數(shù)控裝備設(shè)計(jì)理念融入單片機(jī)課程教學(xué)

翟兆陽 曲雅靜 尹明虎 石坤

［摘 要］ “單片機(jī)原理及應(yīng)用”是一門面向應(yīng)用、具有很強(qiáng)實(shí)踐性和綜合性的課程，如何結(jié)合實(shí)際控制目標(biāo)對“單片機(jī)原理及應(yīng)用”課程教學(xué)進(jìn)行創(chuàng)新改革值得深入思考。針對機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化、車輛工程等專業(yè)，可以結(jié)合機(jī)械設(shè)計(jì)相關(guān)專業(yè)基礎(chǔ)知識(shí)，將數(shù)控裝備的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及運(yùn)動(dòng)控制融入單片機(jī)教學(xué)當(dāng)中，讓學(xué)生通過“單片機(jī)原理及應(yīng)用”課程的學(xué)習(xí)，實(shí)現(xiàn)了與機(jī)械原理、機(jī)械設(shè)計(jì)等專業(yè)基礎(chǔ)課程的緊密銜接，參與教改班級學(xué)生的知識(shí)體系得到了進(jìn)一步完善，綜合素質(zhì)水平得到了進(jìn)一步提高，為培養(yǎng)兼具數(shù)控裝備結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、自動(dòng)化檢測及控制能力的復(fù)合型人才提供了有力的支撐。

［關(guān)鍵詞］ 單片機(jī)原理及應(yīng)用；數(shù)控裝備；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；復(fù)合型人才

［基金項(xiàng)目］ 2021年度西安理工大學(xué)教育教學(xué)改革研究項(xiàng)目“‘兩性一度導(dǎo)向下《機(jī)械原理課程設(shè)計(jì)》貫通式教學(xué)改革與實(shí)踐研究”（xjy2117）

［作者簡介］ 翟兆陽（1985—），男，河南安陽人，工學(xué)博士，西安理工大學(xué)機(jī)械與精密儀器工程學(xué)院講師，主要從事機(jī)械設(shè)計(jì)與制造技術(shù)研究。

［中圖分類號(hào)］ G642.0 ［文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼］ A ［文章編號(hào)］ 1674-9324（2023）10-0141-04［收稿日期］ 2022-05-27

“單片機(jī)原理及應(yīng)用”是一門面向應(yīng)用環(huán)節(jié)，具有很強(qiáng)實(shí)踐性和綜合性的課程，是為機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化、車輛工程等專業(yè)設(shè)置的專業(yè)基礎(chǔ)課［1-4］。該課程旨在使學(xué)生通過學(xué)習(xí)單片機(jī)的工作原理、硬件結(jié)構(gòu)、程序設(shè)計(jì)、接口技術(shù)及擴(kuò)展方法，掌握單片機(jī)在實(shí)際應(yīng)用中軟件系統(tǒng)與硬件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思想以及設(shè)計(jì)方法和步驟，使學(xué)生具備分析、設(shè)計(jì)單片機(jī)的基本技能［5-7］。結(jié)合實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)，增強(qiáng)實(shí)踐動(dòng)手能力，培養(yǎng)學(xué)生對單片機(jī)的分析、設(shè)計(jì)以及綜合開發(fā)應(yīng)用能力，為今后解決相關(guān)工程技術(shù)問題奠定基礎(chǔ)［8］。

一、“單片機(jī)原理及應(yīng)用”課程性質(zhì)及教學(xué)目的

“單片機(jī)原理及應(yīng)用”通過課堂理論教學(xué)講授單片機(jī)組成及工作原理、單片機(jī)程序設(shè)計(jì)、中斷系統(tǒng)、定時(shí)/計(jì)數(shù)器、接口技術(shù)和單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的分析設(shè)計(jì)方法，配合課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)和課外作業(yè)訓(xùn)練，使學(xué)生掌握單片機(jī)的工作原理、應(yīng)用程序編寫和單片機(jī)設(shè)計(jì)的基本方法，培養(yǎng)學(xué)生應(yīng)用所學(xué)知識(shí)進(jìn)行單片機(jī)系統(tǒng)分析和設(shè)計(jì)能力，以及綜合運(yùn)用單片機(jī)系統(tǒng)軟硬件相關(guān)知識(shí)解決相關(guān)工程技術(shù)問題的能力［9-10］。

