新国标五孔计量插座10A

本插座使用新国标五孔外壳，相比老款外壳更容易布线。在保留老款特性(磁保持继电器、电能计量、OTA升级固件)的同时，也解决了最后的短板(电流计数不稳定、外壳无法完美贴合等)。是计量插座的完全体。

 

 

 

免责声明：

本插座使用220V市电，DIY及使用时可能存在电击、高温烫伤等多种可能至人伤、残、死亡的风险。请严格按照安全规范操作并做好充足的保护，未成年人请在监护人的辅助下操作。使用本方案，表示你已经对安全风险有充足的认知，请确认自己有足够的知识储备再行操作。造成的任何损失和后果自负，本人不承担任何法律上的责任。

 

本人是软件方向，非电子硬件科班生，只是业余爱好者。因此可能很多基本的硬件常识都不知道，电路图上如有任何不妥，还望各位不吝赐教，拱手致谢。

 

 

硬件说明：

1.两种方案可选，电量计量芯片可使用方案1（BL0937）或者方案2（BL0942）。

2.之前使用的老版外壳，PCB布线上有诸多不便。插脚那里是直上直下直通电路板的，焊接时非常的不优雅。另外外壳上的凸起始终会被挡住，不太完美。所以更换了外壳，并解决了以上缺陷。

3.因为外壳尺寸限制，磁保持继电器只能选用超小型的，我只找到这一种适合而又不那么贵的(FH44L-1AT-L1-DC5V)，有更合适的请在评论区留言（要求：磁保持继电器，耐压220V10A及以上，大概尺寸20x10x15mm）。

4.MCU部分需要单独打板，因此这个项目实际上需要打板2块，分别是(方案1或方案2的)插座主体和直插模块，2块PCB的厚度都是1mm。

5.方案1的计量芯片使用了BL0937，它的好处是便宜、外围电路简单。缺点是使用前需要校准，不过只用校准一次，问题不大。

6.方案2使用BL0942，它的好处是不需要校准，另外计量功能稍多一点。

7.没有使用隔离供电，220V市电L线直接连GND，因此整个PCB都带强电。调试时必须带外壳插在插板上测试，外壳在没有粘胶的情况下很容易被拔掉。请爱惜自己的生命。

8.如果在PCB打板过程中，厂家提示：中间铣槽连接位太小、会断板等，请回复：我已悉知并可接受此原因带来的风险，请直接按Gerber文件生产，谢谢！

 

 

软件说明：

1.编译环境为VScode+PlatformIO
2.使用开源的MQTT方案，不花一分钱就可以获得一个不限制设备数量和使用期限的云服务器。

3.实际使用中发现公共、免费的MQTT服务器虽然也能用，但延迟比较大。如果对实时性要求比较高的，建议在云服务器或者路由器上自建MQTT服务器(推荐软件EMQX，免费、性能强大)。

4.手机端不再使用MQTT dashboard_v0.4.5_apkpure.com.apk，这个APP已经很久没有升级过了，而且不能完整支持JSON ，没法用。改成附件里面的IoT MQTT Panel_0.45.18_Apkpure.apk，这个APP界面还行，使用也还方便，也完整的支持JSON，就是有广告这点不好。（有更合适的手机APP请在评论区留言）

 

 

软件主要功能：

1.支持网页配网
2.支持微信扫码配网(不推荐，不能100%成功)
3.支持网络对时NTP
4.支持MQTT，有助于更透彻的理解物联网工作机制。使用MQTT手机APP上的开关、倒计时器、定时器等方式开启或者关闭插座。

5.定时器程序是在插座本地实现的，非云端实现。只要提交参数上去保存好，哪怕后来断网了，插座还是可以定时开启或者关闭。所以用本插座物理重启光猫或者路由器，成为可能。
6.支持OTA在线升级固件，通过网络就可以升级固件。再不用痛苦的把板子拆下来重新刷固件了。
7.支持LittleFS文件系统，可以掉电保存各种参数。即使插座掉电重启，原先的参数还在。

8.支持电量计量，可显示实时电压V/电流mA/功率W，以及总功耗kWh。

9.网页配网页面，支持通过web上传固件及文件系统。用于刷固件变砖的恢复。
10.支持HomeAssistant MQTT自动发现，可以使用MQTT集成，方便的进行控制。

 

