基于單片機(jī)的機(jī)床故障系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

梁鎮(zhèn)杰

摘 要：在維修電工中級和高級考證實(shí)操項(xiàng)目中，機(jī)床故障柜是其中一個重要的考核內(nèi)容。制造故障的方法很簡單，只要切斷或短路相應(yīng)的電路就可以了。但是，由于繼電器的數(shù)量眾多，如果在現(xiàn)場人工進(jìn)行這項(xiàng)工作，既費(fèi)時費(fèi)力，又不易控制，也不方便對學(xué)生進(jìn)行檢查。為此，要求設(shè)計(jì)一臺專用儀器，可以通過儀器上的鍵盤來控制各個接觸器或繼電器的“通”和“斷”，這樣教師設(shè)置故障方便，也便于考核學(xué)生。故障柜改造后的實(shí)踐證明，提高了設(shè)置故障時的效率和保密性，為教師和學(xué)生的實(shí)踐帶來了便利。

關(guān)鍵詞：故障柜 單片機(jī) 繼電器

機(jī)床電氣控制線路使用了大量的接觸器和繼電器。一旦接觸器和繼電器的線圈或開關(guān)出現(xiàn)異常，機(jī)床在運(yùn)行時就會產(chǎn)生各種各樣的故障。為了避免問題進(jìn)一步擴(kuò)大，就需要找出故障點(diǎn)并進(jìn)行維修或更換零件。這對于機(jī)床的安全、可靠性顯然大有好處，但同時也給機(jī)床的維修帶來了更高的要求。目前采用的教學(xué)方法是利用一臺機(jī)床電氣控制柜進(jìn)行現(xiàn)場教學(xué)，上課時人為地“制造”一些故障，以此來訓(xùn)練學(xué)生以及檢查學(xué)生的掌握情況。

一、系統(tǒng)分析與設(shè)計(jì)

以T68臥式鏜床為例，有15個故障點(diǎn)，需要控制15路通斷。系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖1所示，它是僅需進(jìn)行通斷控制的示意圖。實(shí)際工作時，將控制線路中的接觸器或繼電器的引線切斷，再將兩端分別接到繼電器的觸點(diǎn)兩端即可。

使用兩個繼電器，左側(cè)的繼電器觸點(diǎn)用于斷開電路，另一個繼電器的常開觸點(diǎn)與接觸器的常開觸頭并聯(lián)，用于閉合電路。

1.開關(guān)選擇

設(shè)計(jì)中遇到的第1個問題是開關(guān)的選擇。如果選用電子開關(guān)，則設(shè)計(jì)、制造較方便；但如果出現(xiàn)超壓、過流等就會影響電子開關(guān)工作的可靠性，為此我們不采用電子開關(guān)，而采用機(jī)械開關(guān)——繼電器。

2.儀器結(jié)構(gòu)

設(shè)計(jì)中遇到的第2個問題是儀器的結(jié)構(gòu)。該機(jī)有較多的輸入、輸出通道，一共使用15只小型繼電器。如果采用常規(guī)的方法來設(shè)計(jì)，把15只繼電器裝在一塊板上，必將使得印制板、機(jī)箱體積龐大。儀器是專用的，只做一臺。印刷線路板面積大，初次制版價格昂貴，因此導(dǎo)致項(xiàng)目費(fèi)用增加；而且若將所有繼電器安裝于一塊板上，其大量的引線將會造成制作困難，并且可靠性也難以保證。為此我們采用總線式概念設(shè)計(jì)，圖2是儀器總體結(jié)構(gòu)示意圖。使用一塊主控制板，將CPU安裝在主控制板上。使用3塊開關(guān)板，在每塊開關(guān)板上安裝5只繼電器，每塊開關(guān)板的結(jié)構(gòu)完全一樣，接口采用總線的概念，地址可變。因此3塊開關(guān)印刷電路板完全相同，只要在安裝時改變各塊板的地址即可。這樣設(shè)計(jì)之后，開關(guān)板采用單面板設(shè)計(jì)，且面積縮小了很多，大大降低了制作成本。

