51单片机基础-继电器实验 - 教程

第二十一章 继电器实验

1. 导入

继电器（Relay）是用小电流控制大电流的电磁开关，常用于电机启停、灯具、阀门等电气隔离控制。其线圈由单片机通过驱动电路（晶体管或驱动芯片）吸合释放，触点侧可开断高电压/大电流负载（与单片机完全隔离）。

本章目标：

• 理解继电器线圈与触点工作原理（NO/NC/COM）。
• 学会NPN三极管+续流二极管驱动继电器。
• 使用ULN2003或成品继电器模块（低/高电平触发）。
• 实现按键控制、定时控制、互锁控制等功能。
• 掌握触点抗干扰与安全注意事项。

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2. 硬件设计

2.1 继电器基础

• 线圈：通电产生磁力吸合铁芯，断电释放。线圈是感性负载，关断会产生高反向电压。
• 触点：常开（NO）、常闭（NC）、公共端（COM）。
  • 断电时：COM–NC导通，COM–NO断开；
  • 吸合时：COM–NO导通，COM–NC断开。

典型器件：SRD-05VDC-SL-C（5V线圈，吸合电流≈70–90mA）。

2.2 NPN驱动+续流二极管（推荐基础）

• 接线（以S8050/2N2222为例，5V系统）：
  • 单片机引脚 P1.0 → 基极（串 1k–2.2k 电阻）
  • 发射极 → GND
  • 集电极 → 线圈一端；线圈另一端 → +5V
  • 续流二极管（1N4148/1N4007）并联在线圈两端，二极管正接线圈GND侧，反向接+5V（“反向并联”，钳位反电动势）
  • 可选：基极→地并10k电阻，防止上电悬空误吸合
• 基极电阻估算：
  • 线圈电流约80mA，取饱和放大倍数≈10 → 需要Ib≈8mA。8051口源/灌电流有限（建议≤10mA）。
  • 以安全为先，选R≈(5V–0.7V)/4–8mA → 540–1075Ω。实际多用1k–2.2k配合小功率继电器即可吸合；若边缘不足，用驱动芯片。

2.3 ULN2003阵列驱动（更稳妥）

• ULN2003内置达林顿管与续流二极管，适合多路继电器。
• 接线：MCU→IN1…IN7，OUT1…OUT7→线圈一端，线圈另一端→+5V，COM脚接+5V（用于二极管回路），GND共地。

2.4 成品继电器模块（低/高电平触发）

• 引脚：VCC、GND、IN（有的还有JD-VCC跳帽供电隔离）
• 低电平触发：IN=0继电器吸合（模块上通常标“LOW”）
• 高电平触发：IN=1吸合
• 注意：低触发模块输入端多带光耦+下拉，逻辑与裸继电器不同。

2.5 触点侧连接与安全

• 只要控制低压DC负载即可；涉及市电AC严禁新手直接接触，必须采取安规间隙、绝缘、保险丝、浪涌吸收（MOV/RC snubber）等措施，并由专业人士操作。
• 触点并联RC吸收（如 100nF X2 电容 + 100Ω 电阻串联）可减少火花，延长寿命（交流负载）。
• DC电感性负载可在负载并并联续流二极管（仅限DC）。

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3. 软件设计与完整代码

下面代码给出三种常见接法的控制方式：

• 裸继电器+NPN（高电平吸合）
• ULN2003（高电平吸合）
• 低电平触发模块（低电平吸合，逻辑取反）

选择其一即可，其他注释掉。

#include <reg52.h>
  /* 任选一种驱动方式，修改以下宏 */
  // #define RELAY_HIGH_ACTIVE        // NPN或ULN2003，高电平吸合
  #define RELAY_LOW_ACTIVE         // 低电平触发模块，低电平吸合
  /* 引脚定义 */
  sbit RELAY = P1^0;   // 继电器控制信号
  sbit KEY1  = P3^0;   // 按键：手动切换
  sbit KEY2  = P3^1;   // 按键：定时1s脉冲
  sbit LED   = P1^7;   // 指示灯（可选）
  /* 简易延时 */
  void delay_ms(unsigned int ms){
  unsigned int i,j;
  for(i=0;i<ms;i++)
  for(j=0;j<125;j++);
  }
  /* 继电器控制抽象 */
  static void relay_on(void){
  #ifdef RELAY_HIGH_ACTIVE
  RELAY = 1;
  #endif
  #ifdef RELAY_LOW_ACTIVE
  RELAY = 0;
  #endif
  }
  static void relay_off(void){
  #ifdef RELAY_HIGH_ACTIVE
  RELAY = 0;
  #endif
  #ifdef RELAY_LOW_ACTIVE
  RELAY = 1;
  #endif
  }
  static bit relay_get(){   // 仅用于软件记录（若接法为开漏或模块，读回未必可信）
  #ifdef RELAY_HIGH_ACTIVE
  return (RELAY ? 1 : 0);
  #else
  return (RELAY ? 0 : 1);
  #endif
  }
  /* 按键消抖检测：返回1=按下事件 */
  static bit key_pressed(sbit key){
  if(key == 0){
  delay_ms(10);
  if(key == 0){
  while(key == 0);  // 等待释放
  return 1;
  }
  }
  return 0;
  }
  void main(){
  /* 上电默认继电器断开，避免冲击 */
  relay_off();
  LED = 1;   // 高电平灭（按板子定义调整）
  /* 上电延时，等待电源稳定 */
  delay_ms(500);
  while(1){
  /* K1：切换继电器状态（自锁开关） */
  if(key_pressed(KEY1)){
  if(relay_get()){
  relay_off();
  }else{
  relay_on();
  }
  }
  /* K2：输出1秒脉冲（点动） */
  if(key_pressed(KEY2)){
  relay_on();
  LED = 0;
  delay_ms(1000);
  relay_off();
  LED = 1;
  }
  /* 指示灯反映当前状态 */
  if(relay_get()) LED = 0; else LED = 1;
  }
  }

