1. 家庭主婦MiniPLC背后的故事

這個(gè)項(xiàng)目的靈感來(lái)自于一個(gè)明確的需求：一個(gè)多功能的PLC系統(tǒng)，可以服務(wù)于家庭自動(dòng)化和輕工業(yè)應(yīng)用。

我們想要制造一些適合智能家居的東西——但要有工業(yè)級(jí)硬件的耐用性和可靠性。這意味著使用高質(zhì)量的繼電器，強(qiáng)大的輸入和輸出浪涌保護(hù)，以及專注于電氣穩(wěn)定性的設(shè)計(jì)。

我們的主要目標(biāo)是創(chuàng)造一種設(shè)備，其中外設(shè)，如燈，開(kāi)關(guān)和傳感器通過(guò)物理電線連接，而控制器本身通過(guò)Wi-Fi或以太網(wǎng)與家庭服務(wù)器通信。

我們還希望系統(tǒng)是模塊化的，允許根據(jù)安裝靈活配置，無(wú)論是在住宅環(huán)境還是小型設(shè)施中。

從這個(gè)愿景出發(fā)，我們的產(chǎn)品概念誕生了：一個(gè)緊湊的，可擴(kuò)展的控制器，具有日常自動(dòng)化任務(wù)所需的所有核心輸入和輸出，包括：

?照明控制

?加熱系統(tǒng)

?灌溉

?安防報(bào)警一體化

?能源監(jiān)測(cè)

?泄漏檢測(cè)

還有更多……

我們選擇基于ESPHome的固件，與無(wú)縫的家庭助理集成，這樣用戶就可以用最小的努力構(gòu)建強(qiáng)大的，可擴(kuò)展的自動(dòng)化系統(tǒng)。

homaster MiniPLC的開(kāi)發(fā)花費(fèi)了幾個(gè)月的專門(mén)工作，實(shí)驗(yàn)和改進(jìn)。

為了達(dá)到目前的穩(wěn)定設(shè)計(jì)，我們進(jìn)行了四次PCB修改。每個(gè)組件都是通過(guò)真實(shí)世界的測(cè)試和不斷的迭代來(lái)選擇的。例如，我們測(cè)試了多個(gè)LED燈管——選擇一個(gè)，替換它，然后再次測(cè)試——直到我們找到最適合的可見(jiàn)性和耐用性。

圈地也經(jīng)歷了重大的演變。我們?cè)O(shè)計(jì)了兩種外殼的原型，每一種都有不同的機(jī)械布局和組件位置，以優(yōu)化安裝。

在第一個(gè)原型中，我們將RTD和以太網(wǎng)模塊作為單獨(dú)的電路板。在第二次修訂中，我們決定將以太網(wǎng)直接集成到主板中，以獲得更好的可靠性。在第三個(gè)設(shè)計(jì)中，我們還刪除了RTD模塊，并將RTD接口直接放在主板上，從而簡(jiǎn)化了整體設(shè)計(jì)。

我們測(cè)試了幾種類型的繼電器，以確保長(zhǎng)期的工業(yè)級(jí)性能，以及各種RJ45連接器，USB端口和螺釘端子，以保證牢固的電氣連接和易于安裝。

每個(gè)組件，直到終端模塊，都是根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試、性能和實(shí)際用例進(jìn)行選擇的。

這就是“家庭主婦迷你plc”誕生的原因。

最后，我們開(kāi)發(fā)了一個(gè)具有以下主要功能的控制器：

2. 功能一覽

?輸入電壓：支持寬范圍的輸入功率：

24V DC或120V-370V DC

85V-265V AC / 47 - 63hz

?USB: USB Type-C接口，用于編程和診斷。

?RS-485 (Modbus RTU)：內(nèi)置RS-485接口，通過(guò)Modbus協(xié)議連接擴(kuò)展模塊。

?以太網(wǎng)：采用LAN8720A以太網(wǎng)PHY芯片的有線網(wǎng)絡(luò)接口。

?Wi-Fi和藍(lán)牙無(wú)線通信通過(guò)板載ESP32，支持Wi-Fi和藍(lán)牙。

?LED和按鈕：4個(gè)前置按鈕用于手動(dòng)控制或用戶輸入，狀態(tài)led提供系統(tǒng)狀態(tài)反饋。

?RTC(實(shí)時(shí)時(shí)鐘)：集成PCF8563 RTC精確計(jì)時(shí)，即使離線。

?顯示：SH1106 OLED顯示屏，用于實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)或狀態(tài)顯示。

