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基于单片机的机床故障系统设计与实现

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  摘 要:在维修电工中级和高级考证实操项目中,机床故障柜是其中一个重要的考核内容。制造故障的方法很简单,只要切断或短路相应的电路就可以了。但是,由于继电器的数量众多,如果在现场人工进行这项工作,既费时费力,又不易控制,也不方便对学生进行检查。为此,要求设计一台专用仪器,可以通过仪器上的键盘来控制各个接触器或继电器的“通”和“断”,这样教师设置故障方便,也便于考核学生。故障柜改造后的实践证明,提高了设置故障时的效率和保密性,为教师和学生的实践带来了便利。
中国论文网 /9/view-12056754.htm
  关键词:故障柜 单片机 继电器
  机床电气控制线路使用了大量的接触器和继电器。一旦接触器和继电器的线圈或开关出现异常,机床在运行时就会产生各种各样的故障。为了避免问题进一步扩大,就需要找出故障点并进行维修或更换零件。这对于机床的安全、可靠性显然大有好处,但同时也给机床的维修带来了更高的要求。目前采用的教学方法是利用一台机床电气控制柜进行现场教学,上课时人为地“制造”一些故障,以此来训练学生以及检查学生的掌握情况。
  一、系统分析与设计
  以T68卧式镗床为例,有15个故障点,需要控制15路通断。系统的结构如图1所示,它是仅需进行通断控制的示意图。实际工作时,将控制线路中的接触器或继电器的引线切断,再将两端分别接到继电器的触点两端即可。
  使用两个继电器,左侧的继电器触点用于断开电路,另一个继电器的??サ阌虢哟テ鞯某?ネ凡⒘?,用于闭合电路。
  1.开关选择
  设计中遇到的第1个问题是开关的选择。如果选用电子开关,则设计、制造较方便;但如果出现超压、过流等就会影响电子开关工作的可靠性,为此我们不采用电子开关,而采用机械开关――继电器。
  2.仪器结构
  设计中遇到的第2个问题是仪器的结构。该机有较多的输入、输出通道,一共使用15只小型继电器。如果采用常规的方法来设计,把15只继电器装在一块板上,必将使得印制板、机箱体积庞大。仪器是专用的,只做一台。印刷线路板面积大,初次制版价格昂贵,因此导致项目费用增加;而且若将所有继电器安装于一块板上,其大量的引线将会造成制作困难,并且可靠性也难以保证。为此我们采用总线式概念设计,图2是仪器总体结构示意图。使用一块主控制板,将CPU安装在主控制板上。使用3块开关板,在每块开关板上安装5只继电器,每块开关板的结构完全一样,接口采用总线的概念,地址可变。因此3块开关印刷电路板完全相同,只要在安装时改变各块板的地址即可。这样设计之后,开关板采用单面板设计,且面积缩小了很多,大大降低了制作成本。
  3.引线结构
  设计中遇到的第3个问题是引线的结构。由于仪器共有15路输出,也就是有30根引线接出,如果不处理好,必成一团乱麻??悸堑揭字谱?、易用等方面的因素,并参考用户意见,最后确定使用32个引脚的航空插头实现引线的接出。航空插座安装于仪器的后面板。
  4.输入输出设备选择
  设计中遇到的第4个问题是键盘和显示器的选择。由于采用LED显示器,显示器的安装方式是个大问题,要安装得既美观又不能花很多精力在外观的设计和制作上,为此决定尽量选用现成的面板。经过市场考察,市面上有一类嵌入式仪表,外观比较漂亮,而且安装也很方便,只要在面板上开孔嵌入即可。但是购买现成的仪表并不能满足项目的需求,因此,需要利用这种嵌入式仪表的表框,而电路部分需要自行制作。
  这里采用了74HC164构成的静态显示电路。这个仪表框可以安装2只LED数码管,也就是只能有2位LED显示。由于该项目中只需要用到2位,所示其完全可以使用。这样制作好后的显示部件仅使用4根线与主电路相连,非常简洁,制作方便。
  5.键盘选择
  设计中遇到的第5个问题是键盘。按用户要求,并考虑操作的易用性,必须要有0~9共10个数字键,再加上其他一些功能键,键的数量比较多。如果采用轻触按键自行制作,既不太美观,安装也不方便。较好的办法是定做薄膜键盘,但定做一块薄膜键盘的一次性花费较高。于是我们又进行市场考察,发现市场上有一种通用的薄膜键盘销售,有0~9共10个数字键和A~F共6个字母键,价格低廉,而且用户也认可这种键盘。
