《嵌入式-STM32开发指南》第三部分 外设篇 - 第3章 继电器
3.1 理论分析
3.1.1继电器概述
继电器（relay）是一种电控制器件，是当输入量（激励量）的变化达到规定要求时，在电气输出电路中使被控量发生预定的阶跃变化的一种电器。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）之间的互动关系。通常应用于自动化的控制电 路中，它实际上是用小电流去控制大电流运作的一种“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。
3.1.2继电器原理
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）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。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”。
继电器的控制原理很简单：
当控制端没电流流过或电流不够大时，继电器线圈就不吸合，常闭触点闭合，常开触点断开；当控制端有足够的电流流过时，继电器线圈就吸合，电磁感应使衔铁与永久磁铁产生吸引和排斥力矩，常闭触点断开，常开触点闭合。
3.1.3继电器驱动方式
1.晶体管驱动
当晶体管用来驱动继电器时，必须将晶体管的发射极接地。具体电路如下：
NPN 晶体管驱动时：当晶体管 T1基极被输入高电平时，晶体管饱和导通，集电极变为低电平，因此继电器线圈通电，触点 RL1吸合；当晶体管 T1 基级被输入低电平时，晶体管截止，继电器线圈断电，触电 RL1 断开。
PNP 晶体管驱动电路刚好和 NPN 驱动相反，即低电平时继电器导通，高电平时继电器断开。
电路中各元器件的作用：晶体管 T1可视为控制开关，一般选取 VCBO≈VCEO≥24V，放大倍数β一般选择在120～240之间，如 9013 、8050 等。电阻 R1 主要起限流作用，降低晶体管 T1 功耗，阻值为2 KΩ。电阻 R2使晶体管 T1可靠截止，阻值为5.1KΩ。二极管 D1 作用是关断时为线圈提供反向续流，一般选1N4148即可。
三极管驱动在插座、开关等电工产品中应用会比较多。
2.集成电路驱动
目前已使用多个驱动晶体管集成的集成电路，使用这种集成电路能简化驱动多个继电器的印制板的设计过程。驱动继电器的集成电路主要有TD62003AP、ULB2003等。
根据集成电路驱动器2003的输入输出特性，有人把它简称叫“驱动器”“反向器”“放大器”等。当2003输入端为高电平时，对应的输出口输出低电平，继电器线圈通电，继电器触点吸合；当2003输入端为低电平时，继电器线圈断电，继电器触点断开；在2003内部已集成起反向续流作用的二极管，因此可直接用它驱动继电器。
3.光耦隔离驱动
光耦亦称光电隔离器或光电耦合器，简称光耦。它是以光为媒介来传输电信号的器件，通常把发光器(红外线发光led)与受光器(光敏半导体管)封装在同一管壳内。当输入端加电信号时发光器发出光线，受光器接受光线之后就产生光电流，从输出端流出，从而实现了"电-光-电"转换。以光为媒介把输入端信号耦合到输出端的光电耦合器。
主要电路设计如下图：
该继电保护主要隔离应用的是EL817光耦芯片。该芯片无需供电，通过光耦二极管上拉5v电源输出即可正常工作，有效隔离了输出侧对主回路的电磁影响。
3.2 实验详解
3.2.1实验目的
通过实验掌握STM32 芯片GPIO 的配置方法 掌握继电器模块的使用
3.2.2实验设备
硬件：PC 机一台；STM32开发板一套； 继电器模块一个
软件：Windows 10系统，Keil5集成开发环境
3.2.3硬件连接
本文使用的1路继电器，如图6所示。LED1是信号输入指示灯，LED2是电源指示灯。P1接控制器，P3接单片机。当IN1输入为低电平，继电器的公共端常开，LED1指示灯亮起，当IN1输入为高电平时，继电器的公共端常闭，LED1指示灯熄灭。另外笔者这里的IN1接到单片的PC5。
本文将通过按键来控制继电器的状态，按键电路如下：
3.2.4 Lib_V3.5.0库实现
继电器的控制相对来说比较简单，和LED类似，只需设置高低电平即可控制继电器。本文通过KEY1来打开控制继电器的常开，KEY2来控制继电器的常闭开关。
关于按键的部分这里就不讲了，另外还用了串口和滴答定时器，看笔者以前的文章吧。
Systick系统定时器
按键
串口通信
继电器的部分很简单。
1.初始化GPIO
/**
* @brief 继电器IO引脚初始化
* @param None
* @retval None
*/
void RELAY_GPIO_Init(void)
{
/* 定义IO硬件初始化结构体变量 */
GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;
/* 使能(开启)继电器引脚对应IO端口时钟 */
RELAY_RCC_CLOCKCMD(RELAY_RCC_CLOCKGPIO, ENABLE);
/* 设定继电器对应引脚IO编号 */
GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = RELAY_GPIO_PIN;
/* 设定继电器对应引脚IO最大操作速度 ：GPIO_Speed_50MHz */
GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
/* 设定继电器对应引脚IO为输出模式 */
GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_Out_PP;
/* 初始化继电器对应引脚IO */
GPIO_Init(RELAY_GPIO, &GPIO_InitStructure);
/* 设置引脚输出为低电平，此时继电器(公共端——常闭) */
RELAY_ON;
}
笔者这里使用的是PC5，当然你也可以自行更换引脚。
2.控制继电器
控制继电器是通过宏定义的方式实现的。
#if 0 /* 调用标准库函数方法 */
#define RELAY_ON GPIO_ResetBits(RELAY_GPIO,RELAY_GPIO_PIN) //输出低电平，继电器(公共端——常开)
#define RELAY_OFF GPIO_SetBits(RELAY_GPIO,RELAY_GPIO_PIN) //输出高电平，继电器(公共端——常闭)
#define RELAY_TOGGLE {
RELAY_GPIO->ODR ^=RELAY_GPIO_PIN;} //输出反转，继电器状态改变
#else /* 直接操作寄存器方法 */
#define RELAY_ON {
RELAY_GPIO->BRR=RELAY_GPIO_PIN;} //输出低电平，继电器(公共端——常开)
#define RELAY_OFF {
