1、鶴 壁 職 業 技 術 學 院畢業論文題目：單片機制作控制繼電器的電路 學院：機電工程學院 班級：08電氣（2）班姓名：原 智 慧學號：0802512030 指導教師：司 新 生目錄畢業論文1引言3摘要3第1章、硬件部分結構功能簡介：41.1單片機介紹41.2 AT89S51單片機的主要性能參數和主要引腳41.3、繼電器介紹7第2章、原理圖8第3章、系統設計預期目標：10第4章、工作原理：10第5章、下面是我總結的制板”八步走”11第6章、制板中容易出現的問題：12第7章、本設計的C語言程序；12第8章、總結：14第9章、答謝詞14參考文獻15引言現代自動控制設備中，都存在一個電子電路一電氣電

2、路的互相連接問題，一方面要是電子電路的控制信號能夠控制電氣電路的執行元件（電動機、電磁鐵、電燈等），另一方面又要為電子線路的電氣電路提供良好的電隔離，以保護電子電路和人身的安全。電子繼電器便能起到這一橋梁作用。如何設計一種投資少，簡單易行，僅僅只是在現在的設備基礎之上稍加改造，又能從根本上解決對繼電器的控制問題的電路呢？摘要本實驗是基于AT89S52所設計的，通過單片機的P2.0和P2.1引腳輸出低（高）電平時，三極管Q1和Q2飽和導通（截止），+5V電源加到繼電器線圈兩端，繼電器吸合（釋放），同時狀態指示燈發光二極管也點亮（熄滅），繼電器的常開觸點閉合（釋放），相當于開關閉合（斷開）。關鍵詞

3、：AT89S51 HK4100F電磁繼電器是為了探索以弱控強的道路，我們的課題選定為單片機控制電動機正反轉的設計題目。下面跟我一起來探索吧題目：單片機制作控制繼電器的電路第1章、硬件部分結構功能簡介：用單片機控制與三極管相連的I/O口的輸出電平，接通或關閉相應的三級管，達到使繼電器吸合或斷開。從而起到以弱控強的目的。1.1單片機介紹將微處理器（CPU）、存儲器、I/O接口電路和相應的實時控制器件集成在一塊芯片上的單片機微型計算機，簡稱單片機，特別適用于控制領域，故又稱為微控制器。因此，單片機只需要和適當的軟件與外部設備相組合，便可成為一個單片機控制系統。單片機主控電路的主要元件是AT89S51

4、單片機，其外型如下圖（圖1.1）：圖1.1AT89S51是低功耗，高性能CMOS8位單片機，片內含4kbytes 的可系統編程的Flash只讀程序存儲器,器件采用ATMEL 公司的高密度、非易失性存儲技術生產，兼容標準8051指令系統及引腳。它集Flash程序存儲器既可在線編程（ISP）也可用傳統方法進行編程及通用8位微處理器于單片芯片中，ATMEL 公司的功能強大，低價位AT89S51單片機可為您提供許多高性能價比的應用場合，可靈活應用于各種控制領域。1.2 AT89S51單片機的主要性能參數和主要引腳1.2-1 主要性能參數 與單片機產品兼容4k字節在系統可編程Flash存儲器、1000次

5、擦寫周期、全靜態操作：0Hz33Hz、三級加密程序存儲器、32個可編程I/O口、三個16位定時器/計數器、八個中斷源、全雙工UART串行通道低功耗空閑和掉電模式、掉電后中斷可喚醒看門狗定時器，雙數據指針、掉電標識符。1.2-2 AT89S51單片機芯片內部結構簡介1）、中央處理器：中央處理器（CPU）是整個單片機的核心部件，是8位數據寬度的處理器，能處理8位二進制數據或代碼，CPU負責控制、指揮和調度整個單元系統協調的工作，完成運算和控制輸入輸出功能等操作。2）、數據存儲器（內部RAM）：數據存儲器用于存放變化的數據。AT89S51中數據存儲器的地址空間為256個RAM單元，但其中能為數據存儲

6、器供用戶使用的僅有前面128個，后128個被專用寄存器占用。3）、程序存儲器（內部ROM）：程序存儲器用于存放程序和固定不變的常數等。通常采用只讀存儲器，且其又多種類型，在51系列單片機中全部采用閃存。AT89S51單片機內部配置了4KB閃存。4）、定時/計數器（ROM）用于實現定時和計數功能。AT89S51共有2個16位定時/計數器5）、并行輸入輸出（I/O）口：8051共有4組8位I/O口（P0、P1、P2或P3），用于對外部數據的傳輸。每個口都由1個鎖存器和1個驅動器組成。它們主要用于實現與外部設備中數據的并行輸入與輸出，有些I/O口還有其他的功能。6）、全雙工串行口：AT89S51內置

