光電繼電器控制

1、課程設計說明書單片機原理與接口技術專 業(yè)電氣工程及其自動化學生姓名宋豐宇班級B電建101學號 1010602108扌旨導教師 吳冬春完成日期2014年1月17日 、尸 、-前言單片機已經滲透到生活的各個領域 , 它是很難找到哪些領域沒有單片機的痕跡。導 彈的導航裝置 ,在飛機上控制各種儀器 , 計算機網絡通信和數據傳輸 ,工業(yè)自動化過程的 實時控制和數據處理。該微控制器被廣泛用于在該領域的智能管理和過程控制 , 儀器儀 表,家電產品 , 醫(yī)療設備 , 航空航天 , 專門的設備。近年來, 隨著電子信息產業(yè)的快速發(fā)展 , 作為繼電器的基本組成部分 ,廣泛應用于家電 ,通訊，汽車 ,儀器儀表,機械設

2、備 ,航空航 天自動化和控制領域。最近的統(tǒng)計數據顯示 , 繼電器已經成為第一大產品在電子元件產 品之中。單片機控制繼電器的電路在生活中隨處可見 , 小的元件但是作用無窮。繼電器是當輸入量（如電壓、電流、溫度等）達到規(guī)定值時，使被控制的輸出電路 導通或斷開的電器。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。 廣泛應用于電力保護、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），通常應用于自動控制電路中，它實

3、際上是用較小的電流去控制較大電流 的一種“自動開關”。故在電路中起著自動調節(jié)、安全保護、轉換電路等作用。本設計基于單片機AT89C51所設計，通過P1 口輸出高低電平，控制幾點起的開合， 以實現(xiàn)對外部的控制。目錄 TOC o 1-5 h z HYPERLINK l bookmark4 o Current Document 理論部分 3課題要求與內容 3系統(tǒng)方案設計 3系統(tǒng)硬件的設計 4系統(tǒng)軟件設計 9 HYPERLINK l bookmark8 o Current Document 實踐部分 10系統(tǒng)硬件原理簡介 10系統(tǒng)硬件調試中出現(xiàn)的問題及解決措施 10系統(tǒng)軟件 113.1 軟件設計 11

4、3.2軟件調試中出現(xiàn)的問題及解決措施 12 HYPERLINK l bookmark10 o Current Document 結束語 12 HYPERLINK l bookmark12 o Current Document 參考文獻 12 HYPERLINK l bookmark14 o Current Document 附錄 13參考程序清單 13元器件清單 14系統(tǒng)仿真圖 14一理論部分光電隔離多路繼電器控制1課題要求與內容設計目的：（1）掌握用繼電器的基本方法和編程。（2） 熟悉Proteus的操作環(huán)境，能夠使用 keil u-vision和proteus對單 片機程序進行聯(lián)合調試的方

5、法。（3）學習C51語言的程序設計方法，已經其編程與調試方法。設計要求：利用P1 口輸出高低電平，控制繼電器的開合，以實現(xiàn)對外部的控制。2系統(tǒng)方案設計根據設計要求，提出如下方案：方案一：PICI6F87X系列8位單片機是采用精簡指令集（RISC）結構和FLAS存 儲技術的高性能的嵌入式單片機，突出的優(yōu)點是內部集成了一個在線調試器（In Circuit Debugger），可以實現(xiàn)在線調試和在線編程。方案二：采用51單片機系統(tǒng)中的8051單片機從功耗、驅動能力、外圍模塊設計等 方面，8051單片機也有一些獨到之處如：上電、掉電延時復位保護和看門狗功能，I/O管 腳驅動能力和抗干擾能力強。該系列單

6、片機的功能基本相近，只是在存儲器大小、引腳 數目、A/D轉換器個數等有所區(qū)別，用戶可方便地選擇最適用的型號。兩種方案的特點比較如下：方案一的圖案顯示逼真，單片機占用端口資源少，缺點是需要大量的硬件，電路復雜，耗電量大，不太適合于模型制作。方案二具有電路簡單，設計方便，顯示亮度高，耗電較少，可靠性高等特點；可見 方案二優(yōu)于方案一，因此本設計選用方案二。本次設計的整體方案確定如下：該設計的控制系統(tǒng)的基本原理圖如圖1，主要由單片機 AT89C51，光耦隔離器OPTOCOUPLER，電磁繼電器RTE24005F,按鍵、燈泡以及一些其他相關元件設計而成。圖1基本原理圖3系統(tǒng)硬件的設計本設計的硬件電路主要

