光电继电器控制

1、课程设计说明书单片机原理与接口技术专 业电气工程及其自动化学生姓名宋丰宇班级B电建101学号 1010602108扌旨导教师 吴冬春完成日期2014年1月17日 、尸 、-前言单片机已经渗透到生活的各个领域 , 它是很难找到哪些领域没有单片机的痕迹。导 弹的导航装置 ,在飞机上控制各种仪器 , 计算机网络通信和数据传输 ,工业自动化过程的 实时控制和数据处理。该微控制器被广泛用于在该领域的智能管理和过程控制 , 仪器仪 表,家电产品 , 医疗设备 , 航空航天 , 专门的设备。近年来, 随着电子信息产业的快速发展 , 作为继电器的基本组成部分 ,广泛应用于家电 ,通讯，汽车 ,仪器仪表,机械设

2、备 ,航空航 天自动化和控制领域。最近的统计数据显示 , 继电器已经成为第一大产品在电子元件产 品之中。单片机控制继电器的电路在生活中随处可见 , 小的元件但是作用无穷。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

3、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、转换电路等作用。本设计基于单片机AT89C51所设计，通过P1 口输出高低电平，控制几点起的开合， 以实现对外部的控制。目录 TOC o 1-5 h z HYPERLINK l bookmark4 o Current Document 理论部分 3课题要求与内容 3系统方案设计 3系统硬件的设计 4系统软件设计 9 HYPERLINK l bookmark8 o Current Document 实践部分 10系统硬件原理简介 10系统硬件调试中出现的问题及解决措施 10系统软件 113.1 软件设计 11

4、3.2软件调试中出现的问题及解决措施 12 HYPERLINK l bookmark10 o Current Document 结束语 12 HYPERLINK l bookmark12 o Current Document 参考文献 12 HYPERLINK l bookmark14 o Current Document 附录 13参考程序清单 13元器件清单 14系统仿真图 14一理论部分光电隔离多路继电器控制1课题要求与内容设计目的：（1）掌握用继电器的基本方法和编程。（2） 熟悉Proteus的操作环境，能够使用 keil u-vision和proteus对单 片机程序进行联合调试的方

5、法。（3）学习C51语言的程序设计方法，已经其编程与调试方法。设计要求：利用P1 口输出高低电平，控制继电器的开合，以实现对外部的控制。2系统方案设计根据设计要求，提出如下方案：方案一：PICI6F87X系列8位单片机是采用精简指令集（RISC）结构和FLAS存 储技术的高性能的嵌入式单片机，突出的优点是内部集成了一个在线调试器（In Circuit Debugger），可以实现在线调试和在线编程。方案二：采用51单片机系统中的8051单片机从功耗、驱动能力、外围模块设计等 方面，8051单片机也有一些独到之处如：上电、掉电延时复位保护和看门狗功能，I/O管 脚驱动能力和抗干扰能力强。该系列单

6、片机的功能基本相近，只是在存储器大小、引脚 数目、A/D转换器个数等有所区别，用户可方便地选择最适用的型号。两种方案的特点比较如下：方案一的图案显示逼真，单片机占用端口资源少，缺点是需要大量的硬件，电路复杂，耗电量大，不太适合于模型制作。方案二具有电路简单，设计方便，显示亮度高，耗电较少，可靠性高等特点；可见 方案二优于方案一，因此本设计选用方案二。本次设计的整体方案确定如下：该设计的控制系统的基本原理图如图1，主要由单片机 AT89C51，光耦隔离器OPTOCOUPLER，电磁继电器RTE24005F,按键、灯泡以及一些其他相关元件设计而成。图1基本原理图3系统硬件的设计本设计的硬件电路主要

7、包括最小系统、开关电路、信号部分。最小系统主要是为了 使单片机正常工作。控制电路主要由开关和按键组成，由操作者根据相应的工作需要进 行操作。驱动电路主要由光耦隔离器和继电器组成，控制灯泡的点亮和熄灭。3.1最小系统单片机(如图2)：本次设计使用单片机芯片AT89C51AT89C51的工作特性：内含4KB的FLASH存储器檫写次数1000次；内含128字节的RAM ;具有32根可编程I/O线；具有2个16位编程定时器；具有6个中断源，5个中断矢量，2级优先权的中断结构；具有1个全双工的可编程串行通信接口；具有1个数据指针DPTR;具有可编程3级程序锁定位；AT89C51的工作电源为5 (1).2

