继电器控制实验

电气工程学院

课程设计说明书

设计题目： 继电器控制实验 系 别： 年级专业： 学 号： 学生姓名： 指导教师： 教师职称：

电气工程学院《课程设计》任务书

课程名称： 单片机原理及应用课程设计 基层教学单位： 自动化仪表系 指导教师：

说明：1、此表一式三份，系、学生各一份，报送院教务科一份。 2、学生那份任务书要求装订到课程设计报告前面。

电气工程学院 教务科

目录

摘要 ·········································································· 1 绪论 ·········································································· 2 第一章 基本原理 ··················································· 3 1.1电磁继电器 ·················································· 3 1.2电磁继电器的驱动 ······································ 4 1.3单片机基本功能原理 ·································· 5 第三章 硬件设计电路 ································································ 7 第四章 程序设计 ············································································ 9 4.1设计流程图 ·················································· 9 4.2汇编程序 ······················································ 9 4.3改进后汇编程序 ·········································· 9 4.4程序分析 ···················································· 10 第五章 课设总结 ················································· 11 参考文献 ································································ 12

摘要

现代自动控制设备中，都存在一个电子电路与电气电路的互相连接问题，一方面要使电子电路的控制信号能够控制电气电路的执行元件（电动机，电磁铁，电灯等），另一方面又要为电子线路的电气电路提供良好的电气隔离，以保护电子电路和人身的安全。继电器便能完成这一桥梁作用。

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。

本课设采用的继电器其控制电压是5V。本电路的控制端为高电平时，继电器工作常开触点吸合，连触点的LED灯被点亮。当控制端为低电平时，继电器不工作。执行时，对应的LED将随继电器的开关而亮灭。

关键字：自动开关 继电器

绪论

在现代工业中，人员和电子电路安全保障一直是首要考虑的问题，尤其在一些高危恶劣环境下，如高温高压等，如何在保障操作人员和电子电路安全的前提下对电路进行良好地控制便成为了工业进步不可回避的问题。一方面要使电子电路的控制信号能够控制电气电路的执行元件（电动机，电磁铁，电灯等），另一方面又要为电子线路的电气电路提供良好的电气隔离，以保护电子电路和人身的安全，符合这种需求的元件便是继电器。

继电器是一种能自动执行断续控制的部件，当其输入量达到一定值时，能使其输出的被控制量发生预计的状态变化，如触点打开、闭合或电平由高变低、由低变高等，具有对控制电路实现“通”、“断”控制作用。因此在现代工业系统中得到了广泛的应用，例如遥控、遥测、通讯、自动控制、机电一体化及电力电子设备等，具有动作快、工作稳定、使用寿命长、体积小等优点，是最重要的控制元件之一。

继电器的种类很多，比如常用的电磁继电器、热敏干簧继电器、固态继电器、磁簧继电器以及光继电器等，在本课设中，我选用了电磁继电器，介绍电磁继电器的基本工作原理，并在其基础上设计程序，连接硬件电路，实现各种功能。

第一章 基本原理

1.1电磁继电器

电磁继电器是有触点电磁电器的一种，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）释放。这样吸合、释放，从而达到了在电路中的导通、切断的目的。

在各种自动控制设备中，都要求用一个低压电路控制一个高压的电气电路。这样不仅可以为电子线路和电气电路提供良好的电隔离，还可以保护电子电路和人员安全，而电磁继电器一般有两股电路，低压控制电路和高压工作电路。它利用电磁效应实现电路开、关控制作用，很好地实现了低压控制高压这一功能，因此广泛应用在电子设备、仪器仪表及自动化设备中。

1.2电磁继电器的驱动

图1-2 电磁继电器驱动电路

单片机是一个弱电器件，一般情况下它们大都工作在5V甚至更低。驱动电流在mA级以下。而要把它用于一些大功率场合，比如控制电动机，显然是不行的。所以，就要有一个环节来衔接，这个环节就是所谓的“功率驱动”。