7、一個全雙工串行通信口，用于與其他設備間的串行數據傳送，該串行口既可以用于異步通信收發器，也可以當同步移位器使用。7）、時鐘電路：時鐘電路的作用是產生單片機工作所需要的時鐘脈沖序列。8）、中斷系統：中斷系統的作用主要是對外部或內部的終端請求進行管理與處理。AT89S51共有5個中斷源，其中有2個外部中斷源和3個內部中斷源。每個51單片機處理周期包括12個時鐘周期，每12個時鐘周期用來完成一個操作，如取指令等。指令執行時間為時鐘頻率除以12后取倒數。如果系統時鐘頻率是11.059MHZ，則除以12后就得到了每秒執行的指令為921583條，再取倒數將得到每條指令所需要的時間為1.085us。 圖1-

8、3 51單片機的基本結構1.2-3 主電源引腳VCC (40腳)：接+5V電源正極。VSS(20腳)：接地端。電源電壓范圍是45.5V，最高電源電壓為6.6V。任何引腳對地的電壓范圍是-17V.1.2-4外接晶體引腳XTAL1（19腳）：接外部石英晶體的一端。在單片機內部，它是反相放大器的輸入端，這個放大器構成了片內振蕩器。當采用外部的時鐘時，該引腳作為外部振蕩信號的輸入端。XTAL2(18引腳)：接外部石英晶體的另一端。在單片機內部，它是反相放大器的輸出端。1.2-5 輸入/輸出引腳（1） P0 口（P0.0P0.7）(引腳3932)P0口具有漏極開路結構，還具有雙重功能。作為輸出使用時，需

9、要外接上拉電阻（在作為I/O口使用時，T1管夾斷）。若作為輸入端使用，需要先將“1”寫入端口（使T2管夾斷）。P0口可作為地址總線（AB0AB7），也可作為數據總線（DB0DB7）。P0口可驅動8個LSTTL（低功耗肖特基TTL），其他端口可以驅動4個LSTTL。1個LSTTL負載為0.4mA。（2） P1口（P1.0P1.7）（引腳18）P1口內部有上拉電阻，因此可以作為準雙向I/O使用。作為輸入端使用時，需要先將“1”寫入端口（使T2管夾斷）。（3） P2口（P2.0P2.7）（引腳2128）P2口內部具有上拉電阻，因此可以作為準雙向I/O口使用。作為輸入端使用時，需要先將“1”寫入端口（

10、使T2管夾斷）。在將有片外存儲器時，P2口作為8位地址總線（AB8AB15）。 (4) P3口（P3.0P3.7）（引腳1017）P3口具有上拉電阻，可作為準雙向I/O口使用。作為輸入端使用時，需要先將“1”寫入端口（使T2管夾斷）。P3口的每個引腳還有第2個功能：P3.0：為串行輸入端口(RXD)；P3.1：為串行口輸出端口（TXD）；P3.2：為外部中斷0(INT0)；P3.3：為外部中斷1（INT1）；P3.4：為定時/計數器0的外部輸入口（T0）；P3.5：為定時/計數器1的外部輸入口（T1）；P3.6：為外部數據存儲器寫選通（WR）；P3.7：為外部數據存儲器寫選通（RD）；1.2-

11、6 RST (引腳9)該引腳為單片機的上電復位引腳，高電平有效。當單片機電源電壓達到單片機工作電壓、同時單片機振蕩器正常工作后，該引腳上必須持續兩個機器周期的高電平，才能實現復位操作，使單片機恢復到初始狀態。復位引腳具有雙向功能；：當上電時，外加電容與單片機內部下拉電阻形成復位電路使單片機復位；當單片機內部的看門狗（WDT）溢出時，該引腳輸出高電平，不僅復位單片機，也復位單片機外部需要復位的芯片，以保持各芯片之間復位動作的一致性。若需要RST引腳輸出復位信號，則需要110k的外部復位電阻。在只需要上電復位的系統中，由于單片機內部具有下拉復位電阻（阻值為50300k），所以可以不要外部下拉電阻，