3.引線結(jié)構(gòu)

設(shè)計(jì)中遇到的第3個問題是引線的結(jié)構(gòu)。由于儀器共有15路輸出，也就是有30根引線接出，如果不處理好，必成一團(tuán)亂麻?？紤]到易制作、易用等方面的因素，并參考用戶意見，最后確定使用32個引腳的航空插頭實(shí)現(xiàn)引線的接出。航空插座安裝于儀器的后面板。

4.輸入輸出設(shè)備選擇

設(shè)計(jì)中遇到的第4個問題是鍵盤和顯示器的選擇。由于采用LED顯示器，顯示器的安裝方式是個大問題，要安裝得既美觀又不能花很多精力在外觀的設(shè)計(jì)和制作上，為此決定盡量選用現(xiàn)成的面板。經(jīng)過市場考察，市面上有一類嵌入式儀表，外觀比較漂亮，而且安裝也很方便，只要在面板上開孔嵌入即可。但是購買現(xiàn)成的儀表并不能滿足項(xiàng)目的需求，因此，需要利用這種嵌入式儀表的表框，而電路部分需要自行制作。

這里采用了74HC164構(gòu)成的靜態(tài)顯示電路。這個儀表框可以安裝2只LED數(shù)碼管，也就是只能有2位LED顯示。由于該項(xiàng)目中只需要用到2位，所示其完全可以使用。這樣制作好后的顯示部件僅使用4根線與主電路相連，非常簡潔，制作方便。

5.鍵盤選擇

設(shè)計(jì)中遇到的第5個問題是鍵盤。按用戶要求，并考慮操作的易用性，必須要有0～9共10個數(shù)字鍵，再加上其他一些功能鍵，鍵的數(shù)量比較多。如果采用輕觸按鍵自行制作，既不太美觀，安裝也不方便。較好的辦法是定做薄膜鍵盤，但定做一塊薄膜鍵盤的一次性花費(fèi)較高。于是我們又進(jìn)行市場考察，發(fā)現(xiàn)市場上有一種通用的薄膜鍵盤銷售，有0～9共10個數(shù)字鍵和A～F共6個字母鍵，價格低廉，而且用戶也認(rèn)可這種鍵盤。

在解決了上面的一些問題之后，即可開始進(jìn)行電路設(shè)計(jì)。主控板采用89C52單片機(jī)控制，89C52單片機(jī)工作于單片模式，不進(jìn)行外部存儲器的擴(kuò)展，可以使用全部的32根I/O口線。圖3是主控板的電路原理圖。從圖中可以看出，P1口被用于鍵盤正好構(gòu)成4×4鍵盤，通過JS1與薄膜鍵盤的引線相連；串行口被用于輸出顯示，由JS4與構(gòu)成串行顯示的電路板相連；由于P0口有較強(qiáng)的輸出能力，因而被用來驅(qū)動開關(guān)板，它的輸出接到一個8針的接線端子；而P2口則構(gòu)成地址譯碼電路，用于控制不同的開關(guān)板。

開關(guān)板由74HC573鎖存器構(gòu)成，可以把74HC573的功能描述為：當(dāng)控制端LE為高電平時，輸出端（Q0～Q7）和輸入端（D0～D7）相連，因此，輸出端的狀態(tài)與輸入端相同。當(dāng)控制端LE是低電平時，輸出端（Q0～Q7）與輸入端（D0～D7）斷開連接，并且保持原來的狀態(tài)；或者說當(dāng)控制端LE是低電平時，即便輸入端（D0～D7）的狀態(tài)發(fā)生變化，輸出端（Q0～Q7）的狀態(tài)也不會隨之改變。