該課程分為課堂教學(xué)和實(shí)驗(yàn)兩部分。課堂教學(xué)通過課堂教學(xué)使學(xué)生掌握單片機(jī)的組成與內(nèi)部結(jié)構(gòu)、存儲(chǔ)器組織、指令系統(tǒng)與程序設(shè)計(jì)、中斷系統(tǒng)與定時(shí)器/計(jì)數(shù)器、串口通信、單片機(jī)接口技術(shù)、系統(tǒng)擴(kuò)展方法等基本知識(shí)，初步掌握通過仿真軟件進(jìn)行單片機(jī)系統(tǒng)程序編寫、硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)及綜合仿真調(diào)試的方法，培養(yǎng)學(xué)生單片機(jī)系統(tǒng)應(yīng)用程序分析和編寫能力、硬件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)能力，以及根據(jù)功能要求進(jìn)行單片機(jī)系統(tǒng)軟硬件分析和設(shè)計(jì)開發(fā)能力［11］。實(shí)驗(yàn)教學(xué)通過實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)，使學(xué)生熟悉單片機(jī)系統(tǒng)集成環(huán)境軟件的使用方法，掌握單片機(jī)中斷、定時(shí)、計(jì)數(shù)、輸入/輸出通道接口、串行通信等功能及其實(shí)現(xiàn)方法；實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)采用分組形式，要求學(xué)生能夠利用所學(xué)理論知識(shí)，根據(jù)要求構(gòu)建實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)并安全地進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，能夠正確采集分析和解釋實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，并得到合理的結(jié)論；培養(yǎng)學(xué)生利用所學(xué)知識(shí)分析問題、解決問題和方案設(shè)計(jì)的能力，以及團(tuán)隊(duì)合作與交流溝通能力［12-13］。

二、融入的數(shù)控裝備結(jié)構(gòu)及功能

目前單片機(jī)系統(tǒng)的應(yīng)用已經(jīng)遍布生活和工業(yè)各方面，全面實(shí)現(xiàn)了乘用車輛、家用電器、醫(yī)療儀器、工業(yè)設(shè)備的智能化檢測與控制?！皢纹瑱C(jī)原理及應(yīng)用”是一門面向應(yīng)用、具有很強(qiáng)實(shí)踐性和綜合性的課程。如何結(jié)合實(shí)際控制目標(biāo)，對“單片機(jī)原理及應(yīng)用”課程教學(xué)進(jìn)行創(chuàng)新改革，值得我們深入思考。針對機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化、車輛工程等專業(yè)，可以結(jié)合機(jī)械設(shè)計(jì)相關(guān)專業(yè)基礎(chǔ)知識(shí)以及企業(yè)橫向課題，將數(shù)控裝備的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及運(yùn)動(dòng)控制融入單片機(jī)教學(xué)當(dāng)中［14-16］。讓學(xué)生通過“單片機(jī)原理及應(yīng)用”課程的學(xué)習(xí)，實(shí)現(xiàn)與機(jī)械原理、機(jī)械設(shè)計(jì)等專業(yè)基礎(chǔ)課程的緊密銜接，旨在培養(yǎng)兼具數(shù)控裝備結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、自動(dòng)化檢測及控制能力的復(fù)合型人才。下面結(jié)合全自動(dòng)連接線加工機(jī)進(jìn)行具體講解說明。

