【原创】ESP8266物联网开发板设计1

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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的开关。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：

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也没有外部晶振的接口，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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。
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