基于单片机的继电器控制

目录

0 前言 (1)

1 总体方案设计 (1)

2 硬件电路设计 (2)

2.1单片机系统 (2)

2.1.1 晶振时钟电路 (2)

2.1.2 复位电路 (3)

2.2电流驱动系统 (3)

2.3发光二极管演示系统 (5)

2.4独立键盘系统 (5)

3 软件设计 (6)

3.1软件执行过程 (6)

3.2子程序模块 (6)

4 调试分析 (8)

5 结论及进一步设想 (9)

参考文献 (9)

课设体会 (10)

附录1 电路原理图 (11)

附录2 程序清单 (12)

基于单片机的继电器控制系统设计

胡启洋沈阳航空航天大学自动化学院

摘要：本文设计了一种基于单片机的继电器控制系统，由单片机、继电器、驱动电路、发光二极管、独立键盘等部分组成，主要使用了单片机开发板上STC公司生产的89C54RD+型号单片机及其最小系统、ULN2003A达林顿管驱动芯片、JQC-3F-05VDC-1ZS 型号继电器、四个发光二极管，运用定时器精准定时对继电器开关进行控制，并在继电器输出端使用发光二极管显示。在以上基础上，实现了8路继电器的循环控制功能。

关键词：单片机；继电器；驱动电路。

0 前言

继电器是当输入量（如电压、电流、温度等）达到规定值时，使被控制的输出电路导通或断开的电器。它可分为电气量（如电流、电压、频率、功率等）继电器及非电气量（如温度、压力、速度等）继电器两大类。继电器具有动作快、工作稳定、使用寿命长、体积小等优点。广泛应用于电力保护、自动化、运动、遥控、测量和通信等装置中。

继电器是一种电子控制器件，它具有控制系统（又称输入回路）和被控制系统（又称输出回路），通常应用于自动控制电路中，它实际上是用较小的电流去控制较大电流的一种“自动开关”。故在电路中起着自动调节、安全保护、转换电路等。

电磁继电器一般由铁芯、线圈、衔铁、触点簧片等组成的。只要在线圈两端加上一定的电压，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合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，可以这样来区分：继电器线圈为通电时处于断开状态的静触点，成为“常开触点”；处于接通状态的静触点称为“常闭触点”。

1 总体方案设计

针对本课题的设计任务，进行分析得到：本次设计通过单片机I/O口输出高低电平控制继电器的输入端，采用ULN2003A型号的达林顿管驱动芯片加大输入电流，使用内部定时器中断进行精准计时，实现继电器通断时间分别为1秒、2秒的精准控制，并实现通过继电器进行八路发光二级管循环1秒的控制。

该继电器控制系统的设计，在总体上大致可分为以下几个部分组成：1.单片机及其最小系统电路，为了使单片机正常工作，需要加入晶振电路，为了使单片机方便使用，需要

加入复位电路。2.继电器驱动电路部分。由于单片机输出的电流不足以使电磁继电器的线圈产生足够大的磁力，无法使衔铁与触点簧片吸合，就不能使继电器正常工作。为了使继电器正常工作，需要加入放大电流的驱动电路。该设计考虑了两种不同的驱动方案：（1）使用ULN2003A达林顿管驱动芯片进行驱动，此方案简单易用，只需一个芯片便可驱动7路继电器；（2）采用PNP型三极管放大电路，该方案目的明确，易于理解。3.定时器计时部分。该设计中采用了定时器1的工作方式1，装入的初值是（65535-50000），在计满50000个数之后，TF1置为1，产生中断，当使用晶振频率为12MHz时，定时器刚好每50ms产生一次中断，这个时间的20倍恰好是1秒中，这样便可实现1秒与2秒的精准控制。

图1 系统原理框图

整个电路的工作原理是单片机首先定义定时器1的工作方式为1,使用晶振频率12MHz，装入初值（65535-50000），这样当开启定时器1时每50ms产生一次中断，累计20次便为1秒，1秒累计2次便为2秒，通过设置标志位flag的状态，区别继电器的通2秒与断1秒。设置P2口为输出口，将P2口连接在ULN2003A的输入端，ULN2003的电源端接+5V电源，地端接地，输出直接接在继电器的一个输入端，继电器的另一个输入端接地。这样便可通过控制P2口的高低电平，来控制继电器的通断。

2硬件电路设计

2.1单片机系统

2.1.1晶振时钟电路

晶振是单片机正常工作的必要器件，他提供时钟周期，执行程序代码。它的连接方式是XTAL1和XTAL2端分别接晶振的两端，再接两个小电容后接地，如图1所示。单片机工作时，是一条一条地从ROM中取指令，然后一步一步地执行。单片机访问一次存储器的时间，称之为一个机器周期，这是一个时间基准。一个机器周期包括12个时钟周期。为了实现精准定时，本设计中采用的晶振为12MHz，它的时钟周期是1/12us，它的一个机器周期是12×(1/12)us，也就是1us。

图2 单片机系统电路

2.1.2复位电路

单片机在启动时都需要复位，以使CPU及系统各部件处于确定的初始状态，并从初态开始工作。89系列单片机的复位信号是从RST引脚输入到芯片内的施密特触发器中的。当系统处于正常工作状态时，且振荡器稳定后，如果RST引脚上有一个高电平并维持2个机器周期(24个振荡周期)以上，则CPU就可以响应并将系统复位。单片机系统的复位方式有：手动按钮复位和上电复位，此设计中采用手动按钮复位，需要人为在复位输入端RST上加入高电平，如图1所示。一般采用的办法是在RST端和正电源Vcc之间接一个按钮。当人为按下按钮时，则Vcc的+5V电平就会直接加到RST端。手动按钮复位的电路如所示。由于人的动作再快也会使按钮保持接通达数十毫秒，所以，完全能够满足复位的时间要求。

2.2 电流驱动系统

本设计采用了两种不同的驱动方案：

（1）方案一是直接采用达林顿管驱动芯片ULN2003A。共7路输入和7路输出，每一路都相当于一个反相器，当输入为高电平时输出为低电平，相反，当输入为低电平时输出为高电平，每个反相器的内部结构为由两个三极管组合而成的达林顿管放大电路，该电路可以放大电流，提供给继电器足够大的电流以使其正常工作。除了7个输入和7个输出外，还有两个引脚在使用时分别接地和5V电源即可。如图4所示当单片机输出高电平1时，经过ULN2003A后变为低电平0这样在继电器的线圈两端就产生了电位差，产生较大电流，从而产生足够的磁场，吸引继电器的衔铁与静触点1吸合，相反，则与静触点2