由74HC573構(gòu)成的開關(guān)板電路如圖4所示。從圖中可以看出，74HC573的8個輸入端接到一個接線端子（DATA SCOK）上，這個端子將通過電纜與其他所有開關(guān)板的同一端子并聯(lián)，并接到主控制板的P0口。3塊開關(guān)板的鎖存端則通過跳線的方式接端子的不同引腳，然后接到主控制板的JS3端子，從而獲得不同的地址。例如，第一塊開關(guān)板的鎖存端接ADD0，則該控制板就由P2.0引腳控制，其他各塊板可以分別接ADD1～ADD2。這樣3塊板的鎖存端就由單片機(jī)P2口的不同引腳控制，從而可以區(qū)分開。

二、設(shè)計(jì)要求

1.初始化

按下電源開關(guān)，開關(guān)上的電源指示燈應(yīng)發(fā)亮，開始工作。此時顯示器應(yīng)顯示88，并延時1s，然后顯示字母H。使用時可以據(jù)此了解電路工作是否正常。

2.按鍵設(shè)置

按下鍵盤上的數(shù)字鍵，該數(shù)字出現(xiàn)在顯示器的最后一位上。連續(xù)按鍵，則數(shù)字依次前推。當(dāng)2位顯示器上顯示的數(shù)值與所希望輸入的代碼相同時，按下A鍵，顯示器閃爍一次，表示該代碼已被機(jī)器認(rèn)可，并執(zhí)行相應(yīng)動作。如果顯示器上的代碼不是該機(jī)合法輸入代碼，按下A鍵后，顯示器不閃爍，該代碼也不會被接受。例如，第一次按下0，則顯示器顯示0；再次按下2，則顯示器顯示02；按下A鍵，即可執(zhí)行。如果在顯示同一個代碼時連續(xù)多次按下A鍵，會發(fā)現(xiàn)每次顯示器都閃爍，表示代碼被多次讀入，但這不影響該機(jī)的正常使用。如果輸入時按錯了鍵，也不必理會，可以重新輸入直到顯示器上顯示數(shù)值是所希望的代碼為止。例如，需按12，不小心在按1鍵時多按一下，變成了11，此時可以再按1，然后按2，直到顯示器上出現(xiàn)12為止，然后再按下A鍵即可執(zhí)行。

B鍵的功能是切換顯示器的顯示與不顯示。這是一個開關(guān)鍵，反復(fù)按下B鍵，將使顯示器交替顯示和不顯示。這個功能用于學(xué)生的考核。教師在進(jìn)行一些設(shè)置后，可以用這個鍵把顯示器關(guān)閉，然后由學(xué)生用儀器來判斷故障。這樣不必?fù)?dān)心學(xué)生看到教師預(yù)設(shè)的代碼。

C鍵是開關(guān)重置鍵，按下這個鍵，將使所有開關(guān)處于接通位置。

3.代碼說明

該機(jī)可用的合法代碼如下：

01～15：分別將第1路到第15路開關(guān)S1斷開。即輸入代碼01將使第1路處于“斷開”位置，輸入02將使第2路處于“斷開”位置，依次類推。這15個代碼不檢查原始狀態(tài)，即不管原先開關(guān)是否斷開，按下這些代碼總使相應(yīng)開關(guān)處于斷開位置。

16～30：分別將第1路到第15路開關(guān)接通。即輸入代碼16，將使第1路處于接通狀態(tài)，依次類推。這15個代碼不檢查原始狀態(tài)，即不管原先開關(guān)是否接通，按下這些代碼總使相應(yīng)開關(guān)處于接通位置。在按下代碼16～30時，將同時使相應(yīng)位的S2處于接通位置。

原則上，不限制依次輸入代碼的次數(shù)，即最多可以同時讓15個開關(guān)都處于斷開或閉合狀態(tài)。當(dāng)不通電時，繼電器不吸合，所有開關(guān)均處于初始位置，保證接觸器處于接通或斷開位置。這樣如果出現(xiàn)故障時，可以臨時斷電，不影響接觸器的正常使用。