12、電容值可減小到1uF。一般說來電源達到工作電壓值的時間一般在10ms以內，時鐘為12MHZ時，起振時間小于1ms。1.3、繼電器介紹本設計是用單片機控制繼電器達到以弱控強的電路，下面再來介紹一下單片機和強電之間的橋梁-電磁繼電器。電磁繼電器是有觸點電繼電器的一種。它是利用電磁效應實現電路開、關控制作用的元件，廣泛應用在電子設備、儀器儀表及自動化設備中。在各種自動控制設備中，都要求用一個低壓電路提控制一個高壓的電氣電路。這樣不僅可以為電子線路和電氣電路提供良好的電隔離，還可以保護電子電路和人員安全。首先看看繼電器的驅動圖1.2這是典型的繼電器驅動電路圖，這樣的圖在網絡上隨處可以搜到，并且標準教科

13、書上一般也是這樣的電路圖。 單片機是一個弱電器件，一般情況下它們大都工作在5V甚至更低。驅動電流在mA級以下。而要把它用于一些大功率場合，比如控制電動機，顯然是不行的。所以，就要有一個環節來銜接，這個環節就是所謂的“功率驅動”。繼電器驅動就是一個典型的、簡單的功率驅動環節。在這里，繼電器驅動含有兩個意思:一是對繼電器進行驅動，因為繼電器本身對于單片機來說就是一個功率器件：還有就是繼電器去驅動其他負載，比如繼電器可以驅動中間繼電器，可以直接驅動接觸器，所以，繼電器驅動就是單片機與其他大功率負載接口。這個很重要，因為，一直讓我們的電氣工程師(我指的是那些沒有學習過相應的電子技術的)感到迷惑不解的是

14、:一個小小的芯片，怎么會有如此強大的威力來控制像電動機這樣強大的東西？怎么樣理解這個電路圖？要理解這個電路，其實也比較容易。那么請您按照我的思路來，應該沒有問題:首先的，里面的三極管很重要。三極管是電子電路里很重要的一個元件。怎么樣理解三極管呢？簡單的來說三極管有兩個作用一個是放大作用，一個是開關作用。(嚴格來講開關作用是放大作用的極限情況，不過沒關系，把兩者分開，更便于理解它的工作原理)。在這里，我們只了解它跟本電路有關的開關作用首先把三極管想成一個水龍頭上面的VCC就是水池，繼電器是一個水輪機，下面的GND是比水池低的任何一點。剛才說過，三極管就是水龍頭，它的把手就是那個帶有電阻的引腳。現

15、在，單片機的某一個需要控制這個繼電器電路的輸出引腳就是一只“手”，當單片機的這個引腳輸出低電平的時候，就像“手”在打開三極管“水龍頭”，水就從上往下流，繼電器“水輪機”就開始轉起來了。反之，如果是輸出高電平，"手”就開始關“水龍頭”，繼電器”水輪機”因為沒有水流下來，就會停止。這就是三極管的開關作用簡單的理解和記憶就是：三極管是一個開關器件，其實你真的可以將它看成是一個開關，只不過它不是用手來控制，而是用電壓(電流)來控制的，因此，三極管有些時候也被稱做電子開關(與機械開關相區別)。圖上還有一個東西，是保護二極管，如果不需要深入理解的話，你大可不必追就為什么有它存在，但是一定得記住，

16、只要是用三極管驅動繼電器的場合，一般都有它的存在。需要特別注意的是它的接法：并聯在繼電器兩端陰極一定是接VCC。說完了繼電器接著當然是看一下電路圖了。下面是我們這個設計的電路部分。第2章、原理圖圖2.1下面我來詳細的介紹一下這個設計：本設計所選用的是Atmel公司的AT89S51型單片機及DC5V HK4100F繼電器和PNP型三極管。首先，將所需元件按電路搭接(如圖2.1所示)；圖2.2（左圖為單片機最小系統）這個電路主要由單片機最小系統，按鍵部分和繼電器驅動部分構成。供電采用USB供電；為了起到指示作用，特別加了指示電路。如電源指示電路，和繼電器相對應的指示電路；第3章、系統設計預期目標：

