基于單片機的繼電器控制

目錄0前言11總體方案設(shè)計12硬件電路設(shè)計22.1單片機系統(tǒng)22.1.1晶振時鐘電路22.1.2復(fù)位電路32.2電流驅(qū)動系統(tǒng)32.3發(fā)光二極管演示系統(tǒng)52.4獨立鍵盤系統(tǒng)53軟件設(shè)計63.1軟件執(zhí)行過程63.2子程序模塊64調(diào)試分析85結(jié)論及進(jìn)一步設(shè)想9參考文獻(xiàn)9課設(shè)體會10附錄1電路原理圖11附錄2程序清單12基于單片機的繼電器控制系統(tǒng)設(shè)計胡啟洋沈陽航空航天大學(xué)自動化學(xué)院摘要：本文設(shè)計了一種基于單片機的繼電器控制系統(tǒng)，由單片機、繼電器、驅(qū)動電路、發(fā)光二極管、獨立鍵盤等局部組成，主要使用了單片機開發(fā)板上STC公司生產(chǎn)的89C54RD+型號單片機及其最小系統(tǒng)、ULN2003A達(dá)林頓管驅(qū)動芯片、JQC-3F-05VDC-1ZS型號繼電器、四個發(fā)光二極管，運用定時器精準(zhǔn)定時對繼電器開關(guān)進(jìn)行控制，并在繼電器輸出端使用發(fā)光二極管顯示。在以上根底上，實現(xiàn)了8路繼電器的循環(huán)控制功能。關(guān)鍵詞：單片機；繼電器；驅(qū)動電路。0前言繼電器是當(dāng)輸入量〔如電壓、電流、溫度等〕到達(dá)規(guī)定值時，使被控制的輸出電路導(dǎo)通或斷開的電器。它可分為電氣量〔如電流、電壓、頻率、功率等〕繼電器及非電氣量〔如溫度、壓力、速度等〕繼電器兩大類。繼電器具有動作快、工作穩(wěn)定、使用壽命長、體積小等優(yōu)點。廣泛應(yīng)用于電力保護(hù)、自動化、運動、遙控、測量和通信等裝置中。繼電器是一種電子控制器件，它具有控制系統(tǒng)〔又稱輸入回路〕和被控制系統(tǒng)〔又稱輸出回路〕，通常應(yīng)用于自動控制電路中，它實際上是用較小的電流去控制較大電流的一種“自動開關(guān)〞。故在電路中起著自動調(diào)節(jié)、平安保護(hù)、轉(zhuǎn)換電路等。電磁繼電器一般由鐵芯、線圈、銜鐵、觸點簧片等組成的。只要在線圈兩端加上一定的電壓，線圈中就會流過一定的電流，從而產(chǎn)生電磁效應(yīng)，銜鐵就會在電磁力吸合的作用下克服返回彈簧的拉力吸向鐵芯，從而帶動銜鐵的動觸點與靜觸點〔常開觸點〕吸合。當(dāng)線圈斷電后，電磁的吸力也隨之消失，銜鐵就會在彈簧的反作用下返回原來的位置，使動觸點與原來的靜觸點〔常閉觸點〕吸合。這樣吸合、釋放，可以這樣來區(qū)分：繼電器線圈為通電時處于斷開狀態(tài)的靜觸點，成為“常開觸點〞；處于接通狀態(tài)的靜觸點稱為“常閉觸點〞。1總體方案設(shè)計針對本課題的設(shè)計任務(wù)，進(jìn)行分析得到：本次設(shè)計通過單片機I/O口輸出上下電平控制繼電器的輸入端，采用ULN2003A型號的達(dá)林頓管驅(qū)動芯片加大輸入電流，使用內(nèi)部定時器中斷進(jìn)行精準(zhǔn)計時，實現(xiàn)繼電器通斷時間分別為1秒、2秒的精準(zhǔn)控制，并實現(xiàn)通過繼電器進(jìn)行八路發(fā)光二級管循環(huán)1秒的控制。該繼電器控制系統(tǒng)的設(shè)計，在總體上大致可分為以下幾個局部組成：1.單片機及其最小系統(tǒng)電路，為了使單片機正常工作，需要參加晶振電路，為了使單片機方便使用，需要參加復(fù)位電路。2.繼電器驅(qū)動電路局部。