基于NodeMCU的采樣電路設(shè)計(jì)

前言

畢設(shè)需要測(cè)量一個(gè)電路的電壓和電流，從而計(jì)算出來功率。這個(gè)電路是和移動(dòng)設(shè)備綁在一起的，所以測(cè)量的信號(hào)要通過WiFi傳遞出來。而接收信號(hào)的方法，可以是網(wǎng)頁(yè)接收或者app，app太復(fù)雜了，所以寫一個(gè)前端小網(wǎng)頁(yè)要簡(jiǎn)單得多。

1. 硬件設(shè)計(jì)

硬件電路主要就是一個(gè)采樣電路和一個(gè)單片機(jī)：NodeMCU。

1.1. 采樣電路

這個(gè)采樣電路的作用就是讓需要采樣的數(shù)據(jù)從它流過，然后采集返回?cái)?shù)據(jù)。

電路圖的上半部分就是對(duì)經(jīng)過的電壓電流采樣的電路。P1輸入的電壓范圍為010V，所以在紅框1中使用兩個(gè)20kΩ的分壓電阻使得采樣的電壓范圍為05V，為什么分壓到這個(gè)范圍，是因?yàn)橹蟮?a target="_blank">ADS1115只能采樣到0~VCC的電壓，而該芯片的電壓在該電路中設(shè)計(jì)為5V。如果輸入電壓范圍更寬的話，可以適當(dāng)調(diào)整分壓電阻的大小。

紅框1中還有一個(gè)電流采樣點(diǎn)R3，它是0.2Ω的采樣電阻，這樣會(huì)將電流轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)，傳遞給ADS1115采樣。在這個(gè)電路中，如果過3A的電流，采樣電阻上就有0.6V的電壓傳遞給ADS1115。采樣電阻可以更大，這樣采得的電流數(shù)據(jù)就更準(zhǔn)確。但是，電阻太大導(dǎo)致?lián)p耗也會(huì)增大，同時(shí)壓降也會(huì)很大。主電路是要給后續(xù)設(shè)備供電的，采樣壓降太大，后續(xù)設(shè)備也會(huì)受影響。

紅框2中就是采樣信號(hào)的芯片：ADS1115，它有四個(gè)采樣腳，可以差分采樣和單獨(dú)采樣。通過SCL和SDA兩個(gè)管腳以I2C的方式和單片機(jī)連接，從而將采樣的信號(hào)傳輸出去。在本文中，單片機(jī)用的是NodeMCU。

采樣電路通過穩(wěn)壓芯片產(chǎn)生一路5V輸出給NodeMCU供電，同時(shí)SCL、SDA兩個(gè)管腳接受NodeMCU的控制，將采樣數(shù)據(jù)傳遞出去。

1.2. NodeMCU

NodeMCU是一個(gè)開源的物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)。它使用Lua腳本語(yǔ)言編程。該平臺(tái)基于eLua開源項(xiàng)目，底層使用ESP8266 sdk 0.9.5版本。該平臺(tái)使用了很多開源項(xiàng)目，例如 lua-cjson，spiffs。NodeMCU包含了可以運(yùn)行在esp8266 WiFi SoC芯片之上的固件,以及基于ESP-12模組的硬件。

本文中使用的是D1 mini版的NodeMCU，該開發(fā)板上集成了esp8266芯片，它可以用來產(chǎn)生熱點(diǎn)或者連接WiFi，從而構(gòu)成一個(gè)服務(wù)器。這個(gè)開發(fā)板可以讓開發(fā)者以arduino的方式進(jìn)行編程設(shè)計(jì)，只不過需要在arduino IDE上導(dǎo)入對(duì)應(yīng)的開發(fā)板即可。

2. 軟件設(shè)計(jì)

2.1. arduino ide添加開發(fā)板

進(jìn)入arduino ide的首選項(xiàng)

回到主面板，進(jìn)入"工具->開發(fā)板->開發(fā)板管理器"，在如下圖中輸入esp：

安裝即可實(shí)現(xiàn)新開發(fā)板的添加。

在開發(fā)板中就可以看到NodeMCU的選擇。

2.2. 建立網(wǎng)絡(luò)

arduino有相關(guān)的ESP8266WIFI庫(kù)來操作WiFi，建立網(wǎng)絡(luò)。

首先，這個(gè)開發(fā)板既可以連接WiFi，也可以創(chuàng)建熱點(diǎn)讓其他設(shè)備連接。兩種方式都可以為之后的服務(wù)器做準(zhǔn)備。