17、目標1：當按下按鍵S1，繼電器RLY1和繼電器RLY2都不吸合，指示燈D3、D4均不亮；目標2：當按下按鍵S2，繼電器RLY1吸合，繼電器RLY2不吸合，指示燈D3亮、D4不亮；目標3：當按下按鍵S3，繼電器RLY1不吸合，繼電器RLY2吸合，指示燈D3不亮、D4亮；第4章、工作原理：接通電源，當按下按鍵S1，單片機管腳P20輸出高電平，這時三極管Q1是關閉狀態，對應的繼電器RLY1是不吸合狀態，指示燈D3是不亮狀態。同樣地，管腳P21輸出高電平，三極管Q2也是關閉狀態，對應的繼電器RLY2也是不吸合狀態，指示燈D4也是不亮狀態；按下按鍵S2，單片機管腳P20輸出低電平，三極管Q1接通，對應的

18、繼電器RLY1吸合，指示燈D3發光。單片機管腳P21輸出高電平，對應的三極管Q2是關閉狀態，相應的繼電器RLY2是不吸合狀態，指示燈D4是不亮狀態；當按下按按鍵S3，單片機管腳P20輸出高電平，對應的三極管Q1處于關閉狀態。，相應的繼電器RLY1不吸合，指示燈D3處于不亮狀態。單片機管腳P21處于低電平狀態，對應的三極管Q2處于接通狀態，相應的繼電器RLY2吸合，指示燈D4發光。這樣把繼電器RLY1和繼電器RLY2的總共6個管腳，通過插針引出，接上正反轉的外部電路就可以控制電動機的正反轉了。原理搞清楚了，下面我們就來做PCB板子了。第5章、下面是我總結的制板”八步走”開始是用Protel99s

19、e或者是DXP2009畫出原理圖，我是用DXP畫的原理圖，所以我就來把我畫的步驟講一下吧。其中很多元件的原理圖都是我自己畫的，為了用這個DXP畫圖，我花了三四天的時間研究，最后功夫不負有心人，我掌握了這個軟件的使用方法，這對于我以后的生活學習來說都是很有用的經驗，我下面只是把步驟簡單說一下。第一步，打開DXP2009，然后新建工程，接著在工程里新建原理圖文件，原理圖庫文件，PCB文件和PCB庫文件；接著，打開原理圖文件，在里面放入元件連線（如上圖），沒有的原理圖元件需要自己在原理圖庫里面畫，這個我就不多講了；原理圖畫好后，需要給元件添加相應的封裝了。這個封裝沒有的自己要在PCB庫里面畫了。把封

20、裝添好以后，下面我們就來生成PCB文件了；第二步，在原理圖頁面打開設計（D）按鈕選第一個選項，更新PCB文件；接著，打開PCB圖頁面，這時，你會看到黑色區域里有一個sheet1的網格下生成了一些元件封裝，并且按一定規則排列，單擊選擇這個sheet網格（記住只選這個網格），刪除。開始拖動這些封裝，你會發現它們之間都有網線連著。接下來，你只需要按照你想要生成的PCB板的模樣給這些元件封裝布局就可以了；第三步，布局好以后，就該聯線了。先設置一下布線規則，打開設計，規則，更改線寬，等等一系列的規則。改好以后保存。接著，調用布線工具進行布線，布線完成后，保存一下。我再補充一點，畫圖的時候，最好每做幾步就

21、保存一下。養成一個好習慣，這樣很有用的，避免突發事件（像斷電，電腦死機，等等），影響畫圖制版效率；第四步，打印 就是把畫好的PCB圖打印到蠟紙上面，這一步很關鍵，是連接軟件與硬件的橋梁。能不能制成PCB板，關鍵是這一步了；第五步， 對于我們純手工制板的工藝來說，就是腐蝕了。把銅板打磨干凈，把打印好的蠟紙，轉印到銅板上面。然后就是腐蝕了，為了加快腐蝕速度，建議選用鹽酸加雙氧水組合腐蝕；第六步，打孔，將腐蝕好的板子，用電鉆將焊盤中間的地方打孔；第七步，組裝，將打好孔的板子按照PCB圖把元件安裝到板子上面；最后一步，焊接，把所有元件的管腳都焊接好。大功告成，然后就是測量電路了，看看硬件是不是有問題。

