51单片机 ESP8266模块 APP控制继电器，物联网DIY入门新手指南

题目

大家好，超子能力有限，技术不高，有什么错误的地方，欢迎批评指正。超子之前写过一篇STM32单片机配合ESP8266的WiFi模块接入阿里云生活物联网平台的DIY实验，有小伙伴问我51单片机能不能实现，答案是能。那么今天超子就给大家介绍下51单片机的实现方法。

程序设计中，我们使用的软件是Keil集成开发环境，C语言编写。如果大家想要程序源码的话，可以私信我，超子不是专业的程序员，水平不高，大家不嫌弃就行。

一说到51单片机的型号那就太多了，因为我们要使用MQTT协议对接阿里云生活物联网平台，所以对RAM空间要求比较多，一些常见的型号比如89C51，89C52，因为RAM空间太少不能用，所以我们本次DIY程序设计使用的单片机型号是STC12LE5A60S2。

ESP8266模块是通过串口AT指令控制的那种，网上有很多，价格也比较便宜，非常适合我们做DIY。

虽然我们前面使用STM32单片机做了第一个DIY设计，但是考虑到有些小伙伴，没有看过，所以超子还是说的详细一点，把每一个步骤再重新走一遍。

图1

首先进入我们自己的阿里云生活物联网平台，然后创建项目，我们就创建一个51单片机DIY项目吧，以后所有51单片机相关的DIY设计，我们都加入到这个项目内。

图2

项目建立完毕后，可以在项目列表中，看到51单片机DIY项目，旁边的第一个DIY设计项目，是上次STM32单片机DIY设计时建立的。然后我们点击51单片机DIY项目，进入项目管理界面。

图3

接下来，我们需要创建新产品。

图4

产品名称就叫51单片机插座，大家也可以起自己喜欢的名字。然后所属品类选择电工照明下的插座。节点类型选择设备，不接入网关，因为ESP8266可以连接WiFi路由器，直接具备接云的能力，所以是直连设备，不需要网关。连网方式一定要注意，虽然ESP8266是WiFi模块，但是不能选择WiFi连网，因为我们使用的是通用的，AT指令控制的ESP8266，没有在阿里云生活物联网平台认证，不兼容阿里云生活物联网平台APP的配网协议，如果我们选择WiFi方式的话，配网过不去，程序设计就无法进行了。所以我们取个巧，使用蜂窝连接方式，跳过阿里云生活物联网平台APP的配网，我们可以用ESP8266模块自己的APP配网或是直接把WiFi的SSID以及密码写在程序里。然后数据格式选择JSON，不适用ID2认证，最后点击完成就行了。

图5

产品建立完成后，我们要先进行第1步的功能定义的设置，我们选择的是电工照明分类下的插座，所以阿里云生活物联网平台自动帮我们添加了电源开关的功能属性。所以这一步我们不需要做什么额外的设置，直接点击下一步：设备调试。

图6

我们新建设备的时候，为了跳过配网协议，所以故意选择了蜂窝的连接方式，所以我们随便选一个通过认证的模组就行，选哪个型号都不会影响我们的DIY设计。

图7

选好模组后，我们点击新增测试设备，每个产品下可以添加最多50个免费的测试设备，我们做DIY程序设计，50个足够我们用了。

图8

新增测试设备时，我们要输入设备名称，就叫D001吧，超子喜欢用这种编号命名设备，大家可以根据喜好自己设置设备名称，然后点击确定就行。

图9

然后会弹出激活凭证，也就是三元组信息，这个是登录阿里云生活物联网平台的认证信息，稍后我们修改51单片机C语言程序时要用到这些重要信息。然后我们点击下一步：人机交互。

图10

和使用STM32单片机做DIY设计时一样，我们使用阿里云生活物联网平台的公版APP，也就是云智能APP。我们打开上图中红圈所示的开关。

图11

然后我们点击未设置，选择一个界面。

图12

自己喜欢哪个，选一个就行，然后点击确认。

图13

然后页面下方，我们要配置APP功能，同STM32单片机DIY时一样，我们主要设置多语言管理，填写品牌名称，设备名称，产品编号等等，大家根据喜好自己填一个就。最下方我们看到了天猫精灵，插座是天猫精灵支持的品类，所以可以直接绑定天猫精灵的账号，用天猫精灵控制开关，非常方便。然后我们点击下一步：批量投产。