继电器驱动就是一个典型的、简单的功率驱动环节。它包括：对继电器进行驱动，因为继电器本身对于单片机来说就是一个功率器件；还有就是继电器去驱动其他负载，比如继电器可以驱动中间继电器，可以直接驱动接触器，所以，继电器驱动就是单片机与其他大功率负载接口。在电磁继电器驱动电路中，三极管是很重要的一个元件，它有两个作用，一个是放大作用，一个是开关作用。其次，二极管D也有着重要作用，它是用于

保护三极管的，当继电器K处于吸合状态时，二极管D截止，不会对电路产生影响。当继电器释放时，由于继电器线圈存在电感，会产生很强的感应电压，该感应电压的正极加在三极管上。如果电压过大，就有可能使处于截止状态的三极管损坏。加入二极管D后，当感应电压出现时，将使二极管导通，所以不会产生过高的的感应电压，保护了三极管。

1.3单片机基本功能原理

（1）时钟电路

单片机的时钟可以有内部方式或外部方式产生，本课设选用内部时钟电路，如图所示，利用内部的振荡电路，并在XTAL1和XTAL2两引脚间外接晶体及电容CX1和CX2构成的并联谐振电路，使内部振荡器产生自激振荡。组成时钟电路的晶体振荡器的频率大小决定单片机系统的工作频率，既决定了单片机系统的工作频率，可以在1.2MHz~12MHz之间。晶体电容CX1和CX2可以在20pF~100pF之间选择，电容的大小对振荡频率有微小的影响，可起频率微调的作用。本课设所选用的单片机晶振频率为6MHz。

图1-1单片机内部时钟电路

（2）单片机复位电路

单片机在开机时都需要复位，以便中央处理器CPU以及其他功能部件

都处于一个确定的初始状态，并从这个状态开始工作。51的RST引脚是复位信号的输入端。复位电平是高电平有效持续时间要有24个时钟周期以上。本系统中单片机时钟频率为6MHz则复位脉冲至少应为4us。

本课程设计单片机采用外部上电与按钮复位电路，如图2-1。典型的上电外部复位电路是既具有上电复位又具有外部复位电路，上电瞬间，C与Rx构成充电电路，RST引脚出现正脉冲，只要RST端保持10ms

以上的高电平，就能使单片机有效复位。

图2-1 外部上电与按钮复位

一般取C=22uF，R=200,Rx=1k,此时=221061103=22ms，满足单片机复位要求。在需要手动复位情况下，Rs取200欧姆，Rk取1k，RST端出现

1000

，使可靠地实现单片机复位。 5=4.2V（出现高电平）

1200

第三章 硬件设计电路

如图，该电路由8051、74LS373、27256、6264、8255A和继电器组成。单片机8051采用内部方式时钟电路，复位电路采用上点自动复位电路。

单片机的数据总线为8位，由P0口组成。在扩展时P0口用于数据总线完成单片机与外部存储单元或者I/O端口之间的数据传递。

单片机的控制总线有两个功能，一是传送单片机对外部扩展系统的控制信号，另一个是传送外部扩展系统对单片机的控制信号。

单片机的地址总线为16位，由P2口作为地址的高8位，而P0口作为

地址的低8位，所以可寻址范围最大为64KB。由于P0口还要作为数据总线口使用，因此需要对P0口进行分时复用，分时输出地址和数据。为了把地址信息分离保存，使用一个外部地址锁存器74LS373将地址信号锁存起来。P0口首先将输出的低8位地址由锁存器锁存起来，这样使P0口能再次发送出数据信号。以保证P0口线作数据总线使用时所选外部存储器单元的16位地址不丢失。

在图中，程序存储器27256由8051的P2.7作为片选信号。寻址范围为0000H~7FFFH，共32KB。数据存储器6264由8051的P2.5端口作为片选信号，寻址范围为0C000H~0DFFFH，共8KB。8255A由8051的P2.4作为片选信号，寻址范围为0EFFCH~0EFFFH。