電容器連接線的加工是配套電容器生產(chǎn)的重要工序，連接線的質(zhì)量直接關(guān)系到電容器運(yùn)行的可靠性和穩(wěn)定性。目前國內(nèi)電容器廠家的連接線加工方法主要是靠操作工手持刀具對電纜線進(jìn)行裁斷，并剝離絕緣橡膠。此方式不僅對工人的操作水平要求較高，而且工人勞動(dòng)強(qiáng)度大，容易出現(xiàn)質(zhì)量問題，加工效率也較低，是整個(gè)電容器生產(chǎn)鏈條的一個(gè)瓶頸。針對這種情況，為了提高產(chǎn)品質(zhì)量及生產(chǎn)效率，全自動(dòng)連接線加工機(jī)應(yīng)運(yùn)而生，該設(shè)備是用于剝離電纜線外層絕緣橡膠，并裁斷電纜線的自動(dòng)化設(shè)備。

由于電容器連接線的種類較多，線徑、絕緣層厚度、連接線長度等加工要求都各不相同。目前國內(nèi)生產(chǎn)的電纜線加工設(shè)備由于加工范圍較小，自動(dòng)化程度較低，無法滿足電容器生產(chǎn)廠家的需要。因此，全新研制的全自動(dòng)連接線加工機(jī)填補(bǔ)了國內(nèi)全自動(dòng)加工電容器連接線的空白，提高了電容器行業(yè)生產(chǎn)的自動(dòng)化水平。全自動(dòng)連接線加工機(jī)的研制成功，可完成配套電容器生產(chǎn)的重要工序，保證了連接線質(zhì)量的可靠性和穩(wěn)定性；避免了工人因使用刀具不慎將手割破的情況，消除了存在的安全隱患；同時(shí)大幅提高了加工效率，突破了電容器生產(chǎn)鏈條的瓶頸。

由于連接線不僅用于電容器行業(yè)，同時(shí)也大量用于電力行業(yè)的其他領(lǐng)域，所以該設(shè)備在滿足電容器連接線加工的全自動(dòng)化的基礎(chǔ)上，可以向相關(guān)行業(yè)繼續(xù)推廣［17］。設(shè)備大量采用氣動(dòng)元件（氣缸、電磁閥、傳感器等），配合伺服電機(jī)完成動(dòng)作?？刂葡到y(tǒng)由主控制箱、伺服控制器、變頻控制器等組成，自動(dòng)化程度高，在提高生產(chǎn)效率的同時(shí)，可提升企業(yè)形象。整個(gè)設(shè)備主要由放線裝置、矯直組件、軸向切刀組件、傳送組件、導(dǎo)向組件、縱向切刀組件、收料組件等組成。放線裝置配有放線輥，設(shè)計(jì)載重量不小于200 Kg，放置時(shí)能夠成卷放置，且放線方式是從外圈向內(nèi)圈。上料時(shí)先將料輥從架子上取下，然后穿入線盤，最后放回料架；矯直組件由多套槽輪組成，上下兩排槽輪可調(diào)節(jié)軸間距，用于銅線電纜的導(dǎo)向與矯直，防止由于電纜線過于彎曲給剝線造成困難，槽輪材質(zhì)為45號(hào)鋼；軸向切刀組件由氣缸、導(dǎo)軌滑塊、導(dǎo)輪、軸向切刀組成。用于剝電纜線中部絕緣橡膠時(shí)切軸向直縫隙，軸向切刀進(jìn)刀量可調(diào)，有效避免了刀片深度過淺絕緣橡膠剝離困難，以及刀片深度過深造成的電纜線銅芯損壞及刀片過度磨損等情況，切刀材質(zhì)為合金工具鋼；傳送組件由上下兩套對稱的帶輪組成，旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)由伺服電機(jī)控制，可正反向精確地傳送電纜線。兩套帶輪的夾緊與松開靠氣缸及同步機(jī)構(gòu)控制，時(shí)刻保持電纜線的同軸性。由于使用了氣缸緩沖，使用時(shí)噪音低，震動(dòng)小。氣缸壓力可調(diào)，防止壓力過大損壞電纜線，或者壓力過小傳送時(shí)打滑，導(dǎo)向輪材質(zhì)為45號(hào)鋼；導(dǎo)向組件由多套不同直徑的導(dǎo)向筒組成，根據(jù)不同電纜箱直徑更換相應(yīng)導(dǎo)向筒，用于連接切刀組件與傳送組件；縱向切刀組件由上下兩個(gè)刀模組成，裝有縱向切刀與裁斷刀?？v向切刀負(fù)責(zé)給電纜線絕緣橡膠切縱向環(huán)縫隙，裁斷刀負(fù)責(zé)將電纜線裁成需要的長度。兩刀模上下運(yùn)動(dòng)由伺服電機(jī)控制，縱向切刀與裁斷刀可分別運(yùn)動(dòng)，進(jìn)給精確效率高，切刀材質(zhì)為合金工具鋼；收料組件由不銹鋼收料槽組成，不銹鋼槽有支架支撐，方便收集加工完成的電纜線，收集區(qū)分為廢料收集與產(chǎn)品收集，產(chǎn)品收集不區(qū)分種類；控制組件由觸摸屏、按鈕開關(guān)、懸臂組成。用于控制參數(shù)的輸入及設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)的控制，操作簡單方便；機(jī)架組件由型鋼焊接而成，中間設(shè)有元件安裝板，用于安裝控制元件及氣動(dòng)元件；設(shè)備外層采用鋼化玻璃防護(hù)罩，保證操作者和其他人員的人身安全。