22、方法：用萬用表的點阻擋依次測量個焊接點及線路是不是有斷線，虛焊問題，如果有的話需重新制板。第6章、制板中容易出現的問題：在整個PCB制板過程中，真的可以說是有喜又有憂。首先，我要說說”憂”了，憂的是我總共做過兩次PCB板子。每一次都是因為考慮問題不周全，等到組裝元件的時候，問題就接踵而來。不是少畫線了，就是少畫元件了。為此，我也請教過老師很多次。說完憂了，再來說說”喜”，喜的是，每次憂過，我總去找老師，讓老師幫我解決相應的問題，我從中學到了很多以前沒有學到的知識，或者說是以前沒注意過的知識，反而，通過這次畢業設計，讓我有了很大的進步。真的很感謝老師。下面，我來把做這個畢業設計過程中出現的問題羅

23、列出來，供大家參考，引以為鑒；第一個問題，出現在我制作的第一個板子上，先前，由于資料搜集準備不充足，元件的尺寸參數測量的不夠精確，導致PCB元件封裝出現巨大偏差。以至于，當PCB板子打好孔以后，元件安裝不上去。為了解決這個問題，我重新又做了一個。第二個問題，出現在第二個板子上面，這次還是跟前面一樣，有重復問題的部分，主要是少布了幾條線，該接電源的地方沒接電源，還有最重要的一條，P0口接按鍵或是其他的元件必須加上上拉電阻。當我把元件焊接好以后，把編寫好的程序下載到單片機中，按照預期目標，PCB板子上的繼電器和指示燈沒有一點反應。我自己不知道該怎么解決，只好請教老師了。 經過老師的排查，最后給我下

24、了個結論，P0口接元件，必須加上拉電阻，這個知識點我想我會記住的。向老師要了幾個10K的電阻，然后回去，自己又把元件換上。試了試，這次有反應了，但是跟我想要的預期要求還是不一樣，沒辦法，還得找老師幫忙，經過老師又一次的仔細排查，一個新的問題被發現了，就是我板子上的三極管型號不對，該是PNP型的，結果我板子上的是NPN型的，最后，老師又給了我幾個PNP型三極管，我把板子上的錯誤型號元件換了。經過檢查，硬件問題完全解決。第三個問題，程序的問題，按照我編寫的程序，下載到單片機中，經過調試，比較，發現程序錯誤，改吧，只好請教我的老師了，可是調試過以后，還是不對，PCB板子上面的預期現象還是沒出現。該怎

25、么辦呢？這次，同樣是做單片機畢業設計的同學幫我改正了程序，原來是松手檢測的部分寫錯了，應該是【while(!(P0_0=0)&&(P0_1=1)&&(P0_2=1)；】循環中條件不滿足的時候進行到下一步，而我寫成了【while(P0_0=0)&&(P0_1=1)&&(P0_2=1)；】只有當條件滿足的時候才進行，這樣的錯誤我以前確實沒注意到。算是給自己個警告吧！下面附上我的設計中的程序。第7章、本設計的C語言程序；#include<at89x51.h>#define uchar unsigned char#define

26、 uint unsigned intvoid delay(uint z)uchar i，j；for(i=z；i>0；i-) for(j=124；j>0；j-)；void main()P0=0xff；while(1) if(P0_0=0)&&(P0_1=1)&&(P0_2=1) delay(5)； if(P0_0=0)&&(P0_1=1)&&(P0_2=1) while(!(P0_0=0)&&(P0_1=1)&&(P0_2=1)； P2=0xff； else if(P0_0=1)&

27、&(P0_1=0)&&(P0_2=1) delay(5)； if(P0_0=1)&&(P0_1=0)&&(P0_2=1)while(!(P0_0=1)&&(P0_1=0)&&(P0_2=1)；P2=0xfe； else if(P0_0=1)&&(P0_1=1)&&(P0_2=0) delay(5)；if(P0_0=1)&&(P0_1=1)&&(P0_2=0)while(!(P0_0=1)&&(P0_1=1)&&(P0_2=0)；P2=0xfd； 現在算是軟件硬件都合格了，預期的設計目標也實現了，就是下面的結果：目標1：當按下按鍵S1，繼電器RLY1和繼電器RLY2都不吸合，指示燈D3、D4均不亮；目標2：當按下按鍵S2，繼電器RLY1吸合，繼電器RLY2不吸合，指示燈D3亮、D4不亮；目標3：當按下按鍵S3，繼電器RLY1不吸合，繼電器RLY2吸合，指示燈D3不亮、D4亮；第8章、總結：通過本次的學習，讓我們學到了很多東西，動手能力也增強了。而且我通過自己的努力學會了一個軟件DXP，雖然前提是我以前學過Protel99se，有這個軟件的基礎了。但通過自己摸索、自學軟件確實很有挑