具体计算过程如下表

第四章 程序设计

4.1设计流程图

4.2汇编程序

OUTPUT EQU P1.0 ; P1.0 PORT LOOP:

CLR C

MOV OUTPUT,C CALL DELAY SETB C

MOV OUTPUT,C CALL DELAY LJMP LOOP DELAY:

MOV R6, #0 MOV R7, #0 DLOOP:

DJNZ R7, DLOOP DJNZ R6, DLOOP RET END

4.3改进后汇编程序

演示程序才有T0方式1定时，晶振频率fosc6MHz

fosc610616

x2T20.1155363CB0H

1212

n

ORG 0000H

MOV DPTR,#0EFFFH ；指向8255A的控制口

MOV A,#80H ；方式字，A、B和C口均以方式0输出 MOVX @DPTR,A ；8255A初始化

MOV DPTR,#0EFFCH ；指向8255A的PA端口 LOOP:

MOV A,#01H ；输出数据#01H传入累加器A MOVX @DPTR,A ；向PA端口写入数据

CALL DELAY ；调用延时子程序DELAY 2s MOV A,#00H ；输出数据#01H传入累加器A MOVX @DPTR,A ；向PA端口写入数据

CALL DELAY ；调用延时子程序DELAY 2s SJMP LOOP ；转移到LOOP 程序循环 DELAY:

MOV R7,#20 ；设置循环次数 存入R7

LOOP1:

MOV TMOD,#01H ；设置定时器T0为定时方式1 MOV TH0,#3CH ；设置计数初值 MOV TL0,#0B0H

SETB TR0 ；启动定时 LOOP2:

JBC TF0,LOOP3 ；判断定时是否到 SJMP LOOP2 LOOP3:

DJNZ R7,LOOP1 ；定时循环 RET ；返回主程序 END

4.4程序分析

原程序直接对P0.1口输出一个循环置1清零的数，以此高低电平来引发继电器的吸合与断开，进而控制LED灯的点亮熄灭。在对8031进行外扩以后，通过8255的PA口输出来控制继电器，并修改了延时程序，原始延时程序存在误差，且不容易调控，通过选用8031内部定时器，极大地提高了延时的精度，并且很容易调整延时时间。

第五章 课设总结

通过这次继电器程序设计的课程设计和测试，我学到了很多。通过对该课题的了解，收集资料，研究其可行性，前期做了很多准备工作，查看了很多资料，但这都是值得的，为后面程序的编写和调试打下了基础，不仅学到了编程，还加深了对电路的了解，比如继电器工作原理、延时定时、外扩芯片等等，虽然都是一些已经学习过的知识，但结合起来还是有一定的难度。对于该课题，改进地方主要是重新设计电路和程序，通过扩展I/O口8255PA口输出，计算地址，编写程序，我对于单片机实际的应用也加深了理解。

最后谢谢张淑清老师和我的同学们在课设过程中给我的指导与帮助。

参考文献

〔1〕张淑清．单片机原理及应用技术[M] ．北京：国防工业出版社，2010 〔2〕蔡朝洋．单片机控制实习与专题制作[M] ．北京：北京航空航天大学

出版社，2006

〔3〕李大友．单片机及应用[M] ．高等教育出版社

〔4〕徐爱卿，孙涵芳，盛焕鸣．单片微型计算机应用和开发系统[M] ．北京：航空航天大学出版社，1992

〔5〕张毅刚，彭喜元，孟升卫，刘兆庆．MCS-51单片机实用子程序设计（第

二版）[M] ．哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社 ，2003

〔6〕胡汉才．单片机原理及接口技术（第2版）[M] ．北京： 清华大学出

版社，2004

〔7〕林伸茂．8051单片机彻底研究实习篇[M] ．北京：中国电力出版社，2006 〔8〕周润景，袁伟亭，景晓松．Proteus在MCS-51系统中的应用百例[M] ．北京：电子工业出版社，2006