RELAY_GPIO->BSRR=RELAY_GPIO_PIN;} //输出高电平，继电器(公共端——常闭)
#define RELAY_TOGGLE {
RELAY_GPIO->ODR ^=RELAY_GPIO_PIN;} //输出反转，继电器状态改变
#endif
当然也可可以封装成库函数。函数如下：
/**
* @brief 设置板载继电器的状态
* @param tate:设置继电器的状态。
* 可选值：RELAYState_OFF：继电器(公共端——常闭)
* 可选值：RELAYState_ON： 继电器(公共端——常开)
* @retval None
*/
void RELAY_SetState(RELAYState_TypeDef state)
{
/* 检查输入参数是否合法 */
assert_param(RELAYState_TypeDef(state));
/* 判断设置的继电器状态，如果设置为继电器常开 */
if(state==RELAYState_ON)
{
RELAY_ON;
}
else /* state=RELAYState_OFF：设置继电器(公共端——常开) */
{
RELAY_OFF;
}
}
3.继电器的状态检测
设置了继电器的开闭，接下来通过检测GPIO的状态来检测继电器的开闭状态。
/**
* @brief 读取继电器的状态
* @param RELAYState_OFF：继电器(公共端——常闭)
* RELAYState_ON： 继电器(公共端——常开)
* @retval None
*/
uint8_t RELAY_GetState(void)
{
uint8_t relay_state=RELAYState_ON;
if((RELAY_GPIO->ODR & RELAY_GPIO_PIN)!= (uint32_t)Bit_RESET)
relay_state=RELAYState_OFF;
return relay_state;
}
好了，接下来看看主函数是如何调用的。
/**
* @brief mian
* @param None
* @retval int
*/
int main(void)
{
//滴答定时器初始化
SysTick_Init();
/* USART1 配置模式为 115200 8-N-1，中断接收 */
USART1_Config();
/* 初始继电器IO */
RELAY_GPIO_Init();
/* 初始化按键 */
KEY_GPIO_Init();
printf("继电器\r\n");
/* 无限循环 */
while (1)
{
if(KEY1_StateRead()==KEY_DOWN)
{
RELAY_ON; //输出低电平，继电器(公共端——常开)
printf("当前继电器状态为：常闭 \r\n");
}
if(KEY2_StateRead()==KEY_DOWN)
{
RELAY_OFF;//输出高电平，继电器(公共端——常闭)
printf("当前继电器状态为：常开 \r\n");
}
if(RELAY_GetState()==RELAYState_OFF)
{
Delay_ms(20);
printf("当前继电器状态为：常闭 \r\n");
}
else
{
printf("当前继电器状态为：常开 \r\n");
Delay_ms(20);
}
Delay_ms(200);
}
}
先进行一系列的初始化，然后就通过按键来控制继电器的状态，不断检测继电器状态，并点打印输出继电器的状态信息。
3.2.5 HAL库实现
我们在串口的例子的基础上进行配置。
串口通信（HAL库）
这里用到了PA0、PC13和PC5，将PC5配置成输出，KEY1的引脚是PA0，KEY2的引脚是C13，我们将PA0 和PC13的GPIO设置为输入模式。
生成工程即可。
关于按键的实现可参考笔者以前的博客：
按键
HAL库的实现和标准库一样，只是函数不同罢了。
这里只贴出主函数的代码。完整工程请通过后文提示获取。
/**
* @brief The application entry point.
* @retval int
*/
int main(void)
{
/* USER CODE BEGIN 1 */
/* USER CODE END 1 */
/* MCU Configuration--------------------------------------------------------*/
/* Reset of all peripherals, Initializes the Flash interface and the Systick. */
HAL_Init();
/* USER CODE BEGIN Init */
/* USER CODE END Init */
/* Configure the system clock */
SystemClock_Config();
/* USER CODE BEGIN SysInit */
/* USER CODE END SysInit */
/* Initialize all configured peripherals */
MX_GPIO_Init();
MX_USART1_UART_Init();
/* USER CODE BEGIN 2 */
HAL_UART_Receive_IT(&huart1, (uint8_t *)&RxBuffer, 1);
/* USER CODE END 2 */
printf("继电器\r\n");
/* Infinite loop */
/* USER CODE BEGIN WHILE */
while (1)
{
/* USER CODE END WHILE */
if(KEY1_StateRead()==KEY_DOWN)
{
RELAY_ON; //输出低电平，继电器(公共端——常开)
printf("当前继电器状态为：常闭 \r\n");
}
if(KEY2_StateRead()==KEY_DOWN)
{
RELAY_OFF;//输出高电平，继电器(公共端——常闭)
printf("当前继电器状态为：常开 \r\n");
}
if(RELAY_GetState()==RELAYState_OFF)
{
HAL_Delay(20);
printf("当前继电器状态为：常闭 \r\n");
}
else
{
printf("当前继电器状态为：常开 \r\n");
HAL_Delay(20);
}
HAL_Delay(200);
/* USER CODE BEGIN 3 */
}
/* USER CODE END 3 */
}
3.2.6实验现象
不管是使用何种库，结果都是一样的，每个200ms输出继电器状态，使用按键控制控制继电器状态，串口就会打印继电器的状态信息。
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