由于單片機輸出的電流缺乏以使電磁繼電器的線圈產(chǎn)生足夠大的磁力，無法使銜鐵與觸點簧片吸合，就不能使繼電器正常工作。為了使繼電器正常工作，需要參加放大電流的驅(qū)動電路。該設(shè)計考慮了兩種不同的驅(qū)動方案：〔1〕使用ULN2003A達(dá)林頓管驅(qū)動芯片進(jìn)行驅(qū)動，此方案簡單易用，只需一個芯片便可驅(qū)動7路繼電器；〔2〕采用PNP型三極管放大電路，該方案目的明確，易于理解。3.定時器計時局部。該設(shè)計中采用了定時器1的工作方式1，裝入的初值是〔65535-50000〕，在計滿50000個數(shù)之后，TF1置為1，產(chǎn)生中斷，當(dāng)使用晶振頻率為12MHz時，定時器剛好每50ms產(chǎn)生一次中斷，這個時間的20倍恰好是1秒中，這樣便可實現(xiàn)1秒與2秒的精準(zhǔn)控制。發(fā)光二級管的演示繼電器發(fā)光二級管的演示繼電器控制單片機精準(zhǔn)定時輸出電路驅(qū)動電路定時器輸出電路驅(qū)動電路定時器圖1系統(tǒng)原理框圖整個電路的工作原理是單片機首先定義定時器1的工作方式為1,使用晶振頻率12MHz，裝入初值〔65535-50000〕，這樣當(dāng)開啟定時器1時每50ms產(chǎn)生一次中斷，累計20次便為1秒，1秒累計2次便為2秒，通過設(shè)置標(biāo)志位flag的狀態(tài)，區(qū)別繼電器的通2秒與斷1秒。設(shè)置P2口為輸出口，將P2口連接在ULN2003A的輸入端，ULN2003的電源端接+5V電源，地端接地，輸出直接接在繼電器的一個輸入端，繼電器的另一個輸入端接地。這樣便可通過控制P2口的上下電平，來控制繼電器的通斷。2硬件電路設(shè)計2.1單片機系統(tǒng)晶振時鐘電路晶振是單片機正常工作的必要器件，他提供時鐘周期，執(zhí)行程序代碼。它的連接方式是XTAL1和XTAL2端分別接晶振的兩端，再接兩個小電容后接地，如圖1所示。單片機工作時，是一條一條地從ROM中取指令，然后一步一步地執(zhí)行。單片機訪問一次存儲器的時間，稱之為一個機器周期，這是一個時間基準(zhǔn)。一個機器周期包括12個時鐘周期。為了實現(xiàn)精準(zhǔn)定時，本設(shè)計中采用的晶振為12MHz，它的時鐘周期是1/12us，它的一個機器周期是12×(1/12)us，也就是1us。圖2單片機系統(tǒng)電路2.1.2復(fù)位電路單片機在啟動時都需要復(fù)位，以使CPU及系統(tǒng)各部件處于確定的初始狀態(tài)，并從初態(tài)開始工作。89系列單片機的復(fù)位信號是從RST引腳輸入到芯片內(nèi)的施密特觸發(fā)器中的。當(dāng)系統(tǒng)處于正常工作狀態(tài)時，且振蕩器穩(wěn)定后，如果RST引腳上有一個高電平并維持2個機器周期(24個振蕩周期)以上，那么CPU就可以響應(yīng)并將系統(tǒng)復(fù)位。單片機系統(tǒng)的復(fù)位方式有：手動按鈕復(fù)位和上電復(fù)位，此設(shè)計中采用手動按鈕復(fù)位，需要人為在復(fù)位輸入端RST上參加高電平，如圖1所示。一般采用的方法是在RST端和正電源Vcc之間接一個按鈕。當(dāng)人為按下按鈕時，那么Vcc的+5V電平就會直接加到RST端。手動按鈕復(fù)位的電路如所示。由于人的動作再快也會使按鈕保持接通達(dá)數(shù)十毫秒，所以，完全能夠滿足復(fù)位的時間要求。2.2電流驅(qū)動系統(tǒng)本設(shè)計采用了兩種不同的驅(qū)動方案：〔1〕方案一是直接采用達(dá)林頓管驅(qū)動芯片ULN2003A。