操作。BOOT引脚,从上图也能看出,IO0为低的时候,单片机处于下载模式。如果要让单片机处于运行模式,这个引脚必须拉高或者悬空。那么我们进行电路设计的时候,按照芯片的说明操作就可以。


再一个就是电源模块,很显然ESP-12F这个模组要能够正常工作,它一定是需要电源的。那么这个电源电压是多少呢?我们来看一下ESP-12F的datasheet。
44.png
这张表里面,我们是不是可以看出来这个模组的供电电压是不是3.3V呀,Io口的最大电流驱动能力是12mA对吧。Vil和Vih表示输入低和高的电平值,从datasheet上可以看出来输入为低的时候,最低值是-0.3V,最大值是0.25倍的Vio;输入为高的时候,最低值是0.75倍的Vio,最大值是3.6V。Vol的最大值是0.1倍的Vio,也就是说作为输出且输出为低的时候,它的最大值0.1倍的Vio;Voh的最小值是0.8Vio,这句话的意思是,IO口作为输出,且输出为高的时候,它的最小值是0.8倍的Vio。了解了这些参数,可以对我们进行外围电路的设计起到指导作用。


那么这个3.3V的电压从哪里来最合适呢?我们这里有两条思路,一条思路是从AC 220V上通过反激电源降压到12V,然后再从12V降压到3.3V;另外一条思路是利用USB接线的5V电压,直接变换成3.3V。第一种方案,我们首先要买一个12V的电源适配器,如下图所示。
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通过这个电源,我们就可以得到12V的电压了,然后我们可以通过线性电源,比如7805把这个电压降压到5V,然后在再通过AMS1117把5V电压降压到3.3V。这种方案适用于产品开发中,我们甚至可以自己开发一块反激电源放在我们的产品的板子上。因为实际的环境中,可能只有AC 220的电源。对于一些极端的情况,比如AC 220V不能够达到的地方,有的物联网产品甚至只能是太阳能供电,当然这个电源是另外一个方案了。

一般情况下开发板则不同,只是大家学习的工具,对吧。那么供电部分的方案,自然也是不同的。比如我们就可以从我们的笔记本或者台式机上的USB口上获取电源。这样我们就利用了电脑自己的电源模块,是吧。AC降压的部分是电脑自己完成的,我们这里的方案是站在它的基础上的。USB电源的输出电压是5V,一般情况下,这个5V电源的输出能力可以达到500mA左右,可见它的功率还是蛮大的。

上面我们只是分析了大体的情况,那么具体到我们这个开发板中,这些大体的方案合适么?我们下面来具体分析一下。

首先我们来看一下,我们的这个模组的供电要求,从下图可以看出这个模块要稳定工作,供电电流要大于500mA。但从这一个数据来看,我们就没有办法仅仅使用一个USB来供电,那样单片机有可能就不可以正常工作,我们这里说得是有可能呀,也不一定不能工作。但是从产品设计的角度来看,如果只用一个USB接口来供电,这样的设计是不稳妥的。
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另外一个耗电较大的是继电器,我们这里的继电器选定的是SRA系列的,线圈的开通电压,我们可以选择12V。那么我们来看一下,这个继电器的线圈需要多大的电流。
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从上图中可以看出来,这个电流要50mA,是吧。

我们下面来看一下CH340G的功耗情况。从下表可以看出来,它的功耗最大值是在20mA左右,这个器件待机状态的时候,功耗更低,只有0.2mA左右。
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SHT20(温湿度检测芯片)和其他一些LED等的模块加起来,功耗应该不会超过10mA。这样算下来,这个开发板需要的总的供电能力,差不多在600mA左右。如果再留有一点余量的话,那么我们选用的反激电源适配器,它的输出能力差不多要在1A左右。
从上面情况来看,USB供电是肯定不合适的。我们这个开发板,不适合USB供电,只能是使用适配器从AC 220V上引电下来。有了12V电源以后,我们第一步要做的事情,就是把12V电压变成5V的,常用的器件就是LM7805。我们来看一下LM7805的输出能力,从下图中可以看出来,它差不多有1A的输出能力,是吧。这个能力是可以满足模组功耗需求的。但是我们可以计算一下它自身的功率。P = (12V – 5V)* 500mA  = 3.5W,也就是说仅仅带载ESP-12F这个板子,就需要3.5W的功率。这个对LM7805的封装来说是不可以承受的。即使加上散热片,也难保散热片不烫手,这个功率太大了。那怎么办呢?我们这里只能选择能效比更好的电源方案,比如开关电源。我们可以选择一个buck降压方案。这个buck电路,可以直接从12V降压到3.3V,也可以从12V先降压到5V,然后再通过LDO模块把电压从5V降低到3.3V。这两个方案,我们可以都用一下,看一看哪个更合适。为什么一般情况下,单片机前端电源一般采用LDO(比如AMS1117等)呢?主要是LDO输出的电压精度比较高。还有一个,如果Buck电源坏掉了,buck上的高压信号,一般也不会直接伤到单片机,中间还有一个LDO电源起到了隔离作用。另外,Buck电路输出的电压文波率相对来说也比较大,一般在2%-5%左右,这个波动对单片机的工作也会有影响。但是呢,现在的单片机一般也是宽电压输入,就像我们这个ESP-12F,它的输入电压可以从3.0V-3.6V。Buck的文波率按理说应该是可以满足要求的。我们这里可以把两个方案都试一试,通过跳线帽或者0欧姆电阻的方式选择供电电源。一个是测试一个LDO电源(AMS1117)的发热量怎么样,再一个看看buck电源能不能满足单片机的需求。
篇幅较长,完整内容见附件:
张角-ESP8266物联网开发板设计1.pdf (1.1 MB, 下载次数: 15 )

` 55.png
天涯 2021-7-26 21:42:18
有趣的WIFI物联网项目,学习了
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liqifengyu 2021-8-5 11:03:18
现在ESP32比较火
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