相关元件来源：

1.插座外壳（包括里面的220V10A公母一体插座）-> 上阿里巴巴一次买2个以上 便宜，电子按键就是普通的6x6x5侧按键，也可以自己单独买。

2.AC220V TO DC5V开关电源模块 右边的链接我都买过（注意：要买5V带脚的）-> 链接1 链接2 链接3

4.ESP-12S模块 可购买ESP12E/F/S，三种型号都是兼容的。F最便宜我经常 -> 买这个，不到5块钱还包邮。

5.磁保持继电器（注意：要买FH44L-1AT-L1-DC5V(5V4脚单线圈)）-> 购买链接

6.磁保持继电器驱动芯片CN8023B（注意要买SOT-23，6脚的） ->购买链接

7.（可选方案1）电能计量芯片BL0937 SOP-8贴片 我买的是-> 这个购买链接，    （可选方案2）BL0942 （注意要买SSOP10，10脚的） -> 购买链接   

8.除此以外其他的元器件（包括电阻、电容、AMS1117、发光二极管LED等）我基本上都是在优信电子买的-> 优信电子淘宝店

9.ESP8266开发测试架/烧录器（初学者才需要），我买的是这个-> 购买链接

10.粘外壳用的，补鞋胶 ->链接 

 

 

软硬件安装步骤：

1.先给ESP12S刷好固件，参考：https://oshwhub.com/article/ci-bao-chi-WIFIzhi-neng-cha-zuo-ruan-jian-gong-cheng-dao-ru-VSCODE-yi-ji-bian-yi-shuo-ming 

2.给ESP12S配网设置好MQTT参数，参考：https://oshwhub.com/article/ci-bao-chi-WIFIzhi-neng-cha-zuo-ruan-jian-diao-shi-shuo-ming

3.在手机上安装MQTT APP，并设置好MQTT服务器参数。 教程： https://oshwhub.com/article/xin-guo-biao-wu-kong-ji-liang-cha-zuo-10A-pei-tao-shou-ji-APPan-zhuang-ji-she-zhi-shuo-ming

4.把刷好固件的ESP12S焊接到PCB上

 

5.焊接主体PCB步骤

 

6.上面大电流加焊那个地方，缺口那里一定不能焊的太高了，会挡住外壳。

 

7.焊好的各个角度图

 

8.装壳测试，******不要用胶水******先大致装起来，万一有问题还可以返工。（必须插在插板上测试，因为外壳没有粘胶，很容易被拔掉，请爱惜自己的生命）

 

9.等测试完没问题，最后再把外壳用胶水粘起来，要等24小时胶水干了才能使用。

（软硬件安装完成）

 

 

硬件更新说明:

2023/6/22
1.硬件更新(插座PCB BL0937 V1.1)
磁保持继电器驱动弃用场效应管，改用驱动芯片CN8023B。
在6月2日的更新中，场效应管虽然可以正确驱动磁保持继电器，不会出现上电瞬间抖动的问题。
但后续测试中发现，如果频繁打开、关闭插座开关，H桥有非常高的几率会直接将5V、GND短路。
预防短路的电路，我觉得比较复杂、元件多、不太优雅，所以重新找了一个驱动芯片，也就是CN8023B，不再使用场效应管驱动继电器。
2.增加了BL0942方案的插座PCB，该方案的优势是只要关键位置的测量电阻精度为1%，就基本不用校准。

2023/6/2
硬件更新(插座PCB V1.0，ESP12S双面直插模块2x6P V2.7)
1.弃用驱动芯片MD7620A，因继电器上电瞬间抖动的问题。
经过研究，发现这是继电器驱动芯片MD7620A的硬件BUG，跟IO抖动无关。
具体原因是因为ESP12S在初始化时会自动设置IO脚为输入模式，也就是IO输出置高电平，这个时间有100-300ms。
即使人工设置IO脚为低电平，但初始化IO为高已经发生，并且无法避免。
而MD7620A芯片，当2个输入都为高时，输出不确定（也就是继电器可能闭合也可能断开）。
外在表现就是：当设备上电时，继电器可能会吸合然后断开，也就是闪了一下。也可能不会发生，有一定的概率。
这是MD7620A芯片的硬件BUG。我的解决办法是换成4个场效应管组成H桥，驱动继电器。实测再无上电时继电器抖动。感谢@21568P  @hlg123  的报错。
2.插座主体PCB，已增加底层的铜皮和过孔，开槽也向下扩展了。感谢@squarer的指点
3.直插模块PCB，已将2个电容挪到了VCC引脚的附近。感谢@squarer的指点
2023/2/15