共7路輸入和7路輸出，每一路都相當(dāng)于一個反相器，當(dāng)輸入為高電平時輸出為低電平，相反，當(dāng)輸入為低電平時輸出為高電平，每個反相器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)為由兩個三極管組合而成的達(dá)林頓管放大電路，該電路可以放大電流，提供應(yīng)繼電器足夠大的電流以使其正常工作。除了7個輸入和7個輸出外，還有兩個引腳在使用時分別接地和5V電源即可。如圖4所示當(dāng)單片機輸出高電平1時，經(jīng)過ULN2003A后變?yōu)榈碗娖?這樣在繼電器的線圈兩端就產(chǎn)生了電位差，產(chǎn)生較大電流，從而產(chǎn)生足夠的磁場，吸引繼電器的銜鐵與靜觸點1吸合，相反，那么與靜觸點2吸合。圖3ULN2003A芯片內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖4單片機通過ULN2003A驅(qū)動繼電器〔2〕方案二是采用PNP型三極管放大電路，如圖5所示，線圈兩端的電流由三極管來提供，當(dāng)單片機控制端給三極管的B極送低電平時，三極管導(dǎo)通，繼電器線圈有電流通過，繼電器吸合；相反，當(dāng)單片機控制端給三極管的B極送高電平時，三極管截止，繼電器線圈無電流通過，繼電器斷開。在繼電器兩端接一個二極管是非常重要的，必須連接，因為，線圈通電正常工作時，二極管對電路不起作用。當(dāng)繼電器線圈在斷電的一瞬間會產(chǎn)生一個很強的反向電動勢，在繼電器線圈兩端反響并聯(lián)二極管就是用來消耗這個反向電動勢的，如果不加這個反向二極管，反向電動勢會直接作用在驅(qū)動三極管上，很容易將三極管燒壞。圖5單片機通過PNP型三極管驅(qū)動繼電器2.3發(fā)光二極管演示系統(tǒng)該設(shè)計中在繼電器的輸出端相當(dāng)于一個單刀雙擲開關(guān)，如圖6所示，將動觸點接地，將左靜觸點的連一個發(fā)光二極管后與電源相連。假設(shè)動觸點與左側(cè)的靜觸點相連，就會使發(fā)光二極管點亮。在程序一中那么以1秒亮與2秒滅交替進(jìn)行在程序二中8路發(fā)光二級管左循環(huán)點亮。圖6發(fā)光二極管演示電路2.4獨立鍵盤系統(tǒng)該設(shè)計由兩個程序組成，其一是使繼電器通電1秒斷開2秒循環(huán)，在程序開始時使按下獨立鍵盤的第一個按鍵即可；其二是使八路繼電器以一秒的間隔左移循環(huán)，在程序開始時按下第二個按鍵即可。圖7獨立鍵盤電路3軟件設(shè)計根據(jù)設(shè)計方案，本設(shè)計使用了編程軟件KeiluVision3，使用C語言進(jìn)行編程，使用protues7professional進(jìn)行了仿真，并且使用了單片機開發(fā)板實現(xiàn)了程序，實現(xiàn)了最終目的。3.1軟件執(zhí)行過程本課題的軟件設(shè)計采用了模塊化設(shè)計的思想。主程序流程如圖8所示，在流程圖中，K1、K2分別表示獨立鍵盤的第一、第二個按鍵，程序開始運行時，先初始化數(shù)據(jù)，定義定時器的工作方式，裝入定時器初值，翻開定時器中斷允許開關(guān)，翻開總中斷開關(guān)。進(jìn)入鍵盤掃描程序，假設(shè)按下K1鍵，那么進(jìn)入程序1，開啟定時器后進(jìn)入while〔1〕的死循環(huán)等待定時器中斷產(chǎn)生，每50毫秒產(chǎn)生一次中斷，20次中斷后時間到達(dá)1秒，繼電器連通1秒后斷開，再通過定時器計時2秒后，重新接通，如此往復(fù)循環(huán)；假設(shè)按下K2鍵，那么進(jìn)入程序2，給P2口給0xfe，使得只有P2.0口控制的繼電器處于接通狀態(tài)，開啟定時器后進(jìn)入while〔1〕的死循環(huán)等待定時器中斷產(chǎn)生，每隔一秒8個繼電器的狀態(tài)左移一位，如此循環(huán)往復(fù)。