8、) V且典型值为5V ；AT89C51最高工作频率为24MHZ ；AT89C51的编程频率为324MHZ,编程启动电流和启动电压分别为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图 2 AT89C51管脚说明：P0 口： P0 口为一个8位漏级开路双向I/O 口，每脚可吸收8TTL门电流。当P0 口 的管脚第一次写1时，被定义为高阻输入。P0能够用于外部程序数据存储器，它可以 被定义为数据/地址的低八位。在FIASH编程时，P0 口作为原码输入口，当FIASH进 行校验时，P0输出原码，此时P0外部必须接上拉电阻。P1 口： P1 口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O 口，P1 口缓冲器能接收输出 4

10、TTL门电流。P1 口管脚写入1后，被内部上拉为高，可用作输入，P1 口被外部下拉为 低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。在FLASH编程和校验时，P1 口作为低八位地址接收。P2 口： P2 口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O 口，P2 口缓冲器可接收，输出4 个TTL门电流，当P2 口被写“ 1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。并 因此作为输入时，P2 口的管脚被外部拉低，将输出电流。这是由于内部上拉的缘故。 P2 口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时，P2 口输出地址的 高八位。在给出地址“ 1”时，它利用内部上拉优势，当对外部八位地址数据存储

11、器进 行读写时，P2 口输出其特殊功能寄存器的内容。P2 口在FLASH编程和校验时接收高八 位地址信号和控制信号。P3 口： P3 口管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O 口，可接收输出4个TTL门电 流。当P3 口写入“ 1”后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。作为输入，由于外 部下拉为低电平，P3 口将输出电流（ILL ）这是由于上拉的缘故。RST：复位输入。当振荡器复位器件时，要保持RST脚两个机器周期的高电平时间。ALE/PROG :当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的低位 字节。在FLASH编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。在平时，ALE端以不变的频率周期输

12、出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的1/6。因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。然而要注意的是：每当用作外部数据存储器时，将跳过一个ALE脉冲。如想禁止ALE的输出可在SFR8EH地址上置0。此时，ALE只有在执行 MOVX ,MOVC 指令是ALE才起作用。另外，该引脚被略微拉高。如果微处理器在外部执行状态ALE禁止，置位无效。/PSEN:外部程序存储器的选通信号。在由外部程序存储器取指期间，每个机器周 期两次/PSEN有效。但在访问外部数据存储器时，这两次有效的 /PSEN信号将不出现。/EA/VPP :当/EA保持低电平时，则在此期间外部程序存储器（0000H-FFFFH），不 管

13、是否有内部程序存储器。注意加密方式 1时，/EA将内部锁定为RESET；当/EA端保 持高电平时，此间内部程序存储器。在 FLASH编程期间，此引脚也用于施加12V编程 电源（VPP）。XTAL1 :反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。XTAL2 :来自反向振荡器的输出。3.2开关电路设计如图3所示，根据系统的控制要求，设置 3个开关S1、S2、S3,从而控制驱动电 路的驱动。利用P1 口输出高低电平，控制继电器的开合，以实现对外部的控制，控制灯泡的点亮和熄灭3.3驱动电路的设计（1）光电隔离器介绍光电隔离器（optical coupler，英文缩写为0C）亦称光耦合器，简称光耦。光

14、耦合 器以光为媒介传输电信号。它对输入、输出电信号有良好的隔离作用，所以，它在各种 电路中得到广泛的应用。目前它已成为种类最多、用途最广的光电器件之一。光耦合器 一般由三部分组成：光的发射、光的接收及信号放大。输入的电信号驱动发光二极管（LED），使之发出一定波长的光，被光探测器接收而产生光电流，再经过进一步放大 后输出。这就完成了电一光一电的转换，从而起到输入、输出、隔离的作用。由于光耦 合器输入输出间互相隔离，电信号传输具有单向性等特点，因而具有良好的电绝缘能力 和抗干扰能力。又由于光耦合器的输入端属于电流型工作的低阻元件，因而具有很强的 共模抑制能力。所以，它在长线传输信息中作为终端隔离

