林生佐 彭森第 王振浩

摘要：針對高職院校中機電專業(yè)學生開展機床繼電器系統(tǒng)故障排除的實踐教學需求，改進設計了實訓裝置?，F(xiàn)重點介紹了該裝置故障設置系統(tǒng)的工作原理和硬件設計要點，改進后的實訓裝置在平常的實訓過程中取得了良好的教學效果，對于提升實踐教學質量具有重要意義。

關鍵詞：單片機;機床控制電路;實訓裝置;實踐教學

0 引言

本文針對高職院校機電專業(yè)學生的機床繼電器控制系統(tǒng)故障排除實踐教學需求，根據(jù)機床控制電路，改進設計了實訓裝置。該裝置的控制系統(tǒng)采用單片機作為控制核心，主控模塊輸出控制位移緩存模塊和繼電器驅動模塊動作，該實訓裝置不僅能滿足日常的實踐教學需求，還能拓展學生的邏輯控制思維，讓學生更好地掌握電氣故障排除原理、電氣控制和維護技能，提高實踐教學質量。

1 機床繼電器控制線路故障設置系統(tǒng)工作原理

本文介紹的機床繼電器控制線路故障設置系統(tǒng)，基于現(xiàn)有維修電工的機床繼電器控制線路，通過用戶操作按鍵模塊輸入對應的考核電路的故障點編號，主控模塊輸出控制位移緩存模塊和繼電器驅動模塊動作，從而將考核電路對應的斷路故障點斷開，或將短路故障點短接，模擬考核電路的某種故障狀態(tài)，由考生通過工具排查確認并排除故障，完成對考生實操能力的針對性考核。

該故障設置系統(tǒng)還具備加密功能和隨機功能，具有改造成本低、簡單實用、易操作等優(yōu)點。

本文主要介紹機床繼電器控制線路故障設置系統(tǒng)的硬件部分設計要點。

2 硬件設計

2.1 ? ?系統(tǒng)硬件設計原理

機床繼電器控制線路故障設置系統(tǒng)原理如圖1所示，主控U1為51單片機，瓷片電容C1、C2（30 pF）、電解電容C3（100 pF）、電阻R1（1 kΩ）、R3（10 kΩ）、晶振Y1和重啟按鈕S1等周邊器件與主控U1搭建成單片機最小系統(tǒng)。

單片機U1的P0口與P2口配合完成液晶屏LCD1的顯示驅動（實例為LCD1602），其中，P0口作為液晶屏LCD1的數(shù)據(jù)端，P0口的結構作為輸入信號口需接上上拉電阻R0（10 kΩ）。P2.5～P2.7口是液晶屏LCD1的控制端，其中P2.5口是使能位，P2.6口作為讀/寫選擇，用于選擇P0的輸入是地址信息還是數(shù)據(jù)信息?？烧{電阻R2（10 kΩ）可以用來調節(jié)顯示屏的亮度。

單片機U1的P1口連接矩陣鍵盤S2～S17，共16個按鍵。通過U1程序，逐一置位P1.0～P1.3口，再通過掃描P1.4～P1.7口的值，確定哪個按鍵被按下。每個按鍵都有唯一的鍵值，在不同的菜單下代表唯一的功能含義，通過鍵值確認用戶的輸入信息。

為了節(jié)省單片機U1的IO口，以保證系統(tǒng)后續(xù)的擴展性，故障設置信息采用串行輸出方式，并采用位移緩存器U2和U3（實例為74HC595）進行串行數(shù)據(jù)轉并行輸出（SPI同步通信協(xié)議）;使用單片機U1的P3.4～P3.6口作為故障設置信息的輸出端和控制端。其中U1的P3.4口作為串行數(shù)據(jù)輸出，接入位移緩存器U2的SER串行數(shù)據(jù)輸入口，相應的bit位對應相應的故障號（如bit0位為1，則表示第1號故障點被設置）。同時，U2的SER2口接入U3的SER口，實現(xiàn)級聯(lián)。由于一個74HC595位移緩存器有8位并行數(shù)據(jù)輸出口，2個級聯(lián)后，本實例可實現(xiàn)共16個故障點設置。

U1的P3.6口作為移位時鐘輸出，通過P3.6口的時鐘完成P3.4口串行數(shù)據(jù)在U2和U3內部寄存器的移位。U1的P3.5口作為U2和U3的數(shù)據(jù)輸出更新控制端，U2和U3內部寄存器的數(shù)據(jù)移位完成后，通過P3.5口輸出一個低電平，完成U2和U3內部移位寄存器到D型鎖存器的數(shù)據(jù)輸出，從而完成故障設置信息的更新。

位移緩存器U2和U3的每一個并行數(shù)據(jù)輸出口QA～QH均接一個三極管Q1～Q16（實例為9012）、一個二極管D1～D16（實例為IN4148）、一個發(fā)光二極管DS1～DS16、一個限流電阻R4～R19（實例為1 kΩ）和一個微型繼電器J1～J16作為故障設置信息輸出終端。其中，位移緩存器U2和U3驅動能力不足，三極管Q1～Q16起擴流作用，使U2和U3能夠驅動微型繼電器J1～J16動作。二極管D1～D16起到驅動微型繼電器J1～J16動作的續(xù)流作用，限流電阻R4～R19和發(fā)光二極管DS1～DS16是用于提示故障設置信息輸出作用，主要用于調試，正式電路中可取消。

2.2 ? ?矩陣鍵盤定義

機床繼電器控制線路故障設置系統(tǒng)矩陣鍵盤定義如圖2所示。

根據(jù)圖2所示，系統(tǒng)4×4矩陣鍵盤的具體操作定義如表1所示。

3 結語

實踐證明，本文介紹的基于現(xiàn)有維修電工故障排查考核實訓裝置，通過增設由“單片機+人機界面”組成的故障設置控制系統(tǒng)的智能化改造方案，對于提升實踐教學質量具有重要意義：

（1）該裝置系統(tǒng)改善了學生實習實訓的環(huán)境。改造后的實訓裝置明顯提升了設備性能，在操作上更為人性化和智能化。

（2）該裝置系統(tǒng)提升了學校技能鑒定和電工培訓的質量。改造后的實訓裝置更符合對電工的國家職業(yè)標準與技能等級考核需求，滿足職業(yè)院校開展從維修電工初級工到高級工培訓及考證的需求，并且更為接近電工的實際維修過程。

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收稿日期：2020-07-01

作者簡介：林生佐（1986—），男，廣東汕尾人，實驗師，研究方向：控制科學與控制工程。

彭森第（1984—），男，湖南衡陽人，講師，研究方向：控制科學與控制工程。

王振浩（1987—），男，廣東湛江人，實驗師，研究方向：電氣工程及其自動化。