3.2子程序模塊在整個程序中，共包含了主程序、定時器1中斷程序、獨立鍵盤掃描程序。主函數(shù)先定義定時器1的工作方式并裝入初值，此處選用工作方式1，裝入的初值是15536。這里先解釋一下裝初值的問題，定時器一旦啟動它便在原來的數(shù)值上加1計數(shù)，假設(shè)在程序開始時沒有設(shè)置TH1和TL1，他們的默認(rèn)值就都是0，時鐘頻率為12MHz，12個時鐘周期為一個機器周期，那么此時機器就是1us，計滿TH1和TL1就需要216-1個數(shù)，開始開始定時器裝初值定時器裝初值獨立按鍵掃描獨立按鍵掃描YK1按下？YK1按下？N[鍵入文檔的引述或關(guān)注點的摘要。您可將文本框放置在文檔中的任何位置。請使用“繪圖工具〞選項卡更改引言文本框的格式。]N[鍵入文檔的引述或關(guān)注點的摘要。您可將文本框放置在文檔中的任何位置。請使用“繪圖工具〞選項卡更改引言文本框的格式。]N定時器開啟，等待中斷產(chǎn)生K2按下？N定時器開啟，等待中斷產(chǎn)生K2按下？YY繼電器以1秒通、繼電器以1秒通、2秒斷循環(huán)定時器開啟，等待定時器開啟，等待中斷產(chǎn)生8路繼電器通斷8路繼電器通斷左移循環(huán)圖8程序流程圖再來一個脈沖計數(shù)器溢出，隨即向CPU申請中斷。因此溢出一次共需要65536us,那么我們要定時50ms的話，就需要給TH1和TL1裝初值，在這個初值的根底上計50000個數(shù)后，定時器溢出，此時就是剛好50ms一次中斷，TH1和TL1中要裝入的總數(shù)為65536-50000=15536，把15536對256求模：15536\256=60裝入TH1中，把15536對256求余：15536%256=176裝入TL1中。那么當(dāng)定時器工作在方式1，設(shè)機器周期為T，定時器產(chǎn)生一次中斷的時間為t，那么需要計數(shù)的個數(shù)N=t/T，那么裝入THX和TLX中的數(shù)就分別為：THX=(65536-N)/256(1)TLX=(65536-N)%256(2)在翻開了中斷總開關(guān)和定時器1的開關(guān)后，累計20次中斷就成為1秒，這樣就形成了1秒的精準(zhǔn)定時。在獨立鍵盤掃描程序中，使用了2個if語句，分別表示檢測K1鍵和K2鍵是否按下，通過給定義的pro賦不同的值來控制定時器中斷子程序執(zhí)行的語句，當(dāng)pro為0時，以flag為標(biāo)志，區(qū)別是接通1秒還是斷開2秒，用if語句判斷，假設(shè)flag為0，為接通1秒，假設(shè)flag為1，為斷開2秒；當(dāng)pro為1時，同樣通過if語句實現(xiàn)其功能，先給輸出P2賦值0xfe,1秒后按位左移1位，并將移動后的數(shù)與0x01作或運算，剛好得到0xfd，以后的每次運算都作這種處理，便可實現(xiàn)循環(huán)左移的功能，當(dāng)循環(huán)8次后，經(jīng)或運算的結(jié)果為0xff，并將永久保持下去，故需要重新給P2賦值0xfe，這樣才保證了永久的循環(huán)。4調(diào)試分析圖9繼電器接通1秒仿真結(jié)果圖7數(shù)碼管分別顯示8組存儲的數(shù)據(jù)圖10繼電器斷開2秒仿真結(jié)果圖118路繼電器1秒左移循環(huán)控制仿真結(jié)果程序的執(zhí)行結(jié)果分別如圖9、圖10和圖11所示。