单片机控制继电器设计

目 录 单片机技术课程设计说明书 继电器控制 目 录 一 理论部分 1-1 课题要求与内容················································· 1 1-2 系统 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 设计说明············································· 2 1-3 系统硬件设计··················································· 3 1-4 系统软件设计·················································· 4 二 实践部分 2-1 系统硬件原理及其说明····································· 5 2-2 系统硬件调试遇到的问题及解决方法 ················· 6 2-3 相关系统软件 ················································ 7 2-4 系统软件程序 ················································ 8 2-5 系统软件调试遇到的问题及解决方法·················· 9 三 小结 ······························································ 11 四 参考文献 ······················································· 13 设计题目：继电器控制 一 理论部分 1课题要求与内容 设计目的：掌握用继电器的基本方法和编程。 设计要求：利用P1口输出高低电平，控制继电器的开合，以实现对8个外部电路的开关控制，每个通道用一个按键控制，并且要有LED数码管状态显示开关状态，要求有光电隔离。 2 系统方案设计说明 三极管看成一个控制开关器件。通+5v电源后三极管导通，初始状态为继电器是吸合状态。当单片机接受指令后，相应的三极管基极变化为0V左右，使三极管处于截止状态。 方案一： 三极管位于继电器下方，此种的连接方法三极管没有工作在饱和状态，即VCE未达到典型值0.2V，使得继电器线圈两端电压未达到理想值，一般达到4.4V。 改变电阻R可得到测试结果如下： 1）R=2K，VCC=5V，此时VCE=0.96V，线圈电压4.04V。 2）R=4K，VCC=5V，此时VCE=1.2V，线圈电压3.8V 3）R=6K，VCC=5V，此时VCE=1.6V，线圈电压3.4V。 这几种情况下，三极管工作在放大状态。而继电器要求三极管工作在饱和区，作为开关来使用。改变R的值，可得到想要的结果。 采用下图可得到结果如下： （1）R=2K，VCC=5.02V，此时VCE=0.037V，线圈电压4.983V。 （2）R=6K，VCC=5.02V，此时VCE=0.06V，线圈电压4.96V。 可见，R大小对线圈两端电压影响较小，达到继电器要求。三极管一直工作在饱和区，达到设计要求。  单独测试继电器，VCC缓慢增加时，到3.4V时吸合；VCC下降到1.1V是断开。如果三极管没有工作在饱和区，即便线圈两端有4.0V以上的电压，继电器吸合了，但工作状态不太稳定。 3 系统硬件的设计 单片机的选择： 本次设计选用的单片机为AT89C52。 AT89C52单片机是一种低功耗，高性能的8位微处理器，具有8K在可编程Flash存储器。使用Atmel 公司高密度非易失性存储器技术制造，与工业80C51 产品指令和引脚兼容。片上Flash允许程序存储器在系统可编程，亦适于常规编程器。在单芯片上，拥有灵巧的8 位CPU和在系统可编程Flash，使得AT89C52为众多嵌入式控制应用系统。 图1 AT89C52单片机引脚图 AT89C52具有以下主要性能： 1、与MCS-51单片机产品兼容； 　　2、8K字节在系统可编程Flash存储器； 　　3、1000次擦写周期； 　　4、全静态操作：0Hz-33MHz； 　　5、三级加密程序存储器； 　　6、32个可编程I/O口线； 　　7、三个16位定时器/计数器； 　　8、六个中断源； 　　9、全双工UART串行通道； 　　10、低功耗空闲和掉电模式； 　　11、掉电后中断可唤醒； 　　12、看门狗定时器； 　　13、双数据指针； 　　14、掉电标识符 。 