机床电气实训台考核装置的设计分析

机床电气维修是中级维修电工技能考证中重要的考核项目，学生需要长时间操作机床电气实训台进行故障维修实训，才能掌握好该项目的技能。很多职业学校都建设了机床电气实训室，配置有各种型号的机床电气实训台多张，实训台上使用20-30 个开关切断电路模拟产生故障。当全部实训台进行实训或技能考证时，教师设置故障和验证学生排除故障正确性的工作量很大，因此实现机床电气维修实训的智能化考核，能减轻教师的劳动强度和提高实训效率，经过分析，应用单片机技术设计的智能化考核装置能完成这一功能。
1、设计方案
1.1 中级维修电工机床电气故障维修考核要求
按照中级维修电工考核大纲，机床电气故障维修考核要求考评员先在机床电气模拟电路板上设置隐蔽故障3 处，其中主回路1 处，控制回路2 处，考评员可将故障现象告知考生，考生必须单独排除故障，考试时间为45 分钟。
1.2 智能化考核装置的功能设计
（1）故障设置时教师通过。控器控制实训台上智能化考核装置随机或手动产生含有3 个故障点的考题，并进行45 分钟倒计时显示在显示屏上，共有30 套预设的考题。（2）学生排除故障时查出故障点所在的电路编号，通过键盘输入故障电路编号，相应的故障点消除，显示屏上显示相应编号故障“排故成功”，如果输入错误或在45 分钟内没有排除故障，则显示“排故失败”。（3）学生实训时在键盘上按手动设置键后，能输入电路编号直接设置故障点，进行该故障点的维修训练，共能设置24 个故障点。
1.3 电路系统方框图
装置的系统电路以AT89S52 单片机控制，因控制的继电器数量较多，所以使用了74HC595 对单片机的IO 接口进行扩展，控制24 个继电器切断电路产生故障。电路主要由红外。控接收电路、键盘电路、单片机最小系统、显示电路、提示音电路、继电器及驱动电路、电源电路组成，电路系统方框图见图1。

图1 电路系统方框图
2、硬件电路设计
2.1 遥控器和红外遥控接收电路
遥控器采用20 键的迷你设备项目小型红外。控器，内置UPD6122 控制芯片，NEC 编码格式。其中数字按键输入故障题号，将“开/ 关机、菜单、播放和C”按键分别定义为“随机设置故障题、手动设置故障题、确认和删除”功能。红外遥控接收电路采用HX1838 一体化红外接收头，带有金属外壳屏蔽抗干扰，接收遥控器发出的红外线编码信号。为了避免在操作遥控器时对其他实训台误操作，应将接收头安装于接收窗后3CM 处，接收窗开口为直径1CM, 将遥控器靠近接收窗操作。电路原理图见图2（以下的显示电路、提示音电路、单片机最小系统、电源电路均见图2）。

图2 红外遥控接收电路、单片机最小系统、显示电路、提示音电路、电源电路原理图
2.2 键盘电路
键盘电路用于机床电气实训台上手动设置故障点和答题，使用4×4 的PVC薄膜矩阵键盘，共16 个按键开关，其中10个按键为数字键，其余6 个按键定义为：“上一题、下一题、删除、交卷、手动设置和确认”功能。电路原理图见图3。

图3 键盘电路原理图
2.3 单片机最小系统
单片机最小系统使用了职业学校常用的单片机课程教学型号AT89S52， J1为ISP 程序下载接口，方便现场修改和升级程序。P32 接红外。控接收电路，P2接键盘电路，P30、P31、P34-P37 和P0接液晶显示屏，P14 连接提示音电路、P10-P12 接单片机接口扩展电路，控制继电器组。
2.4 显示电路和提示音电路
显示电路采用LCD12864 液晶显示器， 设计有欢迎、手动设置故障题、手动设置故障点和智能化考核4 个显示界面，智能考核界面显示出自动倒计时间，故障编号1-3，学生在故障编号后输入故障的电路编号，装置自动判断并显示出排除故障的状态。当操作。控器或键盘时，提示音电路的蜂鸣器HA 电能发出短提示音，答题成功则发出长提示音。
2.5 单片机接口扩展电路
单片机的IO 接口由3 块74HC595集成电路进行扩展，输出设置故障的控制信号，再通过光电耦合器隔离后驱动继电器。74HC595 是8 位串行输入/ 输出或者并行输出移位寄存器，寄存器的Q7’串行输出与下一级寄存器的DS 串行输入之间进行级联，每一个寄存器的ST-CP、SH-CP 分别与单片机P10 和P11 相连，第一级寄存器的DS 与单片机P12 相连，将单片机P12 输出的串行数据转成24 路并行的控制继电器信号。光电耦合器采用TLP521-4 型，内含4 个光电耦合器，将单片机主控制电路与后面的继电器驱动电路隔离，减少继电器和交流接触器在工作时的电磁干扰，防止单片机运行出错。电路原理图见图4（因篇幅所限，图中只画了第一级电路，其他两级电路可参考第一级）

图4 单片机接口扩展、继电器及驱动电路原理图
2.6 继电器及驱动电路
ULN2803 集成电路驱动继电器吸合时，继电器内常闭端与公共端断开机床电路，模拟产生故障。ULN2803 集成电路是高耐压、大电流复合晶体管阵列，内含8 个单元，每个单元驱动电流最大可达500mA，能直接驱动8 个继电器。继电器采用线圈电压12V，触点容量电流为20A 的型号，常闭端与公共端用接线端子引出，连接到电路的故障断点。电路原理图见图4
2.7 电源电路
电源电路使用输出12V 15A 和5V1A 的开关式直流电源各1 个，5V 电源供单片机主控制电路用，12V 电源供继电器及驱动电路用，注意两路电源的公共地分开，以防止继电器工作对单片机的干扰。
3、软件设计
3.1 系统程序流程图
系统的程序用Keil C51 软件编程，使用模块程序设计，主要子程序模块有：显示欢迎界面、红外。控接收、键盘、。控手动设置故障题、。控随机设置故障题、答题、手动设置故障点、显示手动设置故障点界面、显示手动设置故障题界面、智能化考核及显示界面。系统程序流程图见图5。

图5 系统程序流程图
3.2 随机数的产生
启动单片机的定时器1，当按下随机设置故障题键后取定时器1 的time1 作为种子，用函数srand() 初始化，由函数rand() 产生随机数，然后用(int)( ｎ *rand()/(RAND_MAX+1.0)) 的公式产生一个0 到ｎ之间的随机数，本装置故障题数量为30套，则n 取值为30。
4、结论
本智能化考核装置设有人机对话显示界面，操作简便，教师按。控器上的随机设置故障题键就可对实训台设置故障，学生在实训台上限时回答故障点电路编号，装置自动完成考核。经测试可代替复杂的计算机型智能考核系统，具有造价低、电路简洁、可靠性高等特点，除适合职业学校自主研制实训台采用，还可对老机床电气实训台进行智能化考核改造，使老机器“焕发青春”，跟上职业教育技术的发展。 


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