7、包括最小系統(tǒng)、開關電路、信號部分。最小系統(tǒng)主要是為了 使單片機正常工作。控制電路主要由開關和按鍵組成，由操作者根據相應的工作需要進 行操作。驅動電路主要由光耦隔離器和繼電器組成，控制燈泡的點亮和熄滅。3.1最小系統(tǒng)單片機(如圖2)：本次設計使用單片機芯片AT89C51AT89C51的工作特性：內含4KB的FLASH存儲器檫寫次數1000次；內含128字節(jié)的RAM ;具有32根可編程I/O線；具有2個16位編程定時器；具有6個中斷源，5個中斷矢量，2級優(yōu)先權的中斷結構；具有1個全雙工的可編程串行通信接口；具有1個數據指針DPTR;具有可編程3級程序鎖定位；AT89C51的工作電源為5 (1).2

8、) V且典型值為5V ；AT89C51最高工作頻率為24MHZ ；AT89C51的編程頻率為324MHZ,編程啟動電流和啟動電壓分別為1mA、5或12VU1XTAL118P0.0/AD0P0.1/AD139293031XTAL2RSTPSENALEEAP1.0P1.1P1.2P1.3P1.4P1.5P1.6P1.7P0.2/AD2P0.3/AD3P0.4/AD4P0.5/AD5P0.6/AD6P0.7/AD7P2.0/A8P2.1/A9P2.2/A10P2.3/A11P2.4/A12P2.5/A13P2.6/A14P2.7/A15P3.0/RXDP3.1/TXDP3.2/INT0P3.3/IN

9、T1P3.4/T0P3.5/T1P3.6/WRP3.7/RD38373635Mt333221222324252627281011121314151617AT89C51圖 2 AT89C51管腳說明：P0 口： P0 口為一個8位漏級開路雙向I/O 口，每腳可吸收8TTL門電流。當P0 口 的管腳第一次寫1時，被定義為高阻輸入。P0能夠用于外部程序數據存儲器，它可以 被定義為數據/地址的低八位。在FIASH編程時，P0 口作為原碼輸入口，當FIASH進 行校驗時，P0輸出原碼，此時P0外部必須接上拉電阻。P1 口： P1 口是一個內部提供上拉電阻的8位雙向I/O 口，P1 口緩沖器能接收輸出 4

10、TTL門電流。P1 口管腳寫入1后，被內部上拉為高，可用作輸入，P1 口被外部下拉為 低電平時，將輸出電流，這是由于內部上拉的緣故。在FLASH編程和校驗時，P1 口作為低八位地址接收。P2 口： P2 口為一個內部上拉電阻的8位雙向I/O 口，P2 口緩沖器可接收，輸出4 個TTL門電流，當P2 口被寫“ 1”時，其管腳被內部上拉電阻拉高，且作為輸入。并 因此作為輸入時，P2 口的管腳被外部拉低，將輸出電流。這是由于內部上拉的緣故。 P2 口當用于外部程序存儲器或16位地址外部數據存儲器進行存取時，P2 口輸出地址的 高八位。在給出地址“ 1”時，它利用內部上拉優(yōu)勢，當對外部八位地址數據存儲

11、器進 行讀寫時，P2 口輸出其特殊功能寄存器的內容。P2 口在FLASH編程和校驗時接收高八 位地址信號和控制信號。P3 口： P3 口管腳是8個帶內部上拉電阻的雙向I/O 口，可接收輸出4個TTL門電 流。當P3 口寫入“ 1”后，它們被內部上拉為高電平，并用作輸入。作為輸入，由于外 部下拉為低電平，P3 口將輸出電流（ILL ）這是由于上拉的緣故。RST：復位輸入。當振蕩器復位器件時，要保持RST腳兩個機器周期的高電平時間。ALE/PROG :當訪問外部存儲器時，地址鎖存允許的輸出電平用于鎖存地址的低位 字節(jié)。在FLASH編程期間，此引腳用于輸入編程脈沖。在平時，ALE端以不變的頻率周期輸