继电器的选择：  一、继电器的分类     继电器是一种根据电气量（如电压、电流等）或非电气量（如热、时间、压力、转速等）的变化接通或断开电路以实现自动控制和保护电力拖动装置的电气。继电气一般由感测机构、中间机构和执行机构三个基本部分组成。感测机构把感测到的电气量传递给时间机构，将它与额定的整定值进行比较，当达到整定值（过量或欠量）时，中间机构便使执行机构动作，从而接通或断开被控电路。    继电器的种类很多，按用途可分为控制继电器和保护继电器；按输入信号的性质可分为电压继电器和温、电流继电器、时间继电器、速度继电器、压力继电器和温度继电器等；按工作原理可分为电磁式继电器、感应式继电器、热继电器和电子式继电器等；按动作时间可分为瞬时继电器和延时继电器等。     二、继电器的工作原理和选特性 1 电磁式继电器的工作原理和特性   电磁式继电器一般由铁芯、线圈、衔铁、触点等组成。只要在线圈两端加上一定的电压，线圈中就会有电流流过，从而产生电磁效应，衔铁就在电磁力吸引的作用下克服反弹簧的拉力吸向铁芯，从而带动衔铁的动触点与静触点（常开触点）吸合。当线圈断电后，电磁的吸力也随之消失，衔铁就会在弹簧的反作用力下返回原来的位置，使动触点与原来的静触点（常闭触点）吸合。这样吸合、释放从而达到电咱的导通断开目的。   对于继电器的“常开”、“常闭”可以这样来区分；继电器线圈未通电进处于断开状态的为静触点，称为“常开触点”，处于接通状态的静触点称为“常闭触点”。 2 热敏干簧继电器的工作原理和特性   热敏干簧继电器是利用热敏磁性材料检测和控制温度的新型热敏开关。它由感温磁环、恒磁环、干簧管、导热安装片、塑料衬底及其他一些附御组成。热敏干簧继电器不用线圈励磁，而由恒磁环产生的磁力驱动开关动作。恒磁环能否向干簧提供磁力是感温磁环的温控特性决定的。 3 固态继电器（SSR）的工作原理   固态继电器是一种两个接线端为输出端的四端器件，中间采用隔离器件实现输入/输出的电隔离。    固态继电器按负载电源类型可分为交流型和直流型。按开关型式可分为常开型和常闭型。按隔离型式分可分为混合型、变压器隔离型和光电隔离型实际应用中以光电隔离型为最多。 4电流继电器的工作原理和特性    电流继电器是根据线圈中电流的大小而接通或断开电路的继电器。电流继电器的线圈串接在电路中，为了不影响电路工作情况电流继电器吸引线圈少，导线粗，当线圈电流高于整定值动作的继电器称为过电流继电器；低于整定值时动作的继电器称为欠电流继电器。   过电流继电器在正常工作时，电流线圈通过的电流为额定值，所以产生的电磁力不足以克服反作用弹力；常闭触头仍保持闭合状态，当通过线圈的电流超过整定值后，电磁吸力大于反作用弹簧拉力，铁心吸引衔铁，使常闭触头断开，常开触头闭合，过电流细继电器主要用于频繁、重载启动场合、作为电动机或主电路的短路和过载保护，欠电流继电器常用于直流电动机和磁吸盘的失磁保护。 5热继电器的工作原理和特点    热继电器是一种利用电流的热效应业切换电路的保护电路，在电路中用做电动机的过载保护。    热继电器的工作原理：当电动机绕组因过载引起过载电流时，发热元件的产生的热量足以使主双金属片弯曲，推动导板向右移动以推动了温度补偿片使推杆绕轴转动，推动触头连杆，使动触头与静触头分开，从而使电动机线路中的接触器线圈断电释放，将电源切断，起到了保护作用。    温度补偿片用来补偿环境温度对热继电器动作精度的影响；它是由与主双金属片同类型的双金属片制成。   三、继电器主要产品技术参数   a.额定工作电压是指继电器正常工作时线圈所需要的电压。根据继电器的型号不同，可以是交流电压也可以是直流电压。   b.直流电阻是指继电器中线圈的直流电阻，可以通过万用表测量。    c.吸合电流是指继电器能够产生吸合动作的最小电流。在正常使用时，给定的电流必须略大于吸合电流，这样继电器才能稳定地工作，而对于线圈所加的工作电压，一般不要超过额定工作电压的1.5倍，否则会产生较大的电流而把线圈烧毁。    d.释放电流是指继电器产生释放动作的最大电流。当继电器吸合状态的电流减小到了定程度时，继电器就会恢复到未通电的释放状态。这时的电流远远小于吸合电流。    e.