劉開(kāi)云，何文樂(lè)

（中山市中等專業(yè)學(xué)校，廣東中山，528400）

本校維修電工室實(shí)訓(xùn)室一共有2個(gè)，使用的是某公司的產(chǎn)品設(shè)備。這些設(shè)備包含有CA6140車床控制電路板、M7120平面磨床控制電路板、T68鏜床控制電路板、X62W萬(wàn)能銑床控制電路板、Z3040鉆床控制電路板。每一套控制電路板都有相應(yīng)電氣控制電路、故障設(shè)置器、答題器、熱繼電器、空氣開(kāi)關(guān)等相關(guān)元器件，他們都是固定在一塊正方形的板子上。每個(gè)元器件之間都有規(guī)范接線，接線處會(huì)預(yù)留出觸點(diǎn)提供給練習(xí)的學(xué)生檢測(cè)故障點(diǎn)。故障設(shè)置器是用于給控制電路板設(shè)置故障，是通過(guò)一臺(tái)電腦利用串口線給電氣控制板下發(fā)故障指令，學(xué)生利用答題器完成排故使用。

1 機(jī)床電氣線路故障板的分析

機(jī)床電氣線路故障板是用于學(xué)生考核維修電工證練習(xí)的設(shè)備之一，主要考查學(xué)生對(duì)機(jī)床電氣設(shè)備電路的掌握情況。考核大綱中的考核要求是考核人員利用計(jì)算機(jī)對(duì)機(jī)床電氣線路板設(shè)置故障點(diǎn)，每套電路根據(jù)圖紙?jiān)O(shè)置有16個(gè)常規(guī)故障點(diǎn)，學(xué)生考證時(shí)隨機(jī)抽取3個(gè)故障點(diǎn)，學(xué)生利用答題器完成排故。因此學(xué)生在平時(shí)練習(xí)的時(shí)候會(huì)常用到故障設(shè)置器設(shè)置故障，答題器排除故障。因設(shè)備使用頻率高，難免會(huì)有損耗，設(shè)備后期維護(hù)起來(lái)成本非常高，而且有些元器件在市面上很難找到，一旦出現(xiàn)設(shè)備故障就會(huì)影響學(xué)生的正常練習(xí)。這樣會(huì)影響到考證復(fù)習(xí)的進(jìn)度，因此我從綜合方面考慮，設(shè)計(jì)出一個(gè)可以代替設(shè)備中的故障設(shè)置器和答題器。以便日常維護(hù)和開(kāi)展教學(xué)活動(dòng)。

經(jīng)過(guò)對(duì)機(jī)床電氣線路板的深入分析，發(fā)現(xiàn)每套電路板的內(nèi)部結(jié)構(gòu)并不復(fù)雜。主要是在電路板的主電路中可以設(shè)置16個(gè)故障點(diǎn)，故障點(diǎn)都是以斷路的形式實(shí)現(xiàn)，每個(gè)斷點(diǎn)的兩頭分別和繼電器的公共端和常閉端連接，控制端是外接到排線接口。也就是說(shuō)明故障點(diǎn)的設(shè)置功能最終是由繼電器來(lái)控制的，只要對(duì)每個(gè)故障點(diǎn)繼電器進(jìn)行控制，就能達(dá)到控制的目的。以CA6140車床控制電路為例，該車床電路分為主電路、控制電路和照明、信號(hào)燈電路三部分（原理圖如圖1所示），在該電路圖中，所有的故障點(diǎn)是通過(guò)DZ2航空插座各引腳來(lái)一一對(duì)應(yīng)，通過(guò)計(jì)算機(jī)向機(jī)床電氣電路板下發(fā)指令達(dá)到控制的效果。

圖1

目前實(shí)訓(xùn)室維修電工考證實(shí)訓(xùn)練習(xí)機(jī)床電氣排故模塊已經(jīng)使用多年，用于設(shè)置故障的計(jì)算機(jī)上位機(jī)因?yàn)楦鞣N原因早已不能使用，且購(gòu)買年限已久早已過(guò)了質(zhì)保期，因此想通過(guò)改良實(shí)訓(xùn)室的機(jī)床電氣電路板，使其除了能正常使用外，還增加了一些實(shí)用的功能如機(jī)床電氣板的溫濕度監(jiān)控，增加無(wú)線藍(lán)牙通信設(shè)故障排故障等。這樣改造的目的是改變上位機(jī)通信限制，藍(lán)牙通信可以在近距離給車床電路板下發(fā)指令，APP上位機(jī)的設(shè)置可以根據(jù)授課的進(jìn)度和需求等隨意設(shè)計(jì)，靈活運(yùn)用?？梢詼p輕授課教師因?yàn)橛布?wèn)題在上課途中帶來(lái)的困擾，增加的溫濕度監(jiān)控是為了更好的確保學(xué)生在一個(gè)安全的環(huán)境下進(jìn)行操作，也便于教師在上課中可以更加直觀的檢測(cè)數(shù)據(jù)。無(wú)線藍(lán)牙模塊的加入就是為了解決傳統(tǒng)有線通信的弊端。

