【雕爷学编程】Arduino动手做（43）---单路继电器模块2

37款传感器与模块的提法，在网络上广泛流传，其实Arduino能够兼容的传感器模块肯定是不止37种的。鉴于本人手头积累了一些传感器和模块，依照实践（动手试试）出真知的理念，以学习和交流为目的，这里准备逐一做做实验，不管能否成功，都会记录下来—小小的进步或是搞不掂的问题，希望能够抛砖引玉。

【Arduino】168种传感器模块系列实验（资料+代码+图形+仿真）
实验四十三：5V低电平触发单路继电器模块（单模组常闭常开型）

单路继电器模块相关资料（知识点）
一、电与磁（Electricity and magnetism）
1、电与磁的解释——从科学的角度来说，电磁波是能量的一种，凡是能够释出能量的物体，都会释出电磁波。电与磁可说是一体两面，变动的电会产生磁，变动的磁则会产生电。电磁的变动就如同微风轻拂水面产生水波一般，因此被称为电磁波，而其每秒钟变动的次数便是频率。当电磁波频率低时，主要藉由有形的导电体才能传递；当频率渐提高时，电磁波就会外溢到导体之外，不需要介质也能向外传递能量，这就是一种辐射。举例来说，太阳与地球之间的距离非常遥远，但在户外时，我们仍然能感受到和煦阳光的光与热，这就好比是「电磁辐射藉由辐射现象传递能量」的原理一样。发电机、变压器等重要的电力设备都是直接应用电磁感应原理制成，用它们建立电力系统，将各种能源（煤、石油、水力等）转换成电能并输送到需要的地方，极大地推动了社会生产力的发展。

2、电与磁的发现——历史上，电与磁是分别发现和研究的。很久以前古希腊科学家泰勒斯做了一系列关于静电的观察。从这些观察中，他认为摩擦使琥珀变得磁性化。这与矿石像磁铁矿的性质迥然不同；磁铁矿天然地具有磁。而磁石最早是在中国发现的，我国古代科学家因此发明了司南和罗盘。后来，电与磁之间的联系被发现了，如丹麦人奥斯特（ H.C.Oersted）发现的电流磁效应和法国人安培发现的电流与电流之间相互作用的规律。再后来，法拉第提出了电磁感应定律，这样电与磁就连成一体了。

19世纪中叶，麦克斯韦提出了统一的电磁场理论，实现了物理学的第二次大综合。电磁定律与力学规律有一个截然不同的地方。根据牛顿的设想，力学考虑的相互作用，特别是万有引力相互作用，是超距的相互作用，没有力的传递问题（当然，用现代观点看，引力也应该有传递问题）,而电磁相互作用是场的相互作用。从粒子的超距作用到电磁场的“场的相互作用”，这在观念上有很大变化。场的效应被突出出来了。

电场与磁场不断相互作用造成电磁波的传播，这一点由赫兹在实验室中证实了。电磁波不但包括无线电波，实际上包括很宽的频谱，其中很重要的一部分就是光波。光学在过去是与电磁学完全分开发展的，麦克斯韦电磁理论建立以后，光学也变成了电磁学的一个分支了，电学、磁学和光学得到了统一。这个统一在技术上有重要意义，发电机、电动机几乎都是建立在电磁感应基础上的。电磁波的应用导致现代的无线电技术。直到现在，电磁学在技术上还是起主导作用的一门学问，因此，在基础物理学中电磁学始终保持它的重要地位。

电磁学牵涉到在什么参考系统中来看问题，牵涉到运动导体的电动力学问题。直观地说，“电流即电荷的流动产生磁效应”，但判断电荷是否流动就牵涉到观察者的问题——参考系问题。光学是电磁学的一部分，所以这个问题也可表达成“光的传播与参考系统有什么关系”。迈克耳孙－莫雷实验表明惯性系中真空光速为不变量。这样一来，也就肯定了在惯性系统中电磁学遵循同一规律。这实际上导致了后来的爱因斯坦狭义相对论。狭义相对论基本上是电磁学的进一步发展和推广。迈克耳孙－莫雷实验在19世纪还没能解释清楚，这是19世纪遗留的一个重要问题。下图为电磁学四大天王：奥斯特、安培、法拉第和麦克斯韦。