电气工程学院

课程设计说明书

设计题目： 继电器控制实验 系 别： 年级专业： 学 号： 学生姓名： 指导教师： 教师职称：

电气工程学院《课程设计》任务书

课程名称： 单片机原理及应用课程设计 基层教学单位： 自动化仪表系 指导教师：

说明：1、此表一式三份，系、学生各一份，报送院教务科一份。 2、学生那份任务书要求装订到课程设计报告前面。

电气工程学院 教务科

目录

摘要 ·········································································· 1 绪论 ·········································································· 2 第一章 基本原理 ··················································· 3 1.1电磁继电器 ·················································· 3 1.2电磁继电器的驱动 ······································ 4 1.3单片机基本功能原理 ·································· 5 第三章 硬件设计电路 ································································ 7 第四章 程序设计 ············································································ 9 4.1设计流程图 ·················································· 9 4.2汇编程序 ······················································ 9 4.3改进后汇编程序 ·········································· 9 4.4程序分析 ···················································· 10 第五章 课设总结 ················································· 11 参考文献 ································································ 12

摘要

现代自动控制设备中，都存在一个电子电路与电气电路的互相连接问题，一方面要使电子电路的控制信号能够控制电气电路的执行元件（电动机，电磁铁，电灯等），另一方面又要为电子线路的电气电路提供良好的电气隔离，以保护电子电路和人身的安全。继电器便能完成这一桥梁作用。

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。

本课设采用的继电器其控制电压是5V。本电路的控制端为高电平时，继电器工作常开触点吸合，连触点的LED灯被点亮。当控制端为低电平时，继电器不工作。执行时，对应的LED将随继电器的开关而亮灭。

关键字：自动开关 继电器

绪论

在现代工业中，人员和电子电路安全保障一直是首要考虑的问题，尤其在一些高危恶劣环境下，如高温高压等，如何在保障操作人员和电子电路安全的前提下对电路进行良好地控制便成为了工业进步不可回避的问题。一方面要使电子电路的控制信号能够控制电气电路的执行元件（电动机，电磁铁，电灯等），另一方面又要为电子线路的电气电路提供良好的电气隔离，以保护电子电路和人身的安全，符合这种需求的元件便是继电器。

继电器是一种能自动执行断续控制的部件，当其输入量达到一定值时，能使其输出的被控制量发生预计的状态变化，如触点打开、闭合或电平由高变低、由低变高等，具有对控制电路实现“通”、“断”控制作用。因此在现代工业系统中得到了广泛的应用，例如遥控、遥测、通讯、自动控制、机电一体化及电力电子设备等，具有动作快、工作稳定、使用寿命长、体积小等优点，是最重要的控制元件之一。

继电器的种类很多，比如常用的电磁继电器、热敏干簧继电器、固态继电器、磁簧继电器以及光继电器等，在本课设中，我选用了电磁继电器，介绍电磁继电器的基本工作原理，并在其基础上设计程序，连接硬件电路，实现各种功能。

第一章 基本原理

1.1电磁继电器

电磁继电器是有触点电磁电器的一种，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）释放。这样吸合、释放，从而达到了在电路中的导通、切断的目的。

在各种自动控制设备中，都要求用一个低压电路控制一个高压的电气电路。这样不仅可以为电子线路和电气电路提供良好的电隔离，还可以保护电子电路和人员安全，而电磁继电器一般有两股电路，低压控制电路和高压工作电路。它利用电磁效应实现电路开、关控制作用，很好地实现了低压控制高压这一功能，因此广泛应用在电子设备、仪器仪表及自动化设备中。

1.2电磁继电器的驱动

图1-2 电磁继电器驱动电路

单片机是一个弱电器件，一般情况下它们大都工作在5V甚至更低。驱动电流在mA级以下。而要把它用于一些大功率场合，比如控制电动机，显然是不行的。所以，就要有一个环节来衔接，这个环节就是所谓的“功率驱动”。