2.2.1. 連接WiFi

首先導(dǎo)入ESP8266WiFi.h頭文件，該文件可以在庫(kù)管理中添加WiFi庫(kù)獲得。

在setup函數(shù)中通過WiFi.begin(ssid, password);發(fā)起連接WiFi的調(diào)用，然后通過while不斷輪詢WiFi.status()檢測(cè)是否連接成功。

如果連接成功，在串口上打印出它獲得的IP。

// Import required libraries
#include < ESP8266WiFi.h >


// WiFi parameters
const char* ssid = "MI8pro";
const char* password = "12345600";


void setup(void)
{
  // Start Serial
  Serial.begin(115200);

  // Connect to WiFi
  WiFi.begin(ssid, password);
  while (WiFi.status() != WL_CONNECTED) {
    delay(500);
    Serial.print(".");
  }
  Serial.println("");
  Serial.println("WiFi connected");

  // Print the IP address
  Serial.println(WiFi.localIP());
}

void loop() {
}

2.2.2. 開啟熱點(diǎn)

使用NodeMCU產(chǎn)生一個(gè)熱點(diǎn)，因?yàn)镹odeMCU沒有和外部網(wǎng)絡(luò)連接，所以這個(gè)熱點(diǎn)是局域網(wǎng)式的。

很簡(jiǎn)單，就是在setup中通過WiFi.softAP函數(shù)來開啟熱點(diǎn)。

在此基礎(chǔ)上可以進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的連接?？梢栽?.2.1節(jié)代碼中添加重試次數(shù)，如果重試多次還無法連接到對(duì)應(yīng)WiFi，就自己建立熱點(diǎn)。

不過后期，為了便捷開發(fā)，只是使用WiFi連接來建立網(wǎng)絡(luò)。

#include < ESP8266WiFi.h >


IPAddress local_IP(192,168,0,100);
IPAddress gateway(192,168,0,100);
IPAddress subnet(255,255,255,0);


void setup()
{
  Serial.begin(115200);
  Serial.println();


  Serial.print("Setting soft-AP configuration ... ");
  Serial.println(WiFi.softAPConfig(local_IP, gateway, subnet) ? "Ready" : "Failed!");


  Serial.print("Setting soft-AP ... ");
  Serial.println(WiFi.softAP("ESPsoftAP", "12345600", 1, false, 10) ? "Ready" : "Failed!");


  Serial.print("Soft-AP IP address = ");
  Serial.println(WiFi.softAPIP());
}


void loop() {}

2.3. 服務(wù)器

arduino也有相應(yīng)的庫(kù)來建立HTTP服務(wù)器。

這個(gè)服務(wù)器主要處理兩個(gè)路徑的請(qǐng)求：/和/get。其中，根目錄就是返回給瀏覽器一個(gè)網(wǎng)頁(yè)，而網(wǎng)頁(yè)中會(huì)通過js不停向/get發(fā)送請(qǐng)求，獲取采集的電壓電流等數(shù)據(jù)。

網(wǎng)頁(yè)如下。

< !DOCTYPE html >
< script src='https://cdn.bootcdn.net/ajax/libs/jquery/3.5.1/jquery.js' >< /script >
< h1 >current and voltage sample< /h1 >
< br/ >
< body >
< script type='text/javascript' >
    $(function () {
        setInterval(reflush, 1000)
    })
    function reflush() {
        $.getJSON('./get', function(json) {
            //解決原生js更新數(shù)據(jù)產(chǎn)生頁(yè)面閃爍的問題
            $('#tmp')[0].innerHTML = json.voltage
            $('#voltage').html($('#tmp').html())


            $('#tmp')[0].innerHTML = json.current
            $('#current').html($('#tmp').html())


            $('#tmp')[0].innerHTML = json.power
            $('#power').html($('#tmp').html())