3、磁场（magnetic field）——磁场，物理概念，是指传递实物间磁力作用的场。磁场是一种看不见、摸不着的特殊的场。磁场不是由原子或分子组成的，但磁场是客观存在的。磁场具有波粒的辐射特性。磁体周围存在磁场，磁体间的相互作用就是以磁场作为媒介的，所以两磁体不用在物理层面接触就能发生作用。电流、运动电荷、磁体或变化电场周围空间存在的一种特殊形态的物质。由于磁体的磁性来源于电流，电流是电荷的运动，因而概括地说，磁场是由运动电荷或电场的变化而产生的。用现代物理的观点来考察，物质中能够形成电荷的终极成分只有电子（带单位负电荷）和质子（带单位正电荷），因此负电荷就是带有过剩电子的点物体，正电荷就是带有过剩质子的点物体。运动电荷产生磁场的真正场源是运动电子或运动质子所产生的磁场。例如电流所产生的磁场就是在导线中运动的电子所产生的磁场。磁场的基本特征是能对其中的运动电荷施加作用力，磁场对电流、对磁体的作用力或力矩皆源于此。而现代理论则说明，磁力是电场力的相对论效应。

4、电磁场（electromagnetic field）——电磁场是电磁作用的媒递物，是统一的整体，电场和磁场是它紧密联系、相互依存的两个侧面，变化的电场产生磁场，变化的磁场产生电场，变化的电磁场以波动形式在空间传播。电磁波以有限的速度传播，具有可交换的能量和动量，电磁波与实物的相互作用，电磁波与粒子的相互转化等等，都证明电磁场是客观存在的物质，它的“特殊”只在于没有静质量。以麦克斯韦方程组为核心的电磁场理论是电工、电子和信息技术的理论基础，是发展与电磁效应相关领域高新技术不可或缺的本源知识。电磁场理论以数学形式反映电磁场的统一本质，是物理规律与数学语言的完美结合。

二、电磁铁（electromagnet）
1、电磁铁——是通电产生电磁的一种装置。在铁芯的外部缠绕与其功率相匹配的导电绕组，这种通有电流的线圈像磁铁一样具有磁性，叫做电磁铁。我们通常把它制成条形或蹄形状，以使铁芯更加容易磁化。另外，为了使电磁铁断电立即消磁，我们往往采用消磁较快的的软铁或硅钢材料来制做。这样的电磁铁在通电时有磁性，断电后磁就随之消失。电磁铁在我们的日常生活中有着极其广泛的应用，由于它的发明也使发电机的功率得到了很大的提高。

2、电磁铁的原理——当在通电螺线管内部插入铁芯后，铁芯被通电螺线管的磁场磁化。磁化后的铁芯也变成了一个磁体，这样由于两个磁场互相叠加，从而使螺线管的磁性大大增强。为了使电磁铁的磁性更强，通常将铁芯制成蹄形。但要注意蹄形铁芯上线圈的绕向相反，一边顺时针，另一边必须逆时针。如果绕向相同，两线圈对铁芯的磁化作用将相互抵消，使铁芯不显磁性。另外，电磁铁的铁芯用软铁制做，而不能用钢制做。否则钢一旦被磁化后，将长期保持磁性而不能退磁，则其磁性的强弱就不能用电流的大小来控制，而失去电磁铁应有的优点。电磁铁是可以通电流来产生磁力的器件，属非永久磁铁，可以很容易地将其磁性启动或是消除。例如：大型起重机利用电磁铁将废弃车辆抬起。当电流通过导线时，会在导线的周围产生磁场。应用这性质，将电流通过螺线管时，则会在螺线管之内制成均匀磁场。假设在螺线管的中心置入铁磁性物质，则此铁磁性物质会被磁化，且会增强磁场。一般而言，电磁铁所产生的磁场与电流大小、线圈圈数及中心的铁磁体有关。在设计电磁铁时，会注重线圈的分布和铁磁体的选择，并利用电流大小来控制磁场。由于线圈的材料具有电阻，这限制了电磁铁所能产生的磁场大小，但随着超导体的发现与应用，将有机会超越现有的限制。