继电器驱动就是一个典型的、简单的功率驱动环节。它包括：对继电器进行驱动，因为继电器本身对于单片机来说就是一个功率器件；还有就是继电器去驱动其他负载，比如继电器可以驱动中间继电器，可以直接驱动接触器，所以，继电器驱动就是单片机与其他大功率负载接口。在电磁继电器驱动电路中，三极管是很重要的一个元件，它有两个作用，一个是放大作用，一个是开关作用。其次，二极管D也有着重要作用，它是用于

保护三极管的，当继电器K处于吸合状态时，二极管D截止，不会对电路产生影响。当继电器释放时，由于继电器线圈存在电感，会产生很强的感应电压，该感应电压的正极加在三极管上。如果电压过大，就有可能使处于截止状态的三极管损坏。加入二极管D后，当感应电压出现时，将使二极管导通，所以不会产生过高的的感应电压，保护了三极管。

1.3单片机基本功能原理

（1）时钟电路

单片机的时钟可以有内部方式或外部方式产生，本课设选用内部时钟电路，如图所示，利用内部的振荡电路，并在XTAL1和XTAL2两引脚间外接晶体及电容CX1和CX2构成的并联谐振电路，使内部振荡器产生自激振荡。组成时钟电路的晶体振荡器的频率大小决定单片机系统的工作频率，既决定了单片机系统的工作频率，可以在1.2MHz~12MHz之间。晶体电容CX1和CX2可以在20pF~100pF之间选择，电容的大小对振荡频率有微小的影响，可起频率微调的作用。本课设所选用的单片机晶振频率为6MHz。

图1-1单片机内部时钟电路

（2）单片机复位电路

单片机在开机时都需要复位，以便中央处理器CPU以及其他功能部件

都处于一个确定的初始状态，并从这个状态开始工作。51的RST引脚是复位信号的输入端。复位电平是高电平有效持续时间要有24个时钟周期以上。本系统中单片机时钟频率为6MHz则复位脉冲至少应为4us。

本课程设计单片机采用外部上电与按钮复位电路，如图2-1。典型的上电外部复位电路是既具有上电复位又具有外部复位电路，上电瞬间，C与Rx构成充电电路，RST引脚出现正脉冲，只要RST端保持10ms

以上的高电平，就能使单片机有效复位。

图2-1 外部上电与按钮复位

一般取C=22uF，R=200,Rx=1k,此时=221061103=22ms，满足单片机复位要求。在需要手动复位情况下，Rs取200欧姆，Rk取1k，RST端出现

1000

，使可靠地实现单片机复位。 5=4.2V（出现高电平）

1200

第三章 硬件设计电路

如图，该电路由8051、74LS373、27256、6264、8255A和继电器组成。单片机8051采用内部方式时钟电路，复位电路采用上点自动复位电路。

单片机的数据总线为8位，由P0口组成。在扩展时P0口用于数据总线完成单片机与外部存储单元或者I/O端口之间的数据传递。

单片机的控制总线有两个功能，一是传送单片机对外部扩展系统的控制信号，另一个是传送外部扩展系统对单片机的控制信号。

单片机的地址总线为16位，由P2口作为地址的高8位，而P0口作为

地址的低8位，所以可寻址范围最大为64KB。由于P0口还要作为数据总线口使用，因此需要对P0口进行分时复用，分时输出地址和数据。为了把地址信息分离保存，使用一个外部地址锁存器74LS373将地址信号锁存起来。P0口首先将输出的低8位地址由锁存器锁存起来，这样使P0口能再次发送出数据信号。以保证P0口线作数据总线使用时所选外部存储器单元的16位地址不丢失。

在图中，程序存储器27256由8051的P2.7作为片选信号。寻址范围为0000H~7FFFH，共32KB。数据存储器6264由8051的P2.5端口作为片选信号，寻址范围为0C000H~0DFFFH，共8KB。8255A由8051的P2.4作为片选信号，寻址范围为0EFFCH~0EFFFH。

