51单片机基础-继电器实验

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。

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）。

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。

c 复制代码

#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"。

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：