三、裝備設(shè)計(jì)理念融入課程教學(xué)

單片機(jī)的結(jié)構(gòu)及原理主要講授51系列單片機(jī)的硬件結(jié)構(gòu)，包括單片機(jī)的結(jié)構(gòu)、存儲(chǔ)器配置、單片機(jī)外部引腳及功能和并行輸入/輸出口。通過教學(xué)使學(xué)生了解單片機(jī)的結(jié)構(gòu)及工作原理，理解振蕩器、時(shí)鐘電路和時(shí)序，掌握存儲(chǔ)器的配置、可位尋址寄存器以及特殊功能寄存器的特點(diǎn)和用途、4個(gè)并行輸入/輸出口的使用、機(jī)器周期的定義及其與時(shí)鐘周期的關(guān)系、復(fù)位條件、復(fù)位電路和復(fù)位狀態(tài)，建立單片機(jī)軟硬件協(xié)同工作的基本思想，為硬件電路分析和設(shè)計(jì)打下必要的基礎(chǔ)。結(jié)合全自動(dòng)連接線加工機(jī)結(jié)構(gòu)介紹單片機(jī)系統(tǒng)的組成，系統(tǒng)輸入可以連接觸摸屏而不僅僅限于按鍵和開關(guān)，系統(tǒng)輸出連接的是氣動(dòng)元件電磁閥及電機(jī)而不僅僅限于發(fā)光二極管。根據(jù)引腳、事件、信息的形式抽象地講授時(shí)序概念時(shí)，學(xué)生理解起來往往比較困難。按照全自動(dòng)連接線加工機(jī)的工作原理，可以將時(shí)序理解為放線裝置、矯直組件、軸向切刀組件、傳送組件、導(dǎo)向組件、縱向切刀組件、收料組件的順序動(dòng)作。

單片機(jī)的中斷系統(tǒng)主要講授中斷的基本概念、51單片機(jī)的中斷源、中斷系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和工作原理、中斷響應(yīng)過程、中斷的控制方法及中斷應(yīng)用程序的編制。通過教學(xué)使學(xué)生了解中斷在單片機(jī)系統(tǒng)中的意義和作用，理解中斷響應(yīng)過程，掌握與中斷相關(guān)的特殊功能寄存器的功能及其設(shè)置方法，以及中斷系統(tǒng)應(yīng)用程序的設(shè)計(jì)方法，培養(yǎng)根據(jù)功能要求進(jìn)行軟硬件方案分析設(shè)計(jì)的能力。在講授單片機(jī)中斷系統(tǒng)的概念時(shí)，按照課本中的看報(bào)紙、接電話、關(guān)煤氣等事件進(jìn)行舉例難免讓學(xué)生理解不夠透徹。結(jié)合全自動(dòng)連接線加工機(jī)的控制原理，可以將中斷理解為在設(shè)備正常運(yùn)行過程中，若遇緊急或者突發(fā)情況，操作人員可以迅速按下急停開關(guān)暫停設(shè)備運(yùn)行。待操作人員排除異常情況后，方可操作設(shè)備繼續(xù)正常運(yùn)行。