15、元件可以大大提高信噪比。大 大增加计算机工作的可靠性。光电隔离器可以组成多种多样的应用电路。如组成光电隔 离电路，长传输线隔离器，TTL电路驱动器，CMOS电路驱动器，脉冲放大器等。目前, 在A/D模拟转换开关，光斩波器，交流、直流固态继电器等方面也有广泛应用。光电 隔离器的输入部分为红外发光二极管，可以采用TTL或CMOS数字电路驱动。12叫654OPTOCOUPLER-NPN图4光耦隔离器（2）电磁继电器的介绍电磁式继电器一般由铁芯、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引 的作用下克服返回弹簧的拉力吸向

16、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 路中的导通、切断的目的。对于继电器的“常开、常闭”触点，可以这样来区分：继电 器线圈未通电时处于断开状态的静触点，称为“常开触点”；处于接通状态的静触点称为“常闭触点”。3.4晶振模块晶振是为电路提供频率基准的元器件，通常分成有源晶振和无源晶振两个大类，无源晶振需要芯片内部有振荡器，并且晶振的信号电压根据起振电路而定，允许不同的电压，但无源晶振通常信号质量和精度较差，需要精确匹配外围电路（电感

17、、电容、电阻等），如需更换晶振时要同时更换外围的电路。 有源晶振不 需要芯片的内部振荡器， 可以提供高精度的频率基准，信号质量也较无源晶振要好。晶振是单片机正常工作的必要器件，它提供时钟周期，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 6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。单片机访冋一次存储 器的时间，成为一个机器周期，这是一个时间基准。一个机器周期包括12个时钟周期。为了实现准确定时，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图6晶振模块3.5电源模块单片机要有个好的运行状态，电源一定要稳定。为了给单片机提供5V电源，设计了如图7所示的电源模块。原理简介：先降压，后整流、稳压。如果电流大就用

19、开关电源，如果电流小就用阻 容，具体接法：220V经电容（680n左右400V以上，并联一个1M左右的泄放电阻）降 压，再经桥式整流（1N4007就可以）电容滤波，出口接一小阻值限流电阻、5V稳压管,即可。要得到别的电压就换稳压管即可。需要其他电源原理同上。3.5总体电路图把各个部分的电路图组合成总电路图， 就是一个完整的由单片机控制的光电隔离器 多路继电器控制的系统，利用 P1 口输出高低电平，控制继电器的开合，实现灯泡的亮 和熄灭。图8总体电路图4系统软件设计主程序中要完成的工作主要有系统初始值的设置、系统状态的显示以及开关状态的 检测判断等。利用P1 口的开关S1、S2、S3输出高低电平

20、，分别来控制光耦导通输出高 低电平，从而来控制继电器的吸合，控制灯泡的亮和灭 。如图7所示，按下电源按键S1、S2、S3后使得仿真左侧的电路导通，从而使继电 器吸合，分别使灯泡L1、L2、L3亮起。程序流程图：开始P1 口 =0光耦隔离器 发光二极管 亮P1 口 =1光耦隔离器 发光二极管 不亮继电器吸合继电器不吸灯泡亮灯泡不亮图9程序流程图二实践部分1系统硬件原理简介系统原理：利用P1 口的开关S1、S2、S3输出高低电平，分别来控制光耦导通输出 高低电平，从而来控制继电器的吸合，控制灯泡的亮和灭。2系统硬件调试中出现的问题及解决措施（1）电源无法正常供电解决措施：检查出元器件的损坏，更换元

21、器件。（2）P0 口给出高低电平继电器都不响应解决措施：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，绘制仿真图和系统仿真使 用Proteus软件。Proteus软件是英国Lab Center Electronics 公司出版的EDA工具软件。它不仅具 有其它EDA工具软件的仿真功能，还能仿真单片机及外围器件。它是目前最好的仿真单 片机及外围器件的工具。虽然目前国内推广刚起步，但已受到单片机爱好者、从事单片 机教学的教师、致力于单片机开发应用的科技工作者的青睐。Proteus是世界上著名的EDA工具（仿真软件），从原理图布图、代码调试到 单片机 与外