12、出正脈沖信號，此頻率為振蕩器頻率的1/6。因此它可用作對外部輸出的脈沖或用于定時目的。然而要注意的是：每當用作外部數據存儲器時，將跳過一個ALE脈沖。如想禁止ALE的輸出可在SFR8EH地址上置0。此時，ALE只有在執(zhí)行 MOVX ,MOVC 指令是ALE才起作用。另外，該引腳被略微拉高。如果微處理器在外部執(zhí)行狀態(tài)ALE禁止，置位無效。/PSEN:外部程序存儲器的選通信號。在由外部程序存儲器取指期間，每個機器周 期兩次/PSEN有效。但在訪問外部數據存儲器時，這兩次有效的 /PSEN信號將不出現(xiàn)。/EA/VPP :當/EA保持低電平時，則在此期間外部程序存儲器（0000H-FFFFH），不 管

13、是否有內部程序存儲器。注意加密方式 1時，/EA將內部鎖定為RESET；當/EA端保 持高電平時，此間內部程序存儲器。在 FLASH編程期間，此引腳也用于施加12V編程 電源（VPP）。XTAL1 :反向振蕩放大器的輸入及內部時鐘工作電路的輸入。XTAL2 :來自反向振蕩器的輸出。3.2開關電路設計如圖3所示，根據系統(tǒng)的控制要求，設置 3個開關S1、S2、S3,從而控制驅動電 路的驅動。利用P1 口輸出高低電平，控制繼電器的開合，以實現(xiàn)對外部的控制，控制燈泡的點亮和熄滅3.3驅動電路的設計（1）光電隔離器介紹光電隔離器（optical coupler，英文縮寫為0C）亦稱光耦合器，簡稱光耦。光

14、耦合 器以光為媒介傳輸電信號。它對輸入、輸出電信號有良好的隔離作用，所以，它在各種 電路中得到廣泛的應用。目前它已成為種類最多、用途最廣的光電器件之一。光耦合器 一般由三部分組成：光的發(fā)射、光的接收及信號放大。輸入的電信號驅動發(fā)光二極管（LED），使之發(fā)出一定波長的光，被光探測器接收而產生光電流，再經過進一步放大 后輸出。這就完成了電一光一電的轉換，從而起到輸入、輸出、隔離的作用。由于光耦 合器輸入輸出間互相隔離，電信號傳輸具有單向性等特點，因而具有良好的電絕緣能力 和抗干擾能力。又由于光耦合器的輸入端屬于電流型工作的低阻元件，因而具有很強的 共模抑制能力。所以，它在長線傳輸信息中作為終端隔離

15、元件可以大大提高信噪比。大 大增加計算機工作的可靠性。光電隔離器可以組成多種多樣的應用電路。如組成光電隔 離電路，長傳輸線隔離器，TTL電路驅動器，CMOS電路驅動器，脈沖放大器等。目前, 在A/D模擬轉換開關，光斬波器，交流、直流固態(tài)繼電器等方面也有廣泛應用。光電 隔離器的輸入部分為紅外發(fā)光二極管，可以采用TTL或CMOS數字電路驅動。12叫654OPTOCOUPLER-NPN圖4光耦隔離器（2）電磁繼電器的介紹電磁式繼電器一般由鐵芯、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，從而產生電磁效應，銜鐵就會在電磁力吸引 的作用下克服返回彈簧的拉力吸向

16、鐵芯，從而帶動銜鐵的動觸點與靜觸點（常開觸點） 吸合。當線圈斷電后，電磁的吸力也隨之消失，銜鐵就會在彈簧的反作用力返回原來的 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，從而達到了在電 路中的導通、切斷的目的。對于繼電器的“常開、常閉”觸點，可以這樣來區(qū)分：繼電 器線圈未通電時處于斷開狀態(tài)的靜觸點，稱為“常開觸點”；處于接通狀態(tài)的靜觸點稱為“常閉觸點”。3.4晶振模塊晶振是為電路提供頻率基準的元器件，通常分成有源晶振和無源晶振兩個大類，無源晶振需要芯片內部有振蕩器，并且晶振的信號電壓根據起振電路而定，允許不同的電壓，但無源晶振通常信號質量和精度較差，需要精確匹配外圍電路（電感

17、、電容、電阻等），如需更換晶振時要同時更換外圍的電路。 有源晶振不 需要芯片的內部振蕩器， 可以提供高精度的頻率基準，信號質量也較無源晶振要好。晶振是單片機正常工作的必要器件，它提供時鐘周期，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 6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。單片機訪冋一次存儲 器的時間，成為一個機器周期，這是一個時間基準。一個機器周期包括12個時鐘周期。為了實現(xiàn)準確定時，本設計中采用的晶振為 12MHz它的時鐘周期是1/12us，它的一個 機器周期是1usoXTAL1POJOZADOK