图14

我们勾选上充分了解的对勾，然后点击开发完成，到此我们整个项目的配置就算完成了，就下来我们要修改51单片机的程序了。

图15

首先看esp8266.c源文件，wifi_mode变量用于设置使用哪种方式进行配网，大家根据注释自行选择就行，如果选择0的话，SSID和密码要在esp8266.h头文件中设置。

图16

然后我们需要修改mqtt.h头文件中的6个字符串，最麻烦的就是第3个，也就是MQTT协议中CONNECT报文中的包含的密码信息。我们一个一个来，讲一下怎么修改。

我们先看第6个需要修改的字符串，服务器的域名，格式如下所示：

*.iot-as-mqtt.cn-shanghai.aliyuncs.com

我们把*号替换成我们自己设备的ProductKey，这个ProductKey就是我们新建设备时弹出的3元组信息，图9所示，以我新建的设备作为例子，我们修改一下，最终结果如下：

a1jWDQfzbVB.iot-as-mqtt.cn-shanghai.aliyuncs.com

然后看第4和第5个字符串， 都是Topic主题，第4个set是用来接收控制开关命令推送的Topic，我们需要订阅它，第5个post是用来往服务器上传数据的，这次的实验post不是关键点。那么这两个Topic再那找呢？看下图。

图17

测试设备点击红圈圈中的查看。

图18

然后在Topic列表下，可以看到post和set，根据自己设备的实际内容，修改程序中第4和第5个字符串即可。

接下来看第1个字符串，也就是MQTT协议中CONNECT报文中包含的客户端ID信息，格式如下：

*|securemode=3,signmethod=hmacsha1|

其中*号是设备名称，以我的设备为例，修改一下，结果如下：

D001|securemode=3,signmethod=hmacsha1|

然后再看第2个字符串，也就是MQTT协议中CONNECT报文中包含的用户名信息，格式如下：

*&#

其中*号是设备名称 ，#号是ProductKey，都是图9中的三元组信息，就以我的设备为例，修改一下，结果如下：

D001&a1jWDQfzbVB

最后再看最麻烦的第3个字符串，也就是MQTT协议中CONNECT报文中包含的密码信息，需要经过一步加密，我们先要构建待加密的明文字符串，格式如下：

clientId*deviceName*productKey#

其中*号是设备名称 ，#号是ProductKey，以我的设备为例，修改一下，结果如下：

clientIdD001deviceNameD001productKey a1jWDQfzbVB

加密用的秘钥是图9中，三元组信息里的DeviceSecret，我们网上找一个加密算法的网站。

图19

我们复制待加密的字符串和密钥的时候，一定要多检查，不要多空格，不要多回车，错一点加密后的结果都不会正确的，所以大家一定要小心。加密后的结果就是第3个字符串的内容，到此6个需要修改的字符串我们都修改完毕了，重新编译程序，下载到开发板就行了。然后我们再回到阿里云生活物联网平台。

图20

我们进入第3步，人机交互设置页面，我们点击红圈所示的内容，然后弹出页面，需要我们填写设备名称，以我的为例，填上D001，然后就可以生成我们需要的，添加设备的二维码，因为文章中不能出现二维码，所以超子就不展示了。到此我们本次51单片机的DIY程序设计，基本就完成了。

想要程序的小伙伴，可以举手哦~~~

基于单片机的双电源自动切换开关控制器

武彦飞，童峥嵘，邢文华，王俊峰

（天津理工大学 计算机与通信工程学院，天津 300384）

摘要 ：设计了一种以STC单片机为核心的双电源自动转换开关控制器，具有自动检测、诊断和控制的功能。系统电源出现故障时，短时间内能够自动从故障电源切换到备用电源供电。给出了该控制器的硬件及软件设计方案。该控制器切换时间短且抗干扰性强，具有较高的可靠性。

0引言

随着社会科技的发展与进步，生活水平的日益提高，人们对电的依赖性逐渐加强，电力系统的连续可靠性成为保障正常生活的重要指标。特别是一些重要用电场所（医院、机场、大型生产线、银行等），电力系统出现故障时，如果不能及时供电，将会带来巨大损失［1］。自动转换开关(Automatic Transfer Switching Equipment，ATSE）便是为了确保供电连续而设计的。ATSE 由开关主体和其他必需的电器组成，设有监测电源电路对电源进行故障检测，并且能够自动将一个或几个负载电路从一个电源转换至另一个电源［2］。1992年在上海金茂大厦的设计中我国首次引入ATSE，此后在我国的建筑工程等领域，这种开关装置得到了普遍应用［3］。国际电工委员会标准将ATSE分为CB级和PC级。CB级ATSE结构复杂、体积大、切换时间长且可靠性较差，故随着ATSE技术的不断进步，其应用领域逐渐缩小。PC级ATSE结构简单、体积小、切换时间短且安全可靠，近年来逐渐占据了ATSE的主流市场［4］。