單片機(jī)的定時(shí)器/計(jì)數(shù)器主要講授51系列單片機(jī)定時(shí)器/計(jì)數(shù)器的結(jié)構(gòu)及工作原理、定時(shí)器/計(jì)數(shù)器的工作方式和控制方法、定時(shí)器/計(jì)數(shù)器的編程及應(yīng)用。通過教學(xué)使學(xué)生了解單片機(jī)定時(shí)器/計(jì)數(shù)器的結(jié)構(gòu)及工作原理，掌握定時(shí)器/計(jì)數(shù)器工作方式及應(yīng)用、相關(guān)特殊功能寄存器的功能及其設(shè)置方法，以及定時(shí)器/計(jì)數(shù)器的應(yīng)用程序編制方法，能利用定時(shí)器/計(jì)數(shù)器并結(jié)合中斷系統(tǒng)的知識(shí)解決單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的實(shí)際問題。結(jié)合全自動(dòng)連接線加工機(jī)結(jié)構(gòu)介紹單片機(jī)系統(tǒng)的定時(shí)器/計(jì)數(shù)器工作原理，設(shè)備的放線裝置、矯直組件、軸向切刀組件、傳送組件、導(dǎo)向組件、縱向切刀組件、收料組件按照編制的程序順序動(dòng)作，每個(gè)組件都有各自獨(dú)立的啟動(dòng)和停止時(shí)間，這個(gè)時(shí)間就是由定時(shí)器控制的。設(shè)備計(jì)劃及實(shí)際加工連接線數(shù)量的統(tǒng)計(jì)則是通過計(jì)數(shù)器來完成。以此類推，裝備設(shè)計(jì)理念可以融入單片機(jī)課程教學(xué)的例子非常多，這里就不再逐一介紹。

結(jié)語

“單片機(jī)原理及應(yīng)用”課程實(shí)行教學(xué)改革以來，結(jié)合機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化、車輛工程等專業(yè)的相關(guān)基礎(chǔ)知識(shí)，將數(shù)控裝備的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及運(yùn)動(dòng)控制融入單片機(jī)教學(xué)當(dāng)中。讓學(xué)生通過單片機(jī)原理及應(yīng)用課程的學(xué)習(xí)，實(shí)現(xiàn)了與機(jī)械原理、機(jī)械設(shè)計(jì)等專業(yè)基礎(chǔ)課程的緊密銜接，參與教改班級學(xué)生的知識(shí)體系得到進(jìn)一步完善，綜合素質(zhì)水平得到進(jìn)一步提高，為培養(yǎng)兼具數(shù)控裝備結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、自動(dòng)化檢測及控制能力的復(fù)合型人才，提供了有力的支撐。

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Integration of Numerical Control Equipment Design Concept into the Course Teaching of Single

Chip Microcomputer

ZHAI Zhao-yang， QU Ya-jing， YIN Ming-hu， SHI Kun

（School of Mechanical and Precision Instrument Engineering， Xian University of Technology， Xian， Shaanxi 710048， China）

Abstract： The course of Principle and Application of Single Chip Microcomputer is an application-oriented， practical and comprehensive course. How to innovate the teaching of this course in combination with the actual control objectives deserves deep thinking. For the majors of mechanical design and manufacturing， automation and vehicle engineering， the structural design and motion control of numerical control equipment can be integrated into the teaching of single chip microcomputer， based on the basic knowledge of mechanical design. Through the study of single chip microcomputer principle and application， students can realize the connection with professional basic courses such as mechanical principle and mechanical design. The knowledge system of students participating in the teaching reform class and their comprehensive quality level have been further improved. The reform provides a strong support for cultivating compound talents with the ability of numerical control equipment structure design， and automatic detection and control.

Key words： Principle and Application of Single Chip Microcomputer; numerical control equipment; structural design; compound talents