?蜂鳴器：用于警報(bào)和系統(tǒng)通知的內(nèi)部蜂鳴器。

?MicroSD卡：用于數(shù)據(jù)記錄、擴(kuò)展配置或固件存儲(chǔ)的MicroSD卡插槽。

?繼電器：6個(gè)光隔離工業(yè)繼電器，具有壓敏電阻保護(hù)，安全開(kāi)關(guān)和長(zhǎng)期耐用性。

?數(shù)字輸入：4個(gè)數(shù)字輸入(24V DC)，采用ISO1212 IC，提供浪涌保護(hù)和可靠的信號(hào)讀取。

?RTD輸入：2個(gè)RTD通道通過(guò)MAX31865芯片與2 /3 /4線傳感器兼容。

?模擬輸入：4個(gè)模擬輸入通道(0-10V)，采用ADS1115 ADC，具有ESD和過(guò)壓保護(hù)。

?模擬輸出：1個(gè)模擬輸出通道(0-10V)，由MCP4725 DAC供電，也可以防止ESD和電壓尖峰。

?1線支持：2個(gè)隔離的1線通道，集成ESD和過(guò)壓保護(hù)，用于穩(wěn)健的傳感器通信。

3. 硬件概述

由于某些gpio會(huì)影響ESP32-WROOM的啟動(dòng)方式，例如GPIO0、GPIO2、GPIO12和GPIO15，因此我們徹底測(cè)試了多種配置。我們最終確定了引腳布局，以確?？煽康膯?dòng)，同時(shí)避免與這些關(guān)鍵的啟動(dòng)引腳沖突：

為了滿足家庭自動(dòng)化和小型設(shè)施控制的需求，我們需要更多的數(shù)字I/ o， RTD溫度傳感和高分辨率模擬輸入。為了實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)，我們使用PCF8574數(shù)字I/O擴(kuò)展器，16位ADS1115 ADC和MCP4725 DAC擴(kuò)展功能。

這個(gè)框圖顯示了家用微型plc的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。其核心是ESP32-WROOM模塊，負(fù)責(zé)管理所有輸入、輸出和通信。

4. 系統(tǒng)示意圖

MCU板-中央處理單元和通信樞紐

在GitHub上查看原理圖(MCU_Board.pdf)文件

單片機(jī)板是MiniPLC系統(tǒng)的核心。它不僅包含主微控制器，還集成了多個(gè)通信ic和信號(hào)接口。主要組件和功能包括：

?I/O擴(kuò)展ic用于擴(kuò)展數(shù)字I/O功能

?用于獲取和生成模擬信號(hào)的ADC/DAC

?用于精確溫度測(cè)量的RTD接口電路

?以太網(wǎng)接口，用于網(wǎng)絡(luò)通信和遠(yuǎn)程控制

?CP2101 USB- uart橋接USB連接

?完全集成的I2C和SPI總線外設(shè)通信

該板管理所有邏輯執(zhí)行、傳感器接口、控制信號(hào)處理以及與外部系統(tǒng)的通信。

繼電器板- I/O擴(kuò)展和電源接口

在我們的GitHub上查看原理圖(Relay_Board.pdf)文件

繼電器板作為MiniPLC的主要I/O接口，支持?jǐn)?shù)字和模擬信號(hào)處理以及電源管理和魯棒信號(hào)保護(hù)。它包括:

?用于切換外部負(fù)載的多個(gè)機(jī)電繼電器

?ISO1212輸入保護(hù)IC，用于安全處理工業(yè)數(shù)字輸入

?保護(hù)電路RS-485和1線通信接口

?用于調(diào)節(jié)24V至5V和12V電源的DC-DC轉(zhuǎn)換器(用于模擬DAC輸出)

?MYRRA隔離電源模塊支持：120-370V直流輸入，85-265V交流@ 47 - 63hz

該電路板確保與外部系統(tǒng)的安全可靠的接口，并保護(hù)敏感的控制電子設(shè)備免受環(huán)境影響。

USB板- SD卡和USB接口

在我們的GitHub上查看原理圖(USB_Board.pdf)文件

USB板是一種緊湊的接口模塊，主要用于簡(jiǎn)化連接。它包括:

?MicroSD讀卡器，用于本地?cái)?shù)據(jù)記錄或固件更新

?用于與主機(jī)系統(tǒng)通信的USB連接器

這個(gè)電路板上沒(méi)有額外的功能組件;它旨在簡(jiǎn)化安裝和與MCU板的模塊化接口。

6. 物理設(shè)計(jì)概述

為了更好地理解MiniPLC的結(jié)構(gòu)，我們來(lái)看看內(nèi)部布局和組成系統(tǒng)的實(shí)際pcb。

機(jī)箱包含三個(gè)主控板：MCU板、Relay板和USB/SD接口板。它們通過(guò)頭和連接器相互連接。

7. 軟件與配置

homaster MiniPLC預(yù)裝了ESPHome，使其可以連接到您的Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)，并與家庭助理集成。初始設(shè)置很簡(jiǎn)單，可以通過(guò)內(nèi)置的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器完成，你可以在幾分鐘內(nèi)配置Wi-Fi并使設(shè)備上線。

固件更新和自定義配置可以通過(guò)ESPHome儀表板以多種方式上傳：

?通過(guò)USB type-C

?無(wú)線通過(guò)Wi-Fi (OTA)

?或者直接使用內(nèi)部web服務(wù)器

MiniPLC由ESP32芯片供電，包括一個(gè)USB接口，這意味著它也可以使用任何ESP32兼容的IDE編程，例如：

?Arduino IDE

?PlatformIO

?ESP-IDF

這種靈活性允許初學(xué)者和高級(jí)用戶完全定制MiniPLC的功能，以滿足他們特定的自動(dòng)化需求。

查看默認(rèn)的miniplc。我們的GitHub上的配置文件

本文編譯自hackster.io