本文设计了一种以STC单片机为控制核心的双电源自动转换开关控制器。系统设有常用与备用两个电源，正常情况下常用电源供电；设有电压检测模块对常用、备用电源电压进行实时监测；设有单片机控制模块对采集电压进行处理与判断，并根据判断结果发出相应控制命令；设有电机与电闸切换模块响应单片机的控制命令，快速进行电源切换动作。当系统判断常用电源出现故障（如欠压、过压、断相）时，各模块协同运作，自动切换到备用电源供电；当系统判断常用电源恢复正常时，再自动切换回常用电源供电。STC单片机具有体积小、数据处理速度快、抗干扰性强和功耗低的特点［3］，保障该控制器的有效性。相较于传统的以单片机为基础的双电源自动转换开关控制器，为了提高本控制器的抗干扰能力，在电压检测电路中加入光电隔离电路和滤波电路，有效隔离环境、电磁场等因素的干扰；软件采用C语言及其内核函数编程，语法灵活；用内部逻辑关系代替实际的硬件连接，避免大量中间连线的干扰，保障该控制器的可靠性。

1系统总体设计

系统主要由电压检测模块（常用电检测和备用电检测）、电机模块、电闸模块、按键控制模块以及故障报警模块组成，结构框图如图1所示。电源模块在常用电源与备用电源之间选择一路为单片机供电［5］;电压检测模块

对常用电源与备用电源各个相的电压进行检测，检测结果作为采样值送入单片机。单片机对接收到的信号进行处理与判断，当检测出常用电源有任意一相电压信号不正常时，单片机对继电器与电机发出控制命令，使电机反转，备用电闸闭合，控制面板上备用电源指示灯亮，备用电源供电；当检测出常用电源恢复正常后，单片机对继电器与电机发出控制命令，使电机正转，备用电闸断开，常用电闸闭合，从备用电源切换到常用电源供电，控制面板上常用电源指示灯亮。同时设计故障报警模块和按键控制模块，便于及时进行故障检修以及人工切换电源。

系统实现的主要功能如表1所示。状态1表示继电器控制电机，保持常用电闸闭合，系统使用常用电源。状态2表示继电器控制电机，使备用电闸闭合，系统使用备用电源，系统向外报警，常用电故障。状态3表示继电器控制电机，保持常用电闸闭合，系统使用常用电源，系统向外报警，备用电源故障。状态4表示系统不工作。

2硬件设计

2.1实时电压检测

电压检测电路对常用电源与备用电源输入的三相交流电压（NA、NB、NC）进行检测，系统采集三相电压值作为常用电源与备用电源正常的标志。当检测到其中任何一相电压不正常时，表明电源发生故障。通过STC204D2单片机A/D模块编程把所采集到的信号模拟量转换为数字量,判断常用电源是否供电正常，进而控制继电器，驱动电机切换电源。在电压信号检测电路中加入光电耦合电路和滤波电路，增强控制器硬件抗干扰能力。

STC204D2单片机内部A/D转换采用均方根算法，电压的公式可以表示为：

式中：U为模拟量转换为数字量的电压值；T为采样时间；uL(t）为采样电压瞬时值。

由于采集到的都是不连续的点，所以将公式离散后进行数字化。离散后的公式为：

式中：N为每个周期的采样点个数；uLj为第j个电压采样值。

常用电源火线NA作为电源部分为系统供电，如图2所示。经过变压器后输出12 V交流电，在R2与R3之间进行分压。变压器输出为正电压时，NA点为正常分压；变压器输出为负电压时，由于二极管D1的钳位电压作用，NA将固定在-0.7 V。最终将检测值输出到单片机A14口。系统采集NA的值作为常用电正常的标志之一。

对图2电路进行仿真，NA点输出波形如图3所示。输入为220 V 50 Hz交流电，测得NA点电压值约为1.94 V。

常用电火线NB与NC一同检测，如图4所示。NB信号经过R4、R5、R6分压，经过第一个光电耦合器U1输出，作为第二个光电耦合器U2的集电极输入。其中C4的作用是使第二个光电耦合器输入电压稳定，C5与R10的作用是将信号转变为高电平输出给单片机。NB与NC间存在相位差，同时有电时NBC处能够检测到直流信号，最终输出给单片机A13口。NBC电压作为常用电的标志之一。

