1. 家庭主婦MiniPLC背后的故事

這個項目的靈感來自于一個明確的需求：一個多功能的PLC系統(tǒng)，可以服務(wù)于家庭自動化和輕工業(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，強大的輸入和輸出浪涌保護，以及專注于電氣穩(wěn)定性的設(shè)計。

我們的主要目標是創(chuàng)造一種設(shè)備，其中外設(shè)，如燈，開關(guān)和傳感器通過物理電線連接，而控制器本身通過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，無論是在住宅環(huán)境還是小型設(shè)施中。

從這個愿景出發(fā)，我們的產(chǎn)品概念誕生了：一個緊湊的，可擴展的控制器，具有日常自動化任務(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

?安防報警一體化

?能源監(jiān)測

?泄漏檢測

還有更多……

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

homaster MiniPLC的開發(fā)花費了幾個月的專門工作，實驗和改進。

為了達到目前的穩(wěn)定設(shè)計，我們進行了四次PCB修改。每個組件都是通過真實世界的測試和不斷的迭代來選擇的。例如，我們測試了多個LED燈管——選擇一個，替換它，然后再次測試——直到我們找到最適合的可見性和耐用性。

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

在第一個原型中，我們將RTD和以太網(wǎng)模塊作為單獨的電路板。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。在第三個設(shè)計中，我們還刪除了RTD模塊，并將RTD接口直接放在主板上，從而簡化了整體設(shè)計。

我們測試了幾種類型的繼電器，以確保長期的工業(yè)級性能，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。

每個組件，直到終端模塊，都是根據(jù)現(xiàn)場測試、性能和實際用例進行選擇的。

這就是“家庭主婦迷你plc”誕生的原因。

最后，我們開發(fā)了一個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Modbus協(xié)議連接擴展模塊。

?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和藍牙無線通信通過板載ESP32，支持Wi-Fi和藍牙。

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

?RTC(實時時鐘)：集成PCF8563 RTC精確計時，即使離線。

?顯示：SH1106 OLED顯示屏，用于實時數(shù)據(jù)或狀態(tài)顯示。

?蜂鳴器：用于警報和系統(tǒng)通知的內(nèi)部蜂鳴器。

?MicroSD卡：用于數(shù)據(jù)記錄、擴展配置或固件存儲的MicroSD卡插槽。

?繼電器：6個光隔離工業(yè)繼電器，具有壓敏電阻保護，安全開關(guān)和長期耐用性。

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

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

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

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

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

3. 硬件概述

由于某些gpio會影響ESP32-WROOM的啟動方式，例如GPIO0、GPIO2、GPIO12和GPIO15，因此我們徹底測試了多種配置。我們最終確定了引腳布局，以確保可靠的啟動，同時避免與這些關(guān)鍵的啟動引腳沖突：

為了滿足家庭自動化和小型設(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。為了實現(xiàn)這一點，我們使用PCF8574數(shù)字I/O擴展器，16位ADS1115 ADC和MCP4725 DAC擴展功能。

這個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，還集成了多個通信ic和信號接口。主要組件和功能包括：

?I/O擴展ic用于擴展數(shù)字I/O功能

?用于獲取和生成模擬信號的ADC/DAC

?用于精確溫度測量的RTD接口電路

?以太網(wǎng)接口，用于網(wǎng)絡(luò)通信和遠程控制

?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、控制信號處理以及與外部系統(tǒng)的通信。

繼電器板- I/O擴展和電源接口

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，支持數(shù)字和模擬信號處理以及電源管理和魯棒信號保護。它包括:

?用于切換外部負載的多個機電繼電器

?ISO1212輸入保護IC，用于安全處理工業(yè)數(shù)字輸入

?保護電路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，主要用于簡化連接。它包括:

?MicroSD讀卡器，用于本地數(shù)據(jù)記錄或固件更新

?用于與主機系統(tǒng)通信的USB連接器

這個電路板上沒有額外的功能組件;它旨在簡化安裝和與MCU板的模塊化接口。

6. 物理設(shè)計概述

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

機箱包含三個主控板：MCU板、Relay板和USB/SD接口板。它們通過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)置很簡單，可以通過內(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ESPHome儀表板以多種方式上傳：

?通過USB type-C

?無線通過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)者和高級用戶完全定制MiniPLC的功能，以滿足他們特定的自動化需求。

查看默認的miniplc。我們的GitHub上的配置文件

本文編譯自hackster.io