3、电磁铁有许多优点——电磁铁的磁性有无可以用通、断电流控制；磁性的大小可以用电流的强弱或线圈的匝数多少来控制；也可通过改变电阻控制电流大小来控制磁性大小；它的磁极可以由改变电流的方向来控制，等等。即：磁性的强弱可以改变、磁性的有无可以控制、磁极的方向可以改变，磁性可因电流的消失而消失。电磁铁是电流磁效应（电生磁）的一个应用，与生活联系紧密，如电磁继电器、电磁起重机、磁悬浮列车、电子门锁、智能通道匝、电磁流量计等。下图为电磁铁的一个应用，电铃。

三、继电器（relay）
1、概念——继电器（英文名称：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。在18世纪的时候，科学家们还认为电和磁是风马牛不相及的两种物理现象。1820年丹麦物理学家奥斯特发现电流的磁效应后，1831年英国物理学家法拉第又发现了电磁感应现象。这些发现证实了电能和磁能可以相互转化，这也为后来的电动机和发电机的诞生奠定了基础；人类则因这些发明创造从此迈入电气时代。19世纪30年代，美国物理学家约瑟夫·亨利在研究电路控制时利用电磁感应现象发明了继电器。最早的继电器是电磁继电器，它利用电磁铁在通电和断电下磁力产生和消失的现象，来控制高电压高电流的另一电路的开合，它的出现使得电路的远程控制和保护等工作得以顺利进行。继电器，通俗来讲，就是一个以小电流控制大电流的开关，其工作原理简单理解为：利用驱动回路产生电磁吸力，通过机械传递带动负载回路的触点闭合，从而使负载回路导通工作。继电器是人类科技史上的一项伟大发明创造，它不仅是电气工程的基础，也是电子技术、微电子技术的重要基础。

2、继电器的结构——它主要由铁芯、线圈、衔铁（动铁芯）、弹簧、动触点、静触点和一些接线端等组成。静触点包括常闭触点（动断触点）、常开触点（动合触点）两种。触点的材料通常用铜、银、金及其合金，其中以铂金合金为最好，这样的触点接触电阻小，并且不易氧化。对于电磁继电器的各个触点，可以这样来理解和区分：在线圈未通电的条件下，处于断开状态的静触点称“常开触点”，处于接通状态的静触点称“常闭触点”。这两种静触点分别与动触点（公共触点）配合，才构成一组完整的转换触点，才能完成对被控电路的“开”或“关”控制任务。而一个电磁继电器可以同时存在数组这样的触点（每组中可以缺少常开或常闭触点），以实现对多个不同负载的同步控制。继电器内部结构示意图如下。

3、继电器的工作原理——平时，随衔铁联动的动触点与常闭触点接通。只要在线圈两端加上一定的电匪，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弹簧的返回拉力吸向铁芯，从而带动动触点与常闭触点分离、与常开触点接通，这一过程被称为电磁继电器的“吸合（动作）”。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下返回原来的位置，于是动触点与常闭触点恢复接通、与常开触点分离，这一过程被称为电磁继电器的“释放（复位）”。可见，随着电磁继电器的通电“吸合”和断电“释放”，通过触点组就可以轻而易举地实现对被控电路的“开”或“关”控制。由于通过线圈的工作电流与触点之间并没有电的联系，所以控制电路与被控制电路之间在电气上是完全隔离的。