对图4电路进行仿真，第一个光电耦合器输出NB点与NBC点的输出波形如图5。第一个光电耦合器导通，输出电压降低，为C4充电，两个光电耦合器依次导通，为NBC逐渐充到高电平的电压，输入为220 V 50 Hz交流电，仿真得到NBC点电压值约为4.3 V。检测时间为0.2 s。

2.2常用、备用电源切换的硬件实现

系统存在常用、备用两路电源，各由一个电闸控制。两个电闸间设计一个由电机控制的切换装置，电机正转时， 图6电机控制电闸示意图

常用电闸闭合，常用电源供电。电机反转时，备用电闸闭合，备用电源供电，如图6。

单片机通过cont0、cont1、cont2三个端口控制继电器J3、J1、J2，实现电机供电选择、电机旋转方向选择的功能［6］，最终控制电机进行常用、备用电源切换，如图7。cont2驱动J2在常用电与备用电之间选择一路电为电机供电；cont0驱动J3控制电机的正转与反转。若J2直接同时接入常用电与备用电，则切换时电流较大，容易产生火花，比较危险，故设计cont1驱动J1控制备用电的接入，在J2接入备用电之前对备用电进行断开处理，仅当常用电不正常需要备用电时再去接通。

3软件设计

软件设计部分包括显示程序与控制程序。显示程序用来显示检测到的实时电压值，供人工查询；控制程序用来实现单片机对继电器与电机的控制，完成常用、备用电源之间的转换。图8为控制程序流程图。软件程序采用C语言及其内部特定的内核函数编写，提高了程序运行效率；采用“指令冗余”技术，多编写单字节指令，在双字节、三字节指令后面加两条单字节指令NOP，增强了控制器软件抗干扰能力［7］。

首先，对单片机以及继电器进行初始化设置。然后，对常用电源电压值进行判断。如果常用电源三相电压值均正常，则继续对备用电源输入电压值进行判断：备用电源正常，重新初始化进行新一轮判断；备用电源不正常，则备用报警，持续检测备用电源直至其正常为止。如果常用电源有任一相电压不正常，则常用报警，备用合闸，使备用电源供电，之后持续对常用电源进行检测直至其恢复正常，备用断闸，常用合闸，常用电源重新供电，初始化进行新一轮判断。

系统软件与硬件相结合，经过调试后，能够使单片机双电源自动切换开关控制器正常运行，完成电源切换的功能。

对控制器进行测试，测试内容如下：

测试条件：常用电正常，然后断路（NA、NB、NC全为0 V），备用电正常。

测试结果：常用报警，备用电合闸，由备用电供电，切换时间约1 s。

结果分析：在信号采集阶段，图4中NB、NC经两个光电耦合在NBC处得到稳定电压值约用时0.2 s，电闸动作0.8 s。

4结论

本文设计了一种以单片机为核心的双电源自动转换开关控制器，并对其硬件与软件设计进行了深入讨论。该控制器的电压检测模块能够实时检测常用、备用电源的供电状况；系统能够自动判断电源出现的各种故障（如断相、欠压、过压等），并快速进行电源切换；控制面板能够显示当前供电状态供人工查询。与此同时，系统信号采集采用均方根算法，保证了数据的精确性与可靠性；软件编程采用C语言，语法灵活、运行速度快、效率高；在系统的硬件与软件设计中均采取了抗干扰措施，显著提高了控制器的可靠性。

参考文献

［1］ 王舜尧，姚建军，王汝文．一种多功能双电源转换智能控制器［J］.低压电器，2002(4) : 2931.

［2］ GB/T14048.112008．低压开关设备和控制设备［S］．2008.

［3］ 陈众励.ATSE应用中需关注的几个问题［J］.电气应用，2006(5):155157.

［4］ 康洪富，张兴波.基于STC系列单片机的智能温度控制器设计［J］.电子技术应用，2013,39(5):8688.

［5］ 赵荣康.智能型双电源开关控制器的设计 ［J］.微型机与应用，2010,29(15)：2224.

［6］ 苏和，时述有.SSR控制的电动机正反转电路设计［J］.电子技术应用，2009,35(12)：6566.

［7］ 杨开宇，柯慧，高印寒，等.智能压装力单片机测控系统的抗干扰设计［J］.计算机测量与控制,2013，21(11):29262928.

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