18、TAL2RSTP0.1/AD1P0.2/AD2P0.3iUU3P0 4iWM4P0 5JWD5P0.6/AD6P07/AO7P2J0ZA8P2.VA9P2 2/A10PSENP2.3/A11ALEP2.4/A12EAP2-5/A13P.B/A14P2.7/A15P1.0P3.0jRXDP1.1P3.1/TXDP1 2P1.3P3.2JNT0P3.3/INTFP1.4P3.4/TQP1 5P1 6P3.6/WP1 7P3.7/RD圖6晶振模塊3.5電源模塊單片機要有個好的運行狀態(tài)，電源一定要穩(wěn)定。為了給單片機提供5V電源，設計了如圖7所示的電源模塊。原理簡介：先降壓，后整流、穩(wěn)壓。如果電流大就用

19、開關電源，如果電流小就用阻 容，具體接法：220V經電容（680n左右400V以上，并聯(lián)一個1M左右的泄放電阻）降 壓，再經橋式整流（1N4007就可以）電容濾波，出口接一小阻值限流電阻、5V穩(wěn)壓管,即可。要得到別的電壓就換穩(wěn)壓管即可。需要其他電源原理同上。3.5總體電路圖把各個部分的電路圖組合成總電路圖， 就是一個完整的由單片機控制的光電隔離器 多路繼電器控制的系統(tǒng)，利用 P1 口輸出高低電平，控制繼電器的開合，實現(xiàn)燈泡的亮 和熄滅。圖8總體電路圖4系統(tǒng)軟件設計主程序中要完成的工作主要有系統(tǒng)初始值的設置、系統(tǒng)狀態(tài)的顯示以及開關狀態(tài)的 檢測判斷等。利用P1 口的開關S1、S2、S3輸出高低電平

20、，分別來控制光耦導通輸出高 低電平，從而來控制繼電器的吸合，控制燈泡的亮和滅 。如圖7所示，按下電源按鍵S1、S2、S3后使得仿真左側的電路導通，從而使繼電 器吸合，分別使燈泡L1、L2、L3亮起。程序流程圖：開始P1 口 =0光耦隔離器 發(fā)光二極管 亮P1 口 =1光耦隔離器 發(fā)光二極管 不亮繼電器吸合繼電器不吸燈泡亮燈泡不亮圖9程序流程圖二實踐部分1系統(tǒng)硬件原理簡介系統(tǒng)原理：利用P1 口的開關S1、S2、S3輸出高低電平，分別來控制光耦導通輸出 高低電平，從而來控制繼電器的吸合，控制燈泡的亮和滅。2系統(tǒng)硬件調試中出現(xiàn)的問題及解決措施（1）電源無法正常供電解決措施：檢查出元器件的損壞，更換元

21、器件。（2）P0 口給出高低電平繼電器都不響應解決措施：在 P0 口加上拉電阻3系統(tǒng)軟件編譯程序使用Keil軟件，繪制原理圖使用Protel軟件，繪制仿真圖和系統(tǒng)仿真使 用Proteus軟件。Proteus軟件是英國Lab Center Electronics 公司出版的EDA工具軟件。它不僅具 有其它EDA工具軟件的仿真功能，還能仿真單片機及外圍器件。它是目前最好的仿真單 片機及外圍器件的工具。雖然目前國內推廣剛起步，但已受到單片機愛好者、從事單片 機教學的教師、致力于單片機開發(fā)應用的科技工作者的青睞。Proteus是世界上著名的EDA工具（仿真軟件），從原理圖布圖、代碼調試到 單片機 與外

22、圍電路協(xié)同仿真，一鍵切換到 PCB設計，真正實現(xiàn)了從概念到產品的完整設計。是 目前世界上唯一將電路仿真軟件、PCB設計軟件和虛擬模型仿真軟件三合一的設計平臺， 其處理器模型支持 8051、HC11 PIC10/12/16/18/24/30/DsPIC33 、AVR ARM 8086 和 MSP43等，2010年又增加了 Cortex和DSP系列處理器，并持續(xù)增加其他系列處理器模 型。在編譯方面，它也支持IAR、Keil和MPLA蒔多種編譯器。功能特點Proteus軟件具有其它EDA工具軟件（例：multisim ）的功能。這些功能是：原理布圖PCB自動或人工布線SPICE電路仿真Keil C5