三、部分程序說明

程序中有一部分是關(guān)于顯示的。仔細(xì)觀察程序可以發(fā)現(xiàn)，顯示部分的程序中有一個計(jì)數(shù)器，當(dāng)該計(jì)數(shù)器計(jì)滿255后就會向顯示部分發(fā)送一次數(shù)據(jù)。按理說用74HC164作為顯示，是一種靜態(tài)顯示設(shè)計(jì)，只有在需要進(jìn)行數(shù)據(jù)更新時才需要刷新，但這里卻在不斷地刷新。這樣做是因?yàn)?4HC164是一種串行器件，易受到干擾，它的時鐘端只要有脈沖輸入，就會產(chǎn)生移位，出現(xiàn)錯誤。這臺儀器的主機(jī)和顯示器部分是用電纜連接的，容易受到外界信號的干擾。在實(shí)際實(shí)驗(yàn)時，如果不采取措施，那么拔插電烙鐵所造成的干擾也足以使顯示混亂，這當(dāng)然不行。要解決這個問題，可以從硬件和軟件兩個方面著手，該機(jī)中沒有采用過多的硬件措施，而是用軟件的方法，那么在1s過后就會恢復(fù)正常。之所以采用這種方法，是因?yàn)樵诠ぷ鳜F(xiàn)場的干擾并不嚴(yán)重，難得會遇上一次干擾。如果工作現(xiàn)場的干擾非常嚴(yán)重，干擾不斷出現(xiàn)，就不能采用這種方法，否則會嚴(yán)重影響顯示質(zhì)量。

這里采用了每255個工作周期刷新一次而不是每個工作周期都刷新，是由于74HC164沒有門控端，每次刷新都會通過每根輸出線反映在顯示器上。如果每個工作循環(huán)都刷新一次，會造成顯示器嚴(yán)重的“串紅”現(xiàn)象，也就是會造成顯示器的對比度下降，這是不可接受的。因此我們采用了大約1s刷新一次的方法，給人的主觀感受會好很多。另一個關(guān)鍵是，這種方式是開發(fā)者與用戶協(xié)商，是用戶感到可以接受的，所以才采用了這種方式。

四、小結(jié)

新的教學(xué)設(shè)備著眼于拓寬學(xué)生的基礎(chǔ)，開發(fā)潛質(zhì)，培養(yǎng)學(xué)生學(xué)會學(xué)習(xí)，具備專業(yè)學(xué)習(xí)的能力，不僅滿足當(dāng)前從事工作的需要，同時也為今后終身學(xué)習(xí)搭建一個良好的平臺。

這樣更多的老師有機(jī)會接觸設(shè)備，從不懂到懂，最后能承擔(dān)該門課程的教學(xué)。再一點(diǎn)，由于課程是圍繞高級維修電工的教學(xué)大綱制定的，考核內(nèi)容與上課內(nèi)容密切聯(lián)系，通過多次的考核驗(yàn)證，該門課程的通過率是比較高的。

存在的不足之處：由于設(shè)備結(jié)構(gòu)復(fù)雜，一旦出現(xiàn)故障，維護(hù)不到位，就會造成實(shí)驗(yàn)設(shè)備的損失，影響正常的教學(xué)秩序。在教學(xué)手段方面還有待提高，例如可以利用仿真手段進(jìn)行輔助教學(xué)，從而達(dá)到多方位鍛煉學(xué)生實(shí)踐能力的目的。

參考文獻(xiàn)：

[1]郭志勇.單片機(jī)應(yīng)用技術(shù)項(xiàng)目教程[M].北京：中國水利水電出版社， 2014.

[2]周堅(jiān).單片機(jī)輕松入門（2版）[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社， 2011.

[3]鄭鋒，王巧芝，李英建，劉瑞國.51單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)典型模塊開發(fā)大全（3版）[M].北京：中國鐵道出版社，2013.

[4]張俊.匠人手記：一個單片機(jī)工作者的實(shí)踐與思考（2版）[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2014.

[5]李江全.單片機(jī)通信與控制應(yīng)用編程實(shí)例[M].北京：中國電力出版社， 2012.

[6]辛喆.基于單片機(jī)的純電動汽車電池管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)[D].北京農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院，2014.

（作者單位：廣東省中山市技師學(xué)院）