触点切换电压和电流是指继电器允许加载的电压和电流。它决定了继电器能控制电压和电流的大小，使用时不能超过此值，否则很容易损坏继电器的触点。 四、电磁继电器的测试    1.测触点电阻   用万用表的电阻挡测量常闭触点与动点电阻，共阻值应为0；而常开触点与动触点的阻值就是为无穷大；由此以区加别哪个是常开触点，哪个是常闭触点。     2.测线圈电阻   用万用表R*10挡测量继电器线圈的阻值，从而判断该线圈是否存在开路现象。     3.测量吸合电压和吸合电流给继电器输入一组电压，且在供电回路中串入电流表进行监测，慢慢调高电源电压，听到继电器吸合声时，记下该吸合电压和吸合电流，为求准确，可以多试几次而求平均值。     4.测量释放电压和释放电流像上述那样连接测试，当继电器发生吸合后，再逐渐低供电电压，当听到继电器再次发生释放声音时，记下此时的电压和电流，如需要的话可多试几次，取得释放电压和释放电流的平均值。 五、电磁继电器的应用    1、工你电路是有危险的高压电路，通过电磁继电器可利用低压控制高压。    2、工作场所温度高或环境不好，可以利用电磁继电器来实现远距离操作 本次设计选择汇港HRS1H-S-DC5V电磁继电器。 主要技术参数： 长x宽x高(mm)：15.5x10.5x11.8 特性：.高灵敏度.DIL 端子 .浪涌耐压达 1500V ,依据FCC68.负载电流高达 5A 触点型式：1A/1B/1C 触点材料：AuAg/Ag Alloy 额定通断电流：1A 120VAC/24VDC 最大通断电压：30VDC/220 VAC 最大通断电流：2A 最大通断功率：120VA 30W 最小通断电流及电压：5VDC 1mA 触点接触电阻mΩ(首次)(6VDC 1A)：50 线圈电压：5V 线圈功耗(mW)：200 介质耐压触点间/线圈和触点:750V/1,000V 绝缘电阻(MΩ):100 电寿命(次)/机械寿命：100,000/10,000,000 工作环境.温度范围：-25 - +70℃ 吸合时间：最大5 ms 释放时间：最大5 ms 试水结构：可水洗 脚位形式：印制板式 在现代控制设备中，继电器起一个中间桥梁作用。重要作用是解决电子电路和电气电路的连接问题，同时起到保护电路和人身安全的作用。 电磁式继电器一般由控制线圈、铁芯、衔铁、触点簧片等组成，控制线圈和接点组之间是相互绝缘的，因此，能够为控制电路起到良好的电气隔离作用。当我们在继电器的线圈两头加上其线圈的额定的电压时，线圈中就会流过一定的电流，从而产生电磁效应，衔铁就会在电磁力吸引的作用下克服返回弹簧的拉力吸向铁芯，从而带动衔铁的动触点与静触点（常开触点）吸合。当线圈断电后，电磁的吸力也随之消失，衔铁就会在弹簧的反作用力返回原来的位置，使动触点与原来的静触点（常闭触点）吸合。这样吸合、释放，从而达到了在电路中的接通、切断的开关目的。继电器额定工作电压是继电器最主要的一项技术参数。在使用继电器时，应该首先考虑所在电路(即继电器线圈所在的电路)的工作电压，继电器的额定工作电压应等于所在电路的工作电压。一般所在电路的工作电压是继电器额定工作电压的0.86。注意所在电路的工件电压千万不能超过继电器额定工作电压，否则继电器线圈容易烧毁。 驱动原理： 当单片机的引脚输出低电平时，三极管饱和导通，＋5V电源加到继电器线圈两端，继电器吸合，同时状态指示的发光二极管也点亮，继电器的常开触点闭合，相当于开关闭合。当单片机的引脚输出高电平时，三极管截止，继电器线圈两端没有电位差，继电器衔铁释放，同时状态指示的发光二极管也熄灭，继电器的常开触点释放，相当于开关断开。注：在三极管截止的瞬间，由于线圈中的电流不能突变为零，继电器线圈两端会产生一个较高电压的感应电动势，线圈产生的感应电动势则可以通过二极管释放，从而保护了三极管免被击穿，也消除了感应电动势对其他电路的干扰，这就是二极管D1的保护作用。 光耦内部是由发光二极管和光电三极管组成，使电—光—电的转换，从而起到输入、输出、隔离的作用，增强了单片机系统的抗干扰性和可靠性。光耦的主要作用是将信号通过光传输，减少了电信号传输带来的干扰。 图2 继电器 图中的三极管是一个开关器件，可以直接将它看成是一个开关。是用电压或者电流来控制的电子开关。图中的二极管是保护二极管，只要是用三极管驱动继电器的场合，一般都有它的存在。而且是并联在继电器两端阴极一定是接VCC。 