2 智能化改造方案

按照維修電工中級(jí)考證的考核大綱，在機(jī)床電氣維修模塊要求考生獨(dú)立完成三處的故障點(diǎn)排除，包括主回路一個(gè)故障，控制回路兩個(gè)故障點(diǎn)。

經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)單整理后，決定對(duì)這個(gè)機(jī)床電氣線路板進(jìn)行改造，使用一塊51單片機(jī)作為主板控制，接入到16個(gè)故障點(diǎn)的繼電器控制端，加上藍(lán)牙模塊，需設(shè)計(jì)一個(gè)安卓手機(jī)端應(yīng)用APP作為上位機(jī)。51單片機(jī)主控板可以實(shí)現(xiàn)以下幾個(gè)功能：（1）代替設(shè)備原來(lái)的故障設(shè)置器和答題器；可以通過(guò)4×4矩陣鍵盤來(lái)設(shè)置故障點(diǎn)；（2）有藍(lán)牙模塊的存在，老師可以直接利用手機(jī)通過(guò)連接藍(lán)牙通信單片機(jī)直接給主控板下發(fā)指令，可以實(shí)現(xiàn)設(shè)置故障點(diǎn)或者解除故障點(diǎn)；（3）可以模擬考證，在選擇考證模式時(shí)，主控板會(huì)隨機(jī)設(shè)置三個(gè)故障點(diǎn)，并且倒計(jì)時(shí)60分鐘，開(kāi)始和結(jié)束都有提示音提示；（4）加入溫濕度檢測(cè)，機(jī)床電氣設(shè)備是強(qiáng)電設(shè)備，對(duì)環(huán)境有要求，如果濕度過(guò)高很容易發(fā)生漏電，檢測(cè)的數(shù)據(jù)可以發(fā)送到手機(jī)上位機(jī)，當(dāng)超過(guò)設(shè)置的溫濕度值時(shí)，主控板會(huì)做出相應(yīng)的保護(hù)動(dòng)作。

3 電路設(shè)計(jì)系統(tǒng)框圖

根據(jù)練習(xí)器的功能需求，我大致的畫(huà)出了設(shè)計(jì)框圖，如圖2所示。從設(shè)計(jì)框圖中我們可以看到該系統(tǒng)的核心控制芯片為單片機(jī)，我選用單片機(jī)型號(hào)是STC89C52系列。因?yàn)楸鞠到y(tǒng)并不復(fù)雜，89系列的單片機(jī)足夠運(yùn)用了，并且該芯片價(jià)格合理功能齊全，引腳多的優(yōu)勢(shì)。該芯片主要負(fù)責(zé)信號(hào)處理，比如從按鍵取得的手動(dòng)輸入信息；通過(guò)單片機(jī)處理后將需要顯示的內(nèi)容通過(guò)液晶顯示器顯示出來(lái)，達(dá)到人機(jī)交互的效果，涉及到需要控制繼電器控制端的信號(hào)，單片機(jī)也會(huì)將控制信號(hào)送到相應(yīng)的端口；通過(guò)藍(lán)牙模塊實(shí)現(xiàn)手機(jī)移動(dòng)端與單片機(jī)通信。

圖2

4 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

硬件系統(tǒng)包括：?jiǎn)纹瑱C(jī)最小系統(tǒng)模塊、人機(jī)交互顯示電路（1602顯示）、車床控制接口電路、矩陣按鍵電路、環(huán)境感應(yīng)電路、系統(tǒng)電源電路、聲音提示電路組成。

單片機(jī)最小系統(tǒng)模塊采用的以單片機(jī)STC89C52芯片為核心器件，配合電容電阻晶振等器件構(gòu)成單片機(jī)最小系統(tǒng)。其他的模塊都是圍繞單片機(jī)最小系統(tǒng)展開(kāi)。