23、1是美國Keil Software 公司出品的51系列兼容單片機C語言軟件開發(fā)系 統(tǒng)，與匯編相比，C語言在功能上、結構性、可讀性、可維護性上有明顯的優(yōu)勢，因而 易學易用。Keil提供了包括C編譯器、宏匯編、連接器、庫管理和一個功能強大的仿真 調試器等在內的完整開發(fā)方案，通過一個 集成開發(fā)環(huán)境（uVision ）將這些部分組合在 一起。運行Keil軟件需要WIN98 NT、WIN2000 WINXP等操作系統(tǒng)。如果你使用 C語 言編程，那么Keil幾乎就是你的不二之選，即使不使用 C語言而僅用匯編語言編程， 其方便易用的集成環(huán)境、強大的軟件仿真調試工具也會令你事半功倍。Keil卩Vision4引

24、入靈活的窗口管理系統(tǒng)，使開發(fā)人員能夠使用多臺監(jiān)視器，并提 供了視覺上的表面對窗口位置的完全控制的任何地方。新的用戶界面可以更好地利用屏幕空間和更有效地組織多個窗口，提供一個整潔，高效的環(huán)境來開發(fā)應用程序。新版本 支持更多最新的ARM芯片，還添加了一些其他新功能。2011年3月ARM公司發(fā)布最新集 成開發(fā)環(huán)境RealView MDKff發(fā)工具中集成了最新版本的 Keil uVision4，其編譯器、調 試工具實現(xiàn)與ARM器件的最完美匹配。3.1軟件設計主程序中要完成的工作主要有系統(tǒng)初始值的設置、系統(tǒng)狀態(tài)的顯示以及開關狀態(tài)的 檢測判斷等。利用P1 口的開關S1、S2、S3輸出高低電平，分別來控制光

25、耦導通輸出高 低電平，從而來控制繼電器的吸合，控制燈泡的亮和滅。軟件程序見附錄。3.2軟件調試中出現(xiàn)的問題及解決措施編譯后沒有生成*hex文件解決措施：設置工程的output屬性，再進行編譯，可生成*.hex文件，然后可進行 仿真。三結束語通過這次單片機設計，我在多方面都有所提高。通過這次單片機設計，綜合運用本 專業(yè)所學課程的理論和生產實際知識進行一次單片機設計工作的實際訓練從而培養(yǎng)和 提高學生獨立工作能力，鞏固與擴充了單片機課程所學的內容，掌握單片機設計的方法 和步驟，掌握單片機設計的基本的技能懂得了怎樣分析電路，了解了單片機的基本結構， 提高了計算能力，繪圖能力，熟悉了規(guī)范和標準。通過本次

26、課程設計，我對單片機的認識和操作程度又有了一個提升，對程序語言的 邏輯運用也有了質的飛躍。硬件方面，我掌握了繼電器的原理和使用方法，并對其應用 領域有了深刻地認識，對繼電器的驅動電路也有了深刻地體會。對關鍵的軟件如Keiluvision4和Proteus7的使用也更加熟練。這次課程設計還培養(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過基礎知識的學習，再通過獨立認真地思考，仔細地分析后做出來的。這期間我的意志得到了磨練，知識得到了鞏固，動手能 力得到了鍛煉，有不少的收獲。在設計的過程中，通過請教老師和同學，上網或上圖書館查資料將這些問題解決。 這樣不僅鞏固了以前所學過的知識，

27、加深了我對所學知識的理解，而且學到了很多在書 本上未涉及的知識，鍛煉了搜集有用信息的能力。軟件編程過程中，由于采用C語言編程，以前雖然有過接觸，但并不是很熟練，所以參考了別人的設計思路，琢磨研究弄懂 后，又試著修改程序。在出現(xiàn)錯時候，研究錯誤出在哪里，經過不懈努力，最終找出錯 誤所在，滿足了基本的設計要求。當然本次課程設計離不開指導教師對我的悉心指導，在課設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鍵的問題。在此，真心地感謝老師對我的幫助！四參考文獻張?zhí)m紅.單片微機原理及應用.北京：機械工業(yè)出版社，2012.李忠國.單片機應用技能實訓M.北京：人民郵電出版社，2006.先鋒工作室.單片機程序設計實例M.北京：清華大學出版社，2003.張毅剛.單片機原理及接口技術M.哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學出版社，1990.1994.2007.2006. 何立民.單片機應用技術大全M.北京：北京航空航天大學出版社，樓然苗.單片機課程設計指導M.北京：北京航空航天大學出版社，丁元杰.單片微機原理及應用（第3版）M.北京：