            $('#tmp')[0].innerHTML = json.serial
            $('#serial').html($('#tmp').html())
        })
    }
< /script >
    < label id='tmp' hidden >< /label >
    < label >voltage: < /label >
    < b >
        < i >
            < label id='voltage' >0.00< /label >
        < /i >
    < /b >
    V< br/ >
    < label >current: < /label >
    < b >
        < i >
            < label id='current' >0.00< /label >
        < /i >
    < /b >
    A< br/ >
    < label >power: < /label >
    < b >
        < i >
            < label id='power' >0.00< /label >
        < /i >
    < /b >
    W< br/ >
    < label >serial-number: < /label >
    < b >
        < i >
            < label id='serial' >0.00< /label >
        < /i >
    < /b >
< /body >

首先導(dǎo)入頭文件，并定義全局變量server并定義對(duì)應(yīng)的handler。在handleRoot中會(huì)直接將上述網(wǎng)頁(yè)返回，而在handleGet中會(huì)將電壓、電流、功率等數(shù)據(jù)通過json的形式返回給客戶端。為了表示數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性，還附帶了一個(gè)序列號(hào)，序列號(hào)在網(wǎng)頁(yè)上的變化，表示了數(shù)據(jù)是實(shí)時(shí)接收的。

#include < ESP8266WebServer.h >
#include < ArduinoJson.h >


//Web Server
ESP8266WebServer server(8080);


void handleRoot() {
  server.send(200, "text/html", rootpage);  
}
void handleGet() {
  StaticJsonDocument< 100 > json;
  json["voltage"] = voltage;
  json["current"] = current;
  json["power"] = power;
  char serial[100];
  sprintf(serial, "0x%x", millis());
  json["serial"] = serial;
  char msg[measureJson(json) + 1];
  serializeJson(json, msg, measureJson(json) + 1);
  server.send(200, "text/plain", msg);
  Serial.printf("handleGet: %sn", msg);
}

然后在setup()函數(shù)中配置對(duì)應(yīng)的handler。

server.on("/", HTTP_GET, handleRoot);
  server.on("/get", HTTP_GET, handleGet);
  server.begin();

在loop()函數(shù)中處理客戶端的請(qǐng)求，其實(shí)也就是調(diào)用一個(gè)函數(shù)，在loop這個(gè)死循環(huán)中不停處理請(qǐng)求。

//server處理客戶端的請(qǐng)求
  server.handleClient();

2.4. 采樣

采樣是通過arduino的一個(gè)ADS1115庫(kù)來實(shí)現(xiàn)的，也是很簡(jiǎn)單。

首先導(dǎo)入需要的庫(kù)，并實(shí)例化一些對(duì)象。

#include < Adafruit_ADS1015.h >


// 電壓電流測(cè)量
Adafruit_ADS1115 ads(0x48);
float voltage = 5.00;
float current = 1.11;
float power = voltage * current;

在setup()函數(shù)中開啟ADS芯片，這個(gè)是很重要的。

ads.begin();

然后在loop()函數(shù)中，獲取硬件電路中的ADS1115芯片四個(gè)采樣腳的電壓，進(jìn)一步獲得電壓和電流值，0.1875是電壓因數(shù)。

因?yàn)锳DS采樣腳的輸入阻抗問題，測(cè)得的電壓值和實(shí)際的電壓值是有偏移的，不過是線性偏移。只要求兩組采樣值x和實(shí)際值y，然后通過y=ax+b來求得其系數(shù)。

//ADC電壓電流采集，功率計(jì)算
  int16_t adc0, adc1, adc2, adc3;
  adc0 = ads.readADC_SingleEnded(0);
  adc1 = ads.readADC_SingleEnded(1);
  adc2 = ads.readADC_SingleEnded(2);
  adc3 = ads.readADC_SingleEnded(3);
  // AD測(cè)得的值
  voltage = ((adc0 - adc1) * 0.1875) / 1000;
  current = (adc3 - adc2)*0.1875 / 1000;


  //矯正，通過取兩個(gè)點(diǎn)求斜率y=ax+b,a=2.028,b=1.1568,x是測(cè)量值,y是實(shí)際輸入電壓值
  voltage = 2.028 * voltage + 1.1568;
  //current就是測(cè)得的電壓除以采樣電阻0.2
  current = current * 5;

  power = voltage * current;