人機(jī)交互顯示電路采用液晶模塊1602作為主要顯示器件。它可顯示2行16個(gè)字符，能顯示英文字母大小寫(xiě)、阿拉伯?dāng)?shù)字、常用符號(hào)等。通過(guò)自定義還可以顯示簡(jiǎn)單的漢字。因本系統(tǒng)操作不會(huì)涉及到太多的中文字符，因此1602模塊足夠使用。

車床控制接口電路主要通過(guò)專用的接頭（繼電器接口），將需要控制的信息送到設(shè)備內(nèi)部。選用74HC595芯片作為單片機(jī)I/O口拓展芯片，使用2塊芯片就能達(dá)到系統(tǒng)需求。

矩陣按鍵電路是采用4×4矩陣鍵盤；環(huán)境感應(yīng)電路采用DHT11溫濕度傳感器；聲音提示電路采用蜂鳴器。

5 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

■5.1 上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)亮點(diǎn)在于操作者可以用手機(jī)通過(guò)藍(lán)牙控制單片機(jī)，通過(guò)藍(lán)牙模塊實(shí)現(xiàn)，因此上位機(jī)是應(yīng)用在安卓系統(tǒng)手機(jī)上的APP。APP程序采用Android語(yǔ)言編寫(xiě)，Android是一種基于Linux系統(tǒng)的開(kāi)放源代碼的操作系統(tǒng)。目前市面上的安卓手機(jī)都支持本系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的APK文件。安卓的開(kāi)發(fā)環(huán)境是Eclipse軟件。其界面設(shè)置如圖3所示，功能強(qiáng)大，有實(shí)時(shí)溫度檢測(cè)，模擬考證功能，一鍵排故功能，隨機(jī)設(shè)故功能。藍(lán)牙功能可以讓機(jī)床電氣設(shè)備擺脫計(jì)算機(jī)串口通信不穩(wěn)定，系統(tǒng)過(guò)時(shí)的限制，只要有手機(jī)就能通過(guò)藍(lán)牙連接設(shè)備進(jìn)行操作。

圖3

■5.2 下位機(jī)程序設(shè)計(jì)

下位機(jī)單片機(jī)程序采用Medwin軟件編程，編程語(yǔ)言采用C51語(yǔ)言，程序采用結(jié)構(gòu)化編程。包括系統(tǒng)初始化、1602液晶顯示子程序、4×4按鍵子程序、藍(lán)牙通信子程序、溫濕度傳感器子程序、故障設(shè)置排除子程序、考證子程序等。

■5.3 溫濕度傳感子程序

溫濕度數(shù)據(jù)的采集是使用DHT11數(shù)字溫濕度傳感器，集成溫度和濕度的數(shù)據(jù)采集。可靠性和穩(wěn)定性非常卓越，傳感器本身體積很小，有三個(gè)引腳，分別為電源正極，數(shù)據(jù)端，電源地。單片機(jī)和DHT11之間的通信是采用串行通信，一次完整的數(shù)據(jù)傳輸為40個(gè)字節(jié)，高位先出。數(shù)據(jù)的格式為8位濕度整數(shù)數(shù)據(jù)+8位濕度小數(shù)數(shù)據(jù)+8位溫度整數(shù)數(shù)據(jù)+8位溫度小數(shù)數(shù)據(jù)+8位校驗(yàn)和，數(shù)據(jù)傳送正確時(shí)校驗(yàn)和數(shù)據(jù)等于“8位濕度整數(shù)數(shù)據(jù)+8位濕度小數(shù)數(shù)據(jù)+8位溫度整數(shù)數(shù)據(jù)+8位溫度小數(shù)數(shù)據(jù)”所得結(jié)果的末8位。

6 應(yīng)用及效果

本套機(jī)床電氣電路智能化改造將單片機(jī)技術(shù)融入維修電工考證設(shè)備中，利用單片機(jī)簡(jiǎn)單易操作的優(yōu)勢(shì)把藍(lán)牙通信、溫濕度監(jiān)測(cè)、可視化模塊巧妙的融合在一起，有效的解決了機(jī)床電氣設(shè)備老化、不易維修等難題。實(shí)現(xiàn)了設(shè)備重復(fù)利用的綠色節(jié)能環(huán)保理念。教師在使用的過(guò)程中也比原來(lái)的方式更加簡(jiǎn)便，在課堂上可以更加專注于教學(xué)上了。

與此同時(shí)，這套改造方案在中等職業(yè)教育教學(xué)中也具有推廣價(jià)值。特別適用于較早購(gòu)買這套考證設(shè)備的院校，改造成本低，使用方便。學(xué)生在使用的時(shí)候也特別好理解，對(duì)維修電工考證排除機(jī)床電路故障成功率有顯著的提高！