电源电路： 图3电源电路的电路图 此电路给系统提供所需电源。 4 系统软件设计 图4 主程序流程图 二 实践部分 1 系统硬件原理和说明 系统原理为：当单片机的P1.0引脚输出低电平时，三极管T5饱和导通，＋5V电源加到继电器线圈两端，继电器吸合，同时状态指示的发光二极管也点亮，继电器的常开触点闭合，相当于开关闭合。 电路中各元器件的参数说明：当单片机IO口输出高电平时触发三极管导通。经分析得三极管可用极性为NPN的8050，电阻值为3.3K。其放大倍数为100至500（放大倍数分段可选）。电阻R1选1K，电阻R2选5.6K，电阻R3选2.7K。其中电阻R2保证了基极为MA级的电流来开关三极管。该电路的运行过程中当三极管由导通变为截止时，继电器绕组产生一个较大的自感电压。它和电源电压叠加后加到控制继电器的线圈的三极管集电极和发射极上，发射结（e-c）可能被击穿。这是存在的一个问题，需要解决。为消除这个有害电动势的影响，在继电器线圈两端反向并联一个抑制二极管来吸收电动势。自感电压和电源电压之和对二极管来说是正向偏压。这样二极管导通形成环流。感应的高电压就会通过回路释放掉，以此保护三极管的安全。 电路说明：输入信号为低电平时，光偶导通，经三极管放大后，驱动中间继电器，中间继电器控制交流接触器。CPU为AT89C52。电路采用了光电耦合器来驱动和隔离继电器，因而是具有实际应用价值的电路，工作比较可靠。加一支NPN的三级管与之构成复合管的目的是提供更大的电流。二极管是起续流作用，可以防止在切断继电器线圈中的电流时出现的 很高的反压，保护驱动三级管或其他驱动继电器的器件。当单片机的P1.0引脚输出高电平时，三极管T5截止，继电器线圈两端没有电位差，继电器衔铁释放，同时状态指示的发光二极管也熄灭，继电器的常开触点释放，相当于开关断开。注：在三极管截止的瞬间，由于线圈中的电流不能突变为零，继电器线圈两端会产生一个较高电压的感应电动势，线圈产生的感应电动势则可以通过二极管IN4148释放，从而保护了三极管免被击穿，也消除了感应电动势对其他电路的干扰，这就是二极管D1的保护作用。 用单片机的P1.0控制继电器开合的程序设计如下： ORG 0000H AJMP START ;跳转到初始化程序 ORG 0033H START: MOV SP,#50H ;SP初始化 MOV P1,#0FFH ;端口初始化 MAIN: CLR P1.0 ;P1.0输出低电平，继电器吸合 ACALL DELAY ;延时保持一段时间 SETB P1.0 ;P1.0输出高电平，继电器释放 ACALL DELAY ;延时保持一段时间 AJMP MAIN ;返回重复循环 DELAY: MOV R1,#20 ;延时子程序 Y1: MOV R2,#100 Y2: MOV R3,#228 DJNZ R3,$ DJNZ R2,Y2 DJNZ R1,Y1 RET ;延时子程序返回 END 2硬件试过程中遇到的问题及解决方法： 1 电源供电问题：电源无法正常供电。 解决办法：检查出元器件的损坏。更换元器件。 2 P0口给出高低电平继电器都不响应。 解决办法：在P0口加上拉电阻。 3 系统软件： 编译程序使用Keil软件，绘制原理图使用protel软件，绘制仿真图用proteus软件。 4 软件程序： 程序见附录。 5 软件调试过程中遇到的问题及解决方法： 1 编译后没有生成*.hex 。 解决办法：进行相关的设置后，可生成*.hex文件。然后可进行仿真。 2 仿真过程中几个数码管显示器不能显示。 解决办法：调整相关程序。 3 几个发光二极管不能正常工作。 解决办法：检查程序，查线路连接。 小结 基于单片机控制的继电器可以按照实际要求设置继电器的开通和关断的时间，并通过光电耦合开关驱动继电器。利用单片机控制继电器，从而简化了控制电路，使控制灵活，方便。降低了产品的成本，该电路工作可靠，具有一定的实用价值。 单片机课程设计是培养单片机的综合运用。提高发现、提出、分析和解决实际问题的能力。锻炼实践能力的重要环节,是对我们实际工作能力的具体训练和考察的过程。随着科学技术的发展，单片机已经在当今工业控制领域得到广泛的运用， 在生活中无处不在。因此，作为当代电气类大学来说，掌握单片机的开发技术是很有必要的。 回顾整个单片机课程设计，我感慨颇多。在两周的日子里，学到了很多东西。它让我学到跟多书本上没有的知识。