圖9和圖10是繼電器接通1秒斷開2秒的仿真結(jié)果，圖11是8路繼電器間隔1秒左移循環(huán)控制的仿真結(jié)果。需要注意的是，上示結(jié)果是比擬理想化的仿真結(jié)果，并非實物所到達(dá)的要求，在實物中，大多數(shù)通過單片機這種小信號輸出控制的繼電器通常需要參加驅(qū)動電路來實現(xiàn)。這本次課設(shè)中，我除了使用了仿真，還使用了單片機開發(fā)板上得實物，開發(fā)板上是以ULN2003A的驅(qū)動芯片直接驅(qū)動的，如果沒有這個驅(qū)動芯片，就沒有足夠大的電流，是無法讓繼電器正常工作的。5結(jié)論及進(jìn)一步設(shè)想根據(jù)實驗結(jié)果，本設(shè)計完成了設(shè)計要求，即利用定時器精準(zhǔn)計時，利用獨立鍵盤進(jìn)行控制，實現(xiàn)了繼電器的1秒通、2秒斷的循環(huán)控制和8路繼電器循環(huán)左移控制的要求。但在演示局部只是采用了發(fā)光二極管同樣是弱電的輸出系統(tǒng)，雖熟練了其用法，但是還未涉及其真正的價值，嘗試控制強電裝置，以及運用于電力保護(hù)、自動化、運動、遙控、測量和通信等繼電器廣泛涉及的領(lǐng)域，會是我的下一個目標(biāo)。參考文獻(xiàn)[1]劉復(fù)華.單片機及其應(yīng)用系統(tǒng).北京:清華大學(xué)出版社,1992,08[2]郭天祥.新概念51單片機C語言教程.北京.電子工業(yè)出版社.2023,12[3]戴佳，戴衛(wèi)恒.51單片機C語言應(yīng)用程序設(shè)計實例精講.北京.電子工業(yè)出版社.2006,04[4]孫傳友.測控系統(tǒng)原理與設(shè)計.北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2002，08課設(shè)體會通過本次智專業(yè)綜合課程設(shè)計，我對單片機的認(rèn)識和操作程度又有了一個提升，尤其是對單片機的定時器的使用已經(jīng)比擬熟練，對程序語言的邏輯運用也有了質(zhì)的飛躍。硬件方面，我掌握了繼電器的原理和使用方法，并對其應(yīng)用領(lǐng)域有了深刻地認(rèn)識，對繼電器的驅(qū)動電路也有了深刻地體會，無論是三極管的驅(qū)動還是ULN2003A芯片的驅(qū)動我都掌握了其原理。對關(guān)鍵的軟件如Keiluvision3和Proteus7的使用也更加熟練，對單片機時鐘的意義有了明確的認(rèn)識，并且有了精簡程序的意識。這次課程設(shè)計還培養(yǎng)了我獨立自主的能力，軟件的編寫和硬件的連接的整個過程都是先經(jīng)過根底知識的學(xué)習(xí)，再通過獨立認(rèn)真地思考，仔細(xì)地分析后做出來的。這期間我的意志得到了磨練，知識得到了穩(wěn)固，動手能力得到了鍛煉，有不少的收獲。當(dāng)然本次課程設(shè)計離不開指導(dǎo)教師對我的悉心指導(dǎo)，在課設(shè)期間我遇到了很多困難，在老師的指點下我才解決了這些關(guān)鍵的問題。在此真心地感謝老師對我的幫助。也感謝這次課程設(shè)計給我學(xué)習(xí)知識和親手制作的時機讓我深刻地認(rèn)識到單片機在日常生活中的重要性。[2023年1月13日完成]附錄1電路原理圖附錄2程序清單#include<reg52.h>#defineucharunsignedchar#defineuintunsignedintsbitjidianqi_1=P2^6;sbitjidianqi_2=P2^7;sbitkeyone=P1^0;sbitkeytwo=P1^1;uchart,sec