1.硬件发布(插座PCB V0.7，直插模块右插脚 V2.4)

 

 

软件更新说明:

(请注意看源代码的更新时间，如BL0937的源代码时间是2023/9/6，那么它就不具备2023/9/6之后的软件更新功能)

2023/12/11
1.添加了HomeAssistant MQTT自动发现设备的能力(以前只能发现MQTT实体)，使用更方便。感谢网友的解决方案和示例代码。

2023/11/27
1.添加了看门狗机制，超过10分钟未发布将自动重启。

2023/11/10
1.增强WiFi断网连重连的能力。

2023/10/19
1.上电启动时，当WIFI未初始化（用户名、密码为空），会在等待1秒后自动进入网页配网界面。
2.客户端ID与MAC地址关联，第一次初始化时，客户端ID自动设置为MAC地址。

2023/10/8
1.修正了频繁切换开关时，有一定几率会造成插座死机的问题。 感谢 @unanxtg 的报错。
2.增加了在网页配网及微信配网界面，也能使用按钮切换开关状态，以及按钮10秒重启插座的功能。

2023/9/30
1.插座初始化时（在连接wifi之前），根据上次开关状态设置本次开关状态。感谢 @star19997 的建议。
2.修正了按钮切换开关状态时，状态没有正确保存的逻辑问题。

2023/9/6
1.增加了电量累计的功能，针对插座断电和不断电重启都有对应的处理。感谢 @matrixwell 的建议。
2.增加了“开关反向”的选项，用于调试。

2023/8/5
1.根据 @star19997 的反馈，调制了MQTT发布数值的阈值。只有当数值变化超过5%（或者距离上次发布时间已有5秒），MQTT才会发布。
2023/7/17
1.根据 @star19997 的反馈，增加了对MQTT用户名、密码的支持。
已做好的插座如需更新此功能，除了升级固件，还需要在配网页面升级LittleFS文件系统。因此参数会重置，需要重新配置。
2023/6/2
1.网页配网页面，现已支持通过web上传固件及文件系统。用于刷固件变砖的恢复。
2.已支持HomeAssistant MQTT自动发现，可以使用MQTT集成，方便的控制本插座。
2023/2/23
1.修正了倒计时参数掉电以后不能保存的问题，感谢 @liang_work 的报错。

2023/2/21
1.增加了一个LED控制开关
APP面板：
复制 开关
名字：LED长亮
JsonPath: $.led
JSON pattern for publish: {"m":"led","v":""}
(说明：ON，LED随开关长亮，开关开LED亮，开关关则LED灭；OFF，限制LED点亮延续时间，LED最多只亮100秒，减少光污染。)

2023/2/16
1.使用MQTT遗愿参数设置了设备在线状态。(赞叹:很巧妙的方法)
2023/2/15

1.软件发布

 

 

附件：

工程附件里面的3个PCB layout文档非常有用。我以前计量插座布线总是干扰很大，看完文档简直如醐醍灌顶。 

 

 

OTA步骤：

1.在VSCODE里面编译固件

1.是编译固件的按钮，2是编译出来的固件地址。

2.将编译好的固件上传到一个HTTP地址，可以是网站或者是你的本地路由器，地址类似于:http://x.x.x.x/data/esp12s.bin
上传好以后一定要打开浏览器实际测试一下，看看这个固件地址是不是能正常下载。

3.在 WEB配网 里面设置好OTA固件链接，就是那个网址类似于：http://x.x.x.x/data/esp12s.bin
4.在手机APP里面点 升级固件
OTA升级时，LED会随下载进度快速闪烁。
升级成功会自动重启。

 

 

致谢：

感谢嘉立创yyds，每个月都要被我薅羊毛打板PCB。

感谢：@tuobeiyang @engineergao @DongDuZhiLang  @shayulei  @therealkamisama  @xywl98  @EHE  @LZGD   @Egbert   @小菜比  @skcks   @全幼儿园最帅的男人   @lingbm   
以及其他在评论区留言的大佬。因为你们的意见和建议，让我得到很多启发、学习到了更多的知识。

非常感谢！