基于 51 单片机 DIY 热水器控制器

发布时间: 2025-05-31

一、介绍 #

我是一个软件开发者，心血来潮想 diy 远程控制热水器烧水的控制器，热水器功率较大一直开着费电，所以我就想能不能利用我毕生所学自己实战一下。选择 51 单片机因为简单入门快。这个过程中也遇到了大量问题，在黑电子论坛各位大佬的帮助下和 AI 的加持下完成。

二、功能 #

• 远程控制（通过 ESP-01S WiFi 模块）
• 指示灯反馈控制状态
• 电压降压保护电路
• 简单的短路与反接保护

三、元器件清单 #

四、开发软件 #

五、原理图 #

画电路图不太行，简单画了下方便大家凑合看吧！

接线图

六、电路连接说明 #

• 单片机：
  • P3.0（RX） ←→ ESP-01S TX
  • P3.1（TX） ←→ ESP-01S RX
  • P1.0 → 控制三极管基极（限流电阻串联）
• 继电器驱动：
  • 线圈两端并联二极管（1N4007）防止反电动势，需要反接
• AMS1117 电源模块：
  • 输入接 5V，输出接 ESP-01S VCC，GND 公共
• LED 指示灯：
  • 与继电器共用控制线，继电器吸合时 LED 同时点亮（通过100Ω限流）

七、软件设计与源代码 #

代码部分很简单，大部分内容AI生成，需要注意的时修改WiFi名称和密码。还有就是要修改 TCP 服务器地址和端口，可以现在自己电脑测试，有云服务器可以填写云服务地址+端口就可以实现远程操作。

#include <reg51.h>
#include <intrins.h>
#include <string.h>
#include <stdio.h>  

#define uchar unsigned char
#define uint unsigned int

// 引脚定义
sbit relay = P1^0;    // 继电器控制引脚

// 将大数组放到XDATA区（外部数据存储器）
uchar xdata RecBuf[50];     // 接收缓冲区，使用xdata关键字
uchar RxCounter = 0;        // 接收计数器
bit receiveFinish = 0;      // 接收完成标志


// 函数声明
void UartInit(void);        // 串口初始化
void ESP8266_Init(void);    // ESP8266初始化
void SendCmd(uchar *cmd);   // 发送AT命令
void DelayMs(uint ms);      // 毫秒延时
void ConnectWiFi(void);     // 连接WiFi
void ConnectTCP(void);      // 连接TCP服务器
void SendHeartbeat(void);
void CheckResponse(uchar *response); // 检查响应

void main() {
	
	UartInit();        // 初始化串口
    ESP8266_Init();    // 初始化ESP8266
    ConnectWiFi();     // 连接WiFi
    ConnectTCP();      // 连接TCP服务器

    
    while(1) {
	

        if(receiveFinish) { // 如果接收到数据
            receiveFinish = 0;
            
            // 检查是否接收到"1"或"0"
            if(strstr(RecBuf, "1") != NULL) {
                relay = 0;    // 低电平，打开继电器
                SendCmd("AT+CIPSEND=4\r\n"); // 准备发送数据
                DelayMs(500);
                SendCmd("0104\r\n");  // 发送确认信息
            }
            else if(strstr(RecBuf, "0") != NULL) {
                relay = 1;    // 高电平，关闭继电器
                SendCmd("AT+CIPSEND=4\r\n");
                DelayMs(500);
                SendCmd("0104\r\n");
            }
            
            memset(RecBuf, 0, sizeof(RecBuf)); // 清空缓冲区
            RxCounter = 0;
        }
		SendHeartbeat();
    }
}

// 发送心跳包
void SendHeartbeat(void) {
	DelayMs(2000);

    SendCmd("AT+CIPSEND=4\r\n"); // 发送10字节数据
    DelayMs(500);
    SendCmd("0102\r\n");     // 心跳包内容
}



// 串口初始化函数
void UartInit(void) {
    SCON = 0x50;        // 8位数据，可变波特率
    TMOD |= 0x20;       // 设置定时器1为8位自动重装方式
    TH1 = 0xFD;         // 波特率9600
    TL1 = 0xFD;
    TR1 = 1;            // 启动定时器1
    ES = 1;             // 使能串口中断
    EA = 1;             // 开总中断
}

// ESP8266初始化
void ESP8266_Init(void) {
    DelayMs(2000);      // 等待ESP8266启动
    
    SendCmd("AT\r\n");      // 测试AT命令
    DelayMs(1000);
    
    SendCmd("AT+RST\r\n");  // 重启ESP8266
    DelayMs(2000);
    
    SendCmd("AT+CWMODE=1\r\n"); // 设置为STA模式
    DelayMs(1000);
    
    SendCmd("AT+CIPMUX=0\r\n"); // 设置单连接模式
    DelayMs(1000);
}

// 连接 WiFi
void ConnectWiFi(void) {
    uchar cmd[50];
    sprintf(cmd, "AT+CWJAP=\"FAST\",\"12345678\"\r\n");
    SendCmd(cmd);
    DelayMs(5000); // 等待连接WiFi
}