要点：

• 根据硬件选择 RELAY_HIGH_ACTIVE 或 RELAY_LOW_ACTIVE 其中一个。
• 上电默认关闭，避免误吸合。
• 按键采用消抖与“等待松手”。

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4. 扩展示例

4.1 定时器中断做非阻塞定时（单次脉冲）

避免delay_ms阻塞主循环，用T0每1ms节拍做状态机：

#include <reg52.h>
  sbit RELAY = P1^0;
  volatile unsigned int tmr_ms = 0;
  volatile bit pulse_busy = 0;
  void t0_init_1ms(){
  TMOD = (TMOD & 0xF0) | 0x01;
  // 11.0592MHz -> 1ms: TH0/TL0 = 0xFC66
  TH0 = 0xFC; TL0 = 0x66;
  ET0 = 1; EA = 1; TR0 = 1;
  }
  void t0_isr(void) interrupt 1{
  TH0 = 0xFC; TL0 = 0x66;
  if(pulse_busy && tmr_ms) tmr_ms--;
  if(pulse_busy && tmr_ms==0){
  // 结束脉冲
  #ifdef RELAY_LOW_ACTIVE
  RELAY = 1;
  #else
  RELAY = 0;
  #endif
  pulse_busy = 0;
  }
  }
  void relay_pulse_ms(unsigned int ms){
  if(pulse_busy) return;       // 正在输出，丢弃请求或排队
  pulse_busy = 1;
  tmr_ms = ms;
  #ifdef RELAY_LOW_ACTIVE
  RELAY = 0;
  #else
  RELAY = 1;
  #endif
  }
  void main(){
  #ifdef RELAY_LOW_ACTIVE
  RELAY = 1;
  #else
  RELAY = 0;
  #endif
  t0_init_1ms();
  while(1){
  // 每2秒输出一次500ms脉冲（举例）
  static unsigned int tick=0;
  if(!pulse_busy){
  relay_pulse_ms(500);
  }
  // 粗糙的2秒，演示用：此处可用另一个计数器
  // ...省略其他任务
  }
  }

4.2 双继电器互锁（电机正反转保护）

• 电机正转继电器K1、反转继电器K2不能同时吸合，中间要有死区时间（如50–100ms）。
• 伪代码要点：
  • 若要从正转切到反转：先断K1→延时→吸合K2；反向亦然。
  • 检测当前状态，避免抖动误触发。
• 硬件上最好用互锁接线（交叉接线或互锁触点）实现硬件级防误。

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5. 测试步骤与验证

• 空载测试：不接触点负载，仅听吸合“嗒”声和测量线圈电流。
• 低压负载测试：用5–12V小灯泡/直流风扇验证触点工作。
• 功率负载/市电：仅在安规、隔离、防护完善的前提下进行，建议使用带光耦与电源隔离的成品模块并由专业人员实施。

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6. 常见问题与解决

• 继电器不吸合：
  • 线圈供电不足/压降大（USB取电不稳）；驱动晶体管接反；续流二极管极性错误。
• 上电误吸合：
  • 输入悬空，增加下拉/上拉；上电默认置“关闭”并延时；模块为低触发导致上电低脉冲，需置引脚上拉为稳定态。
• MCU复位或干扰：
  • 触点侧浪涌干扰电源/地；在触点侧加RC吸收、MOV，数字与功率地分区；给MCU加去耦与复位可靠性设计。
• 触点粘连/寿命短：
  • 负载电流/种类超过额定；电感负载无吸收网络；选择更大容量继电器或固态继电器（SSR）。

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7. 小结

• 硬件：用NPN或ULN2003驱动继电器，务必并联续流二极管；模块则按“低/高电平触发”正确接线。
• 软件：提供按键消抖、自锁/点动、定时器非阻塞脉冲、互锁示例。
• 安全：触点侧高压/大功率必须遵循安规，必要时使用隔离模块、浪涌抑制与保险丝。

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