光电继电器控制

课课程程 设设计计说说明明书书 单片机原理与接口技术单片机原理与接口技术 专业专业电气工程及其自动化 学生姓名学生姓名宋丰宇 班级班级B 电建 101 学号学号1010602108 指导教师指导教师吴冬春 完成日期完成日期2014 年 1 月 17 日 0 前言前言 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 1 目目 录录 一 理论部分 3 1 课题要求与内容 3 2 系统方案设计 3 3 系统硬件的设计 4 4 系统软件设计 9 二 实践部分 10 1 系统硬件原理简介 10 2 系统硬件调试中出现的问题及解决措施 10 3 系统软件 11 3 1 软件设计 11 3 2 软件调试中出现的问题及解决措施 12 三 结束语 12 四 参考文献 12 五 附录 13 1 参考程序清单 13 2 元器件清单 14 3 系统仿真图 15 2 一一 理论部分理论部分 光电隔离多路继电器控制光电隔离多路继电器控制 1 课题要求与内容课题要求与内容 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 系统方案设计系统方案设计 根据设计要求 提出如下方案 方案一 PICl6F87X 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 3 图 1 基本原理图 3 系统硬件的设计系统硬件的设计 本设计的硬件电路主要包括最小系统 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 AT89C51 AT89C51 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 0 2 V 且典型值为 5V AT89C51 最高工作频率为 24MHZ AT89C51 的编程频率为 3 24MHZ 编程启动电流和启动电压分别为 1mA 5 或 12V 4 XTAL2 18 XTAL1 19 ALE 30 EA 31 PSEN 29 RST 9 P0 0 AD0 39 P0 1 AD1 38 P0 2 AD2 37 P0 3 AD3 36 P0 4 AD4 35 P0 5 AD5 34 P0 6 AD6 33 P0 7 AD7 32 P1 0 1 P1 1 2 P1 2 3 P1 3 4 P1 4 5 P1 5 6 P1 6 7 P1 7 8 P3 0 RXD 10 P3 1 TXD 11 P3 2 INT0 12 P3 3 INT1 13 P3 4 T0 14 P3 7 RD 17 P3 6 WR 16 P3 5 T1 15 P2 7 A15 28 P2 0 A8 21 P2 1 A9 22 P2 2 A10 23 P2 3 A11 24 P2 4 A12 25 P2 5 A13 26 P2 6 A14 27 U1 AT89C51 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 4TTL 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 5 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 图 3 开关电路 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 OC 亦称光耦合器 简称光耦 光耦合 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 6 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 光 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 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 7 图 5 电磁继电器 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 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 单片机访问一 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 1us 8 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 图 7 电源模块 9 原理简介 先降压 后整流 稳压 如果电流大就用开关电源 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 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 10 图 9 程序流程图 二二 实践部分实践部分 1 系统硬件原理简介系统硬件原理简介 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 开始 P1 口 0P1 口 1 光耦隔离器 发光二极管 亮 光耦隔离器 发光二极管 不亮 继电器吸合继电器不吸 合 灯泡亮灯泡不亮 11 3 系统软件系统软件 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 MSP430 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 MPLAB 等多种编译器 功能特点功能特点 Proteus 软件具有其它 EDA 工具软件 例 multisim 的功能 这些功能是 1 原理布图 2 PCB 自动或人工布线 3 SPICE 电路仿真 Keil C51 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 Vision4 引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 MDK 开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 分别来控制光耦导通输 12 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 23 2 软件调试中出现的问题及解决措施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 三三 结束语结束语 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 Keil uvision4 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 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