// 连接TCP服务器
void ConnectTCP(void) {
    uchar cmd[50];
	sprintf(cmd, "AT+CIPSTART=\"TCP\",\"192.168.1.100\",8888\r\n");
    SendCmd(cmd);
    DelayMs(3000); // 等待连接TCP
    
    SendCmd("AT+CIPMODE=1\r\n"); // 设置为透传模式
    DelayMs(1000);
    
    SendCmd("AT+CIPSEND\r\n");   // 开始透传
    DelayMs(1000);

	SendCmd("AT+CIPSEND=4\r\n");
    DelayMs(500);
    SendCmd("0102\r\n");
}

// 发送AT命令
void SendCmd(uchar *cmd) {
    uchar i = 0;
    while(cmd[i] != '\0') {
        SBUF = cmd[i];
        while(!TI);
        TI = 0;
        i++;
    }
}

// 毫秒延时函数
void DelayMs(uint ms) {
    uint i, j;
    for(i = 0; i < ms; i++)
        for(j = 0; j < 123; j++);
}

// 串口中断服务函数
void Uart() interrupt 4 {
    if(RI) {
        RI = 0;
        RecBuf[RxCounter++] = SBUF;
        
        if(RxCounter >= 49) { // 防止缓冲区溢出
            RxCounter = 0;
        }
        
        // 判断是否接收完成
        if(SBUF == '\n') {
            receiveFinish = 1;
        }
    }
}

八、ESP-01S 通讯控制方式 #

ESP 先连接 WiFi，然后建立 TCP 连接（可使用 sscom 创建 TCP server），TCP 服务端负责下发数据控制继电器。

九、遇到的问题与解决 #

S8050 NPN 型三极管，高电平导通 #

1. 使用 S8050（NPN） P1.0 无法驱动继电器，串联电阻无法驱动，据说是IO口驱动能力较弱。

GPIO P1.0--->1.2kΩ--->S8050(B)

2. 在电源和P1.0口串联电阻（上拉电阻）就可以驱动了（大佬给原理图）

5v+-----|
		|
	   [电阻 R1 1.2kΩ]  
	    |
P1.0----·--->S8050(B)

3. 又出现新的问题，第一次上电或复位时瞬间吸合一次，这个问题即使改代码也解决不了，因为51单片机IO口默认高电平。看了很多大佬的电路也是没能解决，电路是在 P1.0 加下拉电阻，P1.0 串联 1kΩ电阻到 B 基，手头也没 10kΩ 电阻没有测试成功。

GPIO P1.0--->1kΩ--->S8050(B)
			|
			|
			|
		  [10kΩ 下拉]
            |
           GND

S8550 PNP 型三极管，低电平导通 #

最终采用了 S8550 来驱动继电器，正如标题它是低电平导通，所以单片机默认高电平，复位或上电就不会出现吸合一次的情况。

十、三极管扩展 #

概念 #

三极管广泛用于电子电路中的开关和放大功能。其特点是价格低廉、体积小、性能稳定，常见于音频放大器、电源控制、信号处理等低功率场合。

实物 TO-92 封装 #

类型	实物图	电路符号	电流方向
NPN			发射极流出，集电极流入
PNP			发射极流入，集电极流出

引脚 #

正面朝你（扁平面朝前，脚朝下）：

奇技淫巧（个人理解） #

第一次接触三极管感觉不太好理解，可能脑容量不够用哈哈！

• NPN 箭头方向 → 接负极（GND），另外一端 → 接负载（例如：继电器线圈一端）。

• PNP 箭头方向 → 接正极（VCC），另外一端 → 接负载（例如：继电器线圈一端）。

• 中间基极接 IO 口，要串电阻。

十一、注意事项 #

• 注意用电安全，尤其外接负载设备时。
• 在继电器 COM（公共端） 和 NC（常开）接线时用质量好一点的线，否则有可能直接烧掉。热水器功率是 2000 W，第一次测试时用塑料接线端子没想到一会就直接烧掉了，后来焊接 1.5 ㎡铜线。
• JQC-3FF-S-Z 大功率继电器理论上不超过 2000 W 就可以用，超过了建议别用小心炸了。继电器吸合通电时会产生热量，所以不要把继电器包裹起来要让它可以通风。
• 串口调试 WiFi 模块发送指令时需要加 \r\n，有些工具自带 加回车换行选项
• ESP-01s 默认波特率 是 128000 需要修改为 9600
• 要远程操作需要有云服务器或者使用提供TCP物联网协议的云平台，就可以实现远程控制了。我的是使用 go 写了一个 TCP server ，部署在云服务器实现远程控制。

十二、总结 #

本项目利用常见的 51 单片机 + ESP-01S 模块，完成了一个低成本的智能热水器控制器。

在完成该实践后我又发现实际上可以用 ESP-01S 作为 MCU 直接控制继电器（刷固件）而不用单独单片机也是可以的。

对于老手来说这是一个很简单的电路，于我而言涉及的内容多且复杂的，你需要懂代码，电路图，元器件作用特性等等。不过完成该案例也是受益匪浅学到了不少知识点。

十三、参考资料 #

• AT 指令集
• JQC-3FF-S-Z
• ESP-01S