以前只是看书本，学书本的知识，眼光只停留在书本层面上，对其他的资料是不加留意的。而这次的方案设计制作让我知道书本知识是远远不够的，电子行业知识更新换代速度是很快的，这就要求要有更多更丰富的知识，所以不仅要学习好书本知识，也要对其他资料的知识进行了解。总的来说，这次方案设计制作让我学到很多，理解能力和动手能力都得到了提高。更重要的是它让我们体会到学习的方法和培养了我们对方案制作的思维！通过这次课程设计使我懂得了理论与实际相结合的重要性，有理论知识是远远不够的，面对实际的东西只是空谈。只有把所学的理论知识与实践相结合起来，才能提高自己的实际动手能力和独立思考的能力。这毕竟第一次做，在设计的过程中遇到问题是在所难免的。在设计的过程中发现了自己的不足之处，对以前所学过的知识理解得不够深刻，掌握得不够牢固，比如说对单片机编程掌握得不太好等等。通过这次课程设计之后，一定对以前所学过的知识有了新的认识。 这次课程设计终于顺利完成了，在设计中遇到了很多问题，最后在同学的帮助和老师的指导下，终于得到了解决。通过这次课程设计学到了很多实用的知识。在此对给过我帮助的所有同学和指导老师表示忠心的感谢！ 参考文献 [1]李忠国.单片机应用技能实训[M] .北京：人民邮电出版社，2006. [2]先锋工作室.单片机程序设计实例[M] .北京：清华大学出版社，2003. [3] 张毅刚.单片机原理及接口技术[M] .哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社，1990. [4] 何立民.单片机应用技术大全[M] .北京：北京航空航天大学出版社， 1994. [5] 楼然苗.单片机课程设计指导[M] .北京：北京航空航天大学出版社，2007. [6]丁元杰. 单片微机原理及应用（第3版）[M].北京：机械工业出版社，2006 . 附录程序： #include #define uchar unsigned char #define uint unsigned int #define ulong unsigned long uchar code dispbitcode[]={0x3f,0x06,0x5b,0x4f,0x66,0x6d,0x7d,0x07,0x7f,0x6f};//0-9段码缓存 uchar dispbuf[8]; sbit key1=P1^0; sbit key2=P1^1; sbit key3=P1^2; sbit key4=P1^3; sbit key5=P1^4; sbit key6=P1^5; sbit key7=P1^6; sbit key8=P1^7; sbit relay1=P3^0; sbit relay2=P3^1; sbit relay3=P3^2; sbit relay4=P3^3; sbit relay5=P3^4; sbit relay6=P3^5; sbit relay7=P3^6; sbit relay8=P3^7; sbit com1=P2^0; sbit com2=P2^1; sbit com3=P2^2; sbit com4=P2^3; sbit com5=P2^4; sbit com6=P2^5; sbit com7=P2^6; sbit com8=P2^7; 子程序略去 void init(void) { key1=key2=key3=key4=key5=key6=key7=key8=1; relay1=relay2=relay3=relay4=relay5=relay6=relay7=relay8=1; com1=1;com2=1;com3=1;com4=1;com5=1;com6=1;com7=1;com8=1; } void main(void) { init(); while(1) { key_cnt(); dispbuf[7]=temp/10000000; dispbuf[6]=temp%10000000/1000000; dispbuf[5]=temp%1000000/100000; dispbuf[4]=temp%100000/10000; dispbuf[3]=temp%10000/1000; dispbuf[2]=temp%1000/100; dispbuf[1]=temp%100/10; dispbuf[0]=temp%10; display() }