機床電氣實訓臺考核裝置的設計分析
機床電氣維修是中級維修電工技能考證中重要的考核項目，學生需要長時間操作機床電氣實訓臺進行故障維修實訓，才能掌握好該項目的技能。很多職業學校都建設了機床電氣實訓室，配置有各種型號的機床電氣實訓臺多張，實訓臺上使用20-30 個開關切斷電路模擬產生故障。當全部實訓臺進行實訓或技能考證時，教師設置故障和驗證學生排除故障正確性的工作量很大，因此實現機床電氣維修實訓的智能化考核，能減輕教師的勞動強度和提高實訓效率，經過分析，應用單片機技術設計的智能化考核裝置能完成這一功能。
1、設計方案
1.1 中級維修電工機床電氣故障維修考核要求
按照中級維修電工考核大綱，機床電氣故障維修考核要求考評員先在機床電氣模擬電路板上設置隱蔽故障3 處，其中主回路1 處，控制回路2 處，考評員可將故障現象告知考生，考生必須單獨排除故障，考試時間為45 分鐘。
1.2 智能化考核裝置的功能設計
（1）故障設置時教師通過。控器控制實訓臺上智能化考核裝置隨機或手動產生含有3 個故障點的考題，并進行45 分鐘倒計時顯示在顯示屏上，共有30 套預設的考題。（2）學生排除故障時查出故障點所在的電路編號，通過鍵盤輸入故障電路編號，相應的故障點消除，顯示屏上顯示相應編號故障“排故成功”，如果輸入錯誤或在45 分鐘內沒有排除故障，則顯示“排故失敗”。（3）學生實訓時在鍵盤上按手動設置鍵后，能輸入電路編號直接設置故障點，進行該故障點的維修訓練，共能設置24 個故障點。
1.3 電路系統方框圖
裝置的系統電路以AT89S52 單片機控制，因控制的繼電器數量較多，所以使用了74HC595 對單片機的IO 接口進行擴展，控制24 個繼電器切斷電路產生故障。電路主要由紅外?？亟邮针娐贰㈡I盤電路、單片機最小系統、顯示電路、提示音電路、繼電器及驅動電路、電源電路組成，電路系統方框圖見圖1。
圖1 電路系統方框圖
2、硬件電路設計
2.1 遙控器和紅外遙控接收電路
遙控器采用20 鍵的迷你設備項目小型紅外?？仄鳎瑑戎肬PD6122 控制芯片，NEC 編碼格式。其中數字按鍵輸入故障題號，將“開/ 關機、菜單、播放和C”按鍵分別定義為“隨機設置故障題、手動設置故障題、確認和刪除”功能。紅外遙控接收電路采用HX1838 一體化紅外接收頭，帶有金屬外殼屏蔽抗干擾，接收遙控器發出的紅外線編碼信號。為了避免在操作遙控器時對其他實訓臺誤操作，應將接收頭安裝于接收窗后3CM 處，接收窗開口為直徑1CM, 將遙控器靠近接收窗操作。電路原理圖見圖2（以下的顯示電路、提示音電路、單片機最小系統、電源電路均見圖2）。
圖2 紅外遙控接收電路、單片機最小系統、顯示電路、提示音電路、電源電路原理圖
2.2 鍵盤電路
鍵盤電路用于機床電氣實訓臺上手動設置故障點和答題，使用4×4 的PVC薄膜矩陣鍵盤，共16 個按鍵開關，其中10個按鍵為數字鍵，其余6 個按鍵定義為：“上一題、下一題、刪除、交卷、手動設置和確認”功能。電路原理圖見圖3。
圖3 鍵盤電路原理圖
2.3 單片機最小系統
單片機最小系統使用了職業學校常用的單片機課程教學型號AT89S52， J1為ISP 程序下載接口，方便現場修改和升級程序。P32 接紅外。控接收電路，P2接鍵盤電路，P30、P31、P34-P37 和P0接液晶顯示屏，P14 連接提示音電路、P10-P12 接單片機接口擴展電路，控制繼電器組。
2.4 顯示電路和提示音電路
顯示電路采用LCD12864 液晶顯示器， 設計有歡迎、手動設置故障題、手動設置故障點和智能化考核4 個顯示界面，智能考核界面顯示出自動倒計時間，故障編號1-3，學生在故障編號后輸入故障的電路編號，裝置自動判斷并顯示出排除故障的狀態。當操作。控器或鍵盤時，提示音電路的蜂鳴器HA 電能發出短提示音，答題成功則發出長提示音。
2.5 單片機接口擴展電路
單片機的IO 接口由3 塊74HC595集成電路進行擴展，輸出設置故障的控制信號，再通過光電耦合器隔離后驅動繼電器。74HC595 是8 位串行輸入/ 輸出或者并行輸出移位寄存器，寄存器的Q7’串行輸出與下一級寄存器的DS 串行輸入之間進行級聯，每一個寄存器的ST-CP、SH-CP 分別與單片機P10 和P11 相連，第一級寄存器的DS 與單片機P12 相連，將單片機P12 輸出的串行數據轉成24 路并行的控制繼電器信號。光電耦合器采用TLP521-4 型，內含4 個光電耦合器，將單片機主控制電路與后面的繼電器驅動電路隔離，減少繼電器和交流接觸器在工作時的電磁干擾，防止單片機運行出錯。電路原理圖見圖4（因篇幅所限，圖中只畫了第一級電路，其他兩級電路可參考第一級）
圖4 單片機接口擴展、繼電器及驅動電路原理圖
2.6 繼電器及驅動電路
ULN2803 集成電路驅動繼電器吸合時，繼電器內常閉端與公共端斷開機床電路，模擬產生故障。ULN2803 集成電路是高耐壓、大電流復合晶體管陣列，內含8 個單元，每個單元驅動電流最大可達500mA，能直接驅動8 個繼電器。繼電器采用線圈電壓12V，觸點容量電流為20A 的型號，常閉端與公共端用接線端子引出，連接到電路的故障斷點。電路原理圖見圖4
2.7 電源電路
電源電路使用輸出12V 15A 和5V1A 的開關式直流電源各1 個，5V 電源供單片機主控制電路用，12V 電源供繼電器及驅動電路用，注意兩路電源的公共地分開，以防止繼電器工作對單片機的干擾。
3、軟件設計
3.1 系統程序流程圖
系統的程序用Keil C51 軟件編程，使用模塊程序設計，主要子程序模塊有：顯示歡迎界面、紅外。控接收、鍵盤、。控手動設置故障題、。控隨機設置故障題、答題、手動設置故障點、顯示手動設置故障點界面、顯示手動設置故障題界面、智能化考核及顯示界面。系統程序流程圖見圖5。
圖5 系統程序流程圖
3.2 隨機數的產生
啟動單片機的定時器1，當按下隨機設置故障題鍵后取定時器1 的time1 作為種子，用函數srand() 初始化，由函數rand() 產生隨機數，然后用(int)( ｎ *rand()/(RAND_MAX+1.0)) 的公式產生一個0 到ｎ之間的隨機數，本裝置故障題數量為30套，則n 取值為30。
4、結論
本智能化考核裝置設有人機對話顯示界面，操作簡便，教師按?？仄魃系碾S機設置故障題鍵就可對實訓臺設置故障，學生在實訓臺上限時回答故障點電路編號，裝置自動完成考核。經測試可代替復雜的計算機型智能考核系統，具有造價低、電路簡潔、可靠性高等特點，除適合職業學校自主研制實訓臺采用，還可對老機床電氣實訓臺進行智能化考核改造，使老機器“煥發青春”，跟上職業教育技術的發展。
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