具体计算过程如下表

第四章 程序设计

4.1设计流程图

4.2汇编程序

OUTPUT EQU P1.0 ; P1.0 PORT LOOP:

CLR C

MOV OUTPUT,C CALL DELAY SETB C

MOV OUTPUT,C CALL DELAY LJMP LOOP DELAY:

MOV R6, #0 MOV R7, #0 DLOOP:

DJNZ R7, DLOOP DJNZ R6, DLOOP RET END

4.3改进后汇编程序

演示程序才有T0方式1定时，晶振频率fosc6MHz

fosc610616

x2T20.1155363CB0H

1212

n

ORG 0000H

MOV DPTR,#0EFFFH ；指向8255A的控制口

MOV A,#80H ；方式字，A、B和C口均以方式0输出 MOVX @DPTR,A ；8255A初始化

MOV DPTR,#0EFFCH ；指向8255A的PA端口 LOOP:

MOV A,#01H ；输出数据#01H传入累加器A MOVX @DPTR,A ；向PA端口写入数据

CALL DELAY ；调用延时子程序DELAY 2s MOV A,#00H ；输出数据#01H传入累加器A MOVX @DPTR,A ；向PA端口写入数据

CALL DELAY ；调用延时子程序DELAY 2s SJMP LOOP ；转移到LOOP 程序循环 DELAY:

MOV R7,#20 ；设置循环次数 存入R7

LOOP1:

MOV TMOD,#01H ；设置定时器T0为定时方式1 MOV TH0,#3CH ；设置计数初值 MOV TL0,#0B0H

SETB TR0 ；启动定时 LOOP2:

JBC TF0,LOOP3 ；判断定时是否到 SJMP LOOP2 LOOP3:

DJNZ R7,LOOP1 ；定时循环 RET ；返回主程序 END

4.4程序分析

原程序直接对P0.1口输出一个循环置1清零的数，以此高低电平来引发继电器的吸合与断开，进而控制LED灯的点亮熄灭。在对8031进行外扩以后，通过8255的PA口输出来控制继电器，并修改了延时程序，原始延时程序存在误差，且不容易调控，通过选用8031内部定时器，极大地提高了延时的精度，并且很容易调整延时时间。

第五章 课设总结

通过这次继电器程序设计的课程设计和测试，我学到了很多。通过对该课题的了解，收集资料，研究其可行性，前期做了很多准备工作，查看了很多资料，但这都是值得的，为后面程序的编写和调试打下了基础，不仅学到了编程，还加深了对电路的了解，比如继电器工作原理、延时定时、外扩芯片等等，虽然都是一些已经学习过的知识，但结合起来还是有一定的难度。对于该课题，改进地方主要是重新设计电路和程序，通过扩展I/O口8255PA口输出，计算地址，编写程序，我对于单片机实际的应用也加深了理解。

最后谢谢张淑清老师和我的同学们在课设过程中给我的指导与帮助。

参考文献

〔1〕张淑清．单片机原理及应用技术[M] ．北京：国防工业出版社，2010 〔2〕蔡朝洋．单片机控制实习与专题制作[M] ．北京：北京航空航天大学

出版社，2006

〔3〕李大友．单片机及应用[M] ．高等教育出版社

〔4〕徐爱卿，孙涵芳，盛焕鸣．单片微型计算机应用和开发系统[M] ．北京：航空航天大学出版社，1992

〔5〕张毅刚，彭喜元，孟升卫，刘兆庆．MCS-51单片机实用子程序设计（第

二版）[M] ．哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社 ，2003

〔6〕胡汉才．单片机原理及接口技术（第2版）[M] ．北京： 清华大学出

版社，2004

〔7〕林伸茂．8051单片机彻底研究实习篇[M] ．北京：中国电力出版社，2006 〔8〕周润景，袁伟亭，景晓松．Proteus在MCS-51系统中的应用百例[M] ．北京：电子工业出版社，2006