可见，电磁继电器是一种利用电磁原理来控制触点开关通、断的器件，它一般是用一种电回路去控制另一种电回路，这也是“继电器”一词的来历。电磁继电器的最大特点是：可以实现用较小的电流去控制较大的电流、用低电压去控制高电压、用直流电去控制交流电等，同时可以实现控制电路与被控电路之间电气的完全隔离。

4、继电器的主要参数——
（1）额定工作电压（Nominal Coil Voltage (Rated Coil Voltage)）：是指继电器正常工作时线圈所需要的电压。根据继电器的型号不同可以是交流电压，也可以是直流电压。
（2）线圈电阻（Coil Resistance）：是指继电器中线圈的直流电阻，一般定义在20摄氏度的时测量的结果，该值和温度正相关。
（3）吸合电流（Pick-Up Current）：是指继电器能够产生吸合动作的最小电流。在正常使用时，给定的电流必须略大于吸合电流，这样继电器才能稳定地工作。而对于线圈所加的工作电压，一般不要超过额定工作电压的1.5倍，否则会产生较大的电流而把线圈烧毁。
（4）释放电流（Drop-Out Current）：是指继电器产生释放动作的最大电流。当继电器吸合状态的电流减小到定程度时，继电器就会恢复到未通电的释放状态，这时的电流远远小于吸合电流。
（5）触点切换电压和电流（Maximum Switching Voltage/Current）：是指继电器允许加载的电压和电流。它决定了继电器能控制电压和电流的大小，使用时不能超过此值，否则很容易损坏继电器的触点。
（6）触点最大承载电流（Maximum Carrying Current）：在不考虑温升的条件下，继电器触点所能承受的最大电流，一般要大于触点开关电流。

5、继电器的测量——
（1）测触点电阻：用万能表的电阻档，测量常闭触点与动点电阻，其阻值应为0；而常开触点与动点的阻值就为无穷大。由此可以区别出哪个是常闭触点，哪个是常开触点。
（2）测线圈电阻：可用万能表R×10Ω档测量继电器线圈的阻值，从而判断该线圈是否存在着开路现象。
（3）测量吸合电压和吸合电流：找来可调稳压电源和电流表，给继电器输入一组电压，且在供电回路中串入电流表进行监测。慢慢调高电源电压，听到继电器吸合声时，记下该吸合电压和吸合电流。为求准确，可以试多几次而求平均值。
（4）测量释放电压和释放电流：也是像上述那样连接测试，当继电器发生吸合后，再逐渐降低供电电压，当听到继电器再次发生释放声音时，记下此时的电压和电流，亦可尝试多几次而取得平均的释放电压和释放电流。一般情况下，继电器的释放电压约在吸合电压的10~50%，如果释放电压太小（小于1/10的吸合电压），则不能正常使用了，这样会对电路的稳定性造成威胁，工作不可靠。

6、继电器的作用——继电器是具有隔离功能的自动开关元件，广泛应用于遥控、遥测、通讯、自动控制、机电一体化及电力电子设备中，是最重要的控制元件之一。 继电器一般都有能反映一定输入变量（如电流、电压、功率、阻抗、频率、温度、压力、速度、光等）的感应机构（输入部分）；有能对被控电路实现“通”、“断”控制的执行机构（输出部分）；在继电器的输入部分和输出部分之间，还有对输入量进行耦合隔离，功能处理和对输出部分进行驱动的中间机构（驱动部分）。作为控制元件，概括起来，继电器有如下几种作用：
（1）扩大控制范围：例如，多触点继电器控制信号达到某一定值时，可以按触点组的不同形式，同时换接、开断、接通多路电路。
（2）放大：例如，灵敏型继电器、中间继电器等，用一个很微小的控制量，可以控制很大功率的电路。
（3）综合信号：例如，当多个控制信号按规定的形式输入多绕组继电器时，经过比较综合，达到预定的控制效果。
（4）自动、遥控、监测：例如，自动装置上的继电器与其他电器一起，可以组成程序控制线路，从而实现自动化运行。

7、继电器的使用方法——

四、通用型5V蓝壳继电器