22、围电路协同仿真，一键切换到 PCB设计，真正实现了从概念到产品的完整设计。是 目前世界上唯一将电路仿真软件、PCB设计软件和虚拟模型仿真软件三合一的设计平台， 其处理器模型支持 8051、HC11 PIC10/12/16/18/24/30/DsPIC33 、AVR ARM 8086 和 MSP43等，2010年又增加了 Cortex和DSP系列处理器，并持续增加其他系列处理器模 型。在编译方面，它也支持IAR、Keil和MPLA蒔多种编译器。功能特点Proteus软件具有其它EDA工具软件（例：multisim ）的功能。这些功能是：原理布图PCB自动或人工布线SPICE电路仿真Keil C5

23、1是美国Keil Software 公司出品的51系列兼容单片机C语言软件开发系 统，与汇编相比，C语言在功能上、结构性、可读性、可维护性上有明显的优势，因而 易学易用。Keil提供了包括C编译器、宏汇编、连接器、库管理和一个功能强大的仿真 调试器等在内的完整开发方案，通过一个 集成开发环境（uVision ）将这些部分组合在 一起。运行Keil软件需要WIN98 NT、WIN2000 WINXP等操作系统。如果你使用 C语 言编程，那么Keil几乎就是你的不二之选，即使不使用 C语言而仅用汇编语言编程， 其方便易用的集成环境、强大的软件仿真调试工具也会令你事半功倍。Keil卩Vision4引

24、入灵活的窗口管理系统，使开发人员能够使用多台监视器，并提 供了视觉上的表面对窗口位置的完全控制的任何地方。新的用户界面可以更好地利用屏幕空间和更有效地组织多个窗口，提供一个整洁，高效的环境来开发应用程序。新版本 支持更多最新的ARM芯片，还添加了一些其他新功能。2011年3月ARM公司发布最新集 成开发环境RealView MDKff发工具中集成了最新版本的 Keil uVision4，其编译器、调 试工具实现与ARM器件的最完美匹配。3.1软件设计主程序中要完成的工作主要有系统初始值的设置、系统状态的显示以及开关状态的 检测判断等。利用P1 口的开关S1、S2、S3输出高低电平，分别来控制光

25、耦导通输出高 低电平，从而来控制继电器的吸合，控制灯泡的亮和灭。软件程序见附录。3.2软件调试中出现的问题及解决措施编译后没有生成*hex文件解决措施：设置工程的output属性，再进行编译，可生成*.hex文件，然后可进行 仿真。三结束语通过这次单片机设计，我在多方面都有所提高。通过这次单片机设计，综合运用本 专业所学课程的理论和生产实际知识进行一次单片机设计工作的实际训练从而培养和 提高学生独立工作能力，巩固与扩充了单片机课程所学的内容，掌握单片机设计的方法 和步骤，掌握单片机设计的基本的技能懂得了怎样分析电路，了解了单片机的基本结构， 提高了计算能力，绘图能力，熟悉了规范和标准。通过本次

26、课程设计，我对单片机的认识和操作程度又有了一个提升，对程序语言的 逻辑运用也有了质的飞跃。硬件方面，我掌握了继电器的原理和使用方法，并对其应用 领域有了深刻地认识，对继电器的驱动电路也有了深刻地体会。对关键的软件如Keiluvision4和Proteus7的使用也更加熟练。这次课程设计还培养了我独立自主的能力， 软件的编写和硬件的连接的整个过程都是先经过基础知识的学习，再通过独立认真地思考，仔细地分析后做出来的。这期间我的意志得到了磨练，知识得到了巩固，动手能 力得到了锻炼，有不少的收获。在设计的过程中，通过请教老师和同学，上网或上图书馆查资料将这些问题解决。 这样不仅巩固了以前所学过的知识，

27、加深了我对所学知识的理解，而且学到了很多在书 本上未涉及的知识，锻炼了搜集有用信息的能力。软件编程过程中，由于采用C语言编程，以前虽然有过接触，但并不是很熟练，所以参考了别人的设计思路，琢磨研究弄懂 后，又试着修改程序。在出现错时候，研究错误出在哪里，经过不懈努力，最终找出错 误所在，满足了基本的设计要求。当然本次课程设计离不开指导教师对我的悉心指导，在课设期间我遇到了很多困 难，在老师的指点下我才解决了这些关键的问题。在此，真心地感谢老师对我的帮助！四参考文献张兰红.单片微机原理及应用.北京：机械工业出版社，2012.李忠国.单片机应用技能实训M.北京：人民邮电出版社，2006.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.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，1990.1994.2007.2006. 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，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，丁元杰.单片微机原理及应用（第3版）M.北京：