  在解决了上面的一些问题之后,即可开始进行电路设计。主控板采用89C52单片机控制,89C52单片机工作于单片模式,不进行外部存储器的扩展,可以使用全部的32根I/O口线。图3是主控板的电路原理图。从图中可以看出,P1口被用于键盘正好构成4×4键盘,通过JS1与薄膜键盘的引线相连;串行口被用于输出显示,由JS4与构成串行显示的电路板相连;由于P0口有较强的输出能力,因而被用来驱动开关板,它的输出接到一个8针的接线端子;而P2口则构成地址译码电路,用于控制不同的开关板。
  开关板由74HC573锁存器构成,可以把74HC573的功能描述为:当控制端LE为高电平时,输出端(Q0~Q7)和输入端(D0~D7)相连,因此,输出端的状态与输入端相同。当控制端LE是低电平时,输出端(Q0~Q7)与输入端(D0~D7)断开连接,并且保持原来的状态;或者说当控制端LE是低电平时,即便输入端(D0~D7)的状态发生变化,输出端(Q0~Q7)的状态也不会随之改变。
  由74HC573构成的开关板电路如图4所示。从图中可以看出,74HC573的8个输入端接到一个接线端子(DATA SCOK)上,这个端子将通过电缆与其他所有开关板的同一端子并联,并接到主控制板的P0口。3块开关板的锁存端则通过跳线的方式接端子的不同引脚,然后接到主控制板的JS3端子,从而获得不同的地址。例如,第一块开关板的锁存端接ADD0,则该控制板就由P2.0引脚控制,其他各块板可以分别接ADD1~ADD2。这样3块板的锁存端就由单片机P2口的不同引脚控制,从而可以区分开。   二、设计要求
  1.初始化
  按下电源开关,开关上的电源指示灯应发亮,开始工作。此时显示器应显示88,并延时1s,然后显示字母H。使用时可以据此了解电路工作是否正常。
  2.按键设置
  按下键盘上的数字键,该数字出现在显示器的最后一位上。连续按键,则数字依次前推。当2位显示器上显示的数值与所希望输入的代码相同时,按下A键,显示器闪烁一次,表示该代码已被机器认可,并执行相应动作。如果显示器上的代码不是该机合法输入代码,按下A键后,显示器不闪烁,该代码也不会被接受。例如,第一次按下0,则显示器显示0;再次按下2,则显示器显示02;按下A键,即可执行。如果在显示同一个代码时连续多次按下A键,会发现每次显示器都闪烁,表示代码被多次读入,但这不影响该机的正常使用。如果输入时按错了键,也不必理会,可以重新输入直到显示器上显示数值是所希望的代码为止。例如,需按12,不小心在按1键时多按一下,变成了11,此时可以再按1,然后按2,直到显示器上出现12为止,然后再按下A键即可执行。
  B键的功能是切换显示器的显示与不显示。这是一个开关键,反复按下B键,将使显示器交替显示和不显示。这个功能用于学生的考核。教师在进行一些设置后,可以用这个键把显示器关闭,然后由学生用仪器来判断故障。这样不必担心学生看到教师预设的代码。
  C键是开关重置键,按下这个键,将使所有开关处于接通位置。
  3.代码说明
  该机可用的合法代码如下:
  01~15:分别将第1路到第15路开关S1断开。即输入代码01将使第1路处于“断开”位置,输入02将使第2路处于“断开”位置,依次类推。这15个代码不检查原始状态,即不管原先开关是否断开,按下这些代码总使相应开关处于断开位置。
  16~30:分别将第1路到第15路开关接通。即输入代码16,将使第1路处于接通状态,依次类推。这15个代码不检查原始状态,即不管原先开关是否接通,按下这些代码总使相应开关处于接通位置。在按下代码16~30时,将同时使相应位的S2处于接通位置。
  原则上,不限制依次输入代码的次数,即最多可以同时让15个开关都处于断开或闭合状态。当不通电时,继电器不吸合,所有开关均处于初始位置,保证接触器处于接通或断开位置。这样如果出现故障时,可以临时断电,不影响接触器的正常使用。
  三、部分程序说明
  程序中有一部分是关于显示的。仔细观察程序可以发现,显示部分的程序中有一个计数器,当该计数器计满255后就会向显示部分发送一次数据。按理说用74HC164作为显示,是一种静态显示设计,只有在需要进行数据更新时才需要刷新,但这里却在不断地刷新。这样做是因为74HC164是一种串行器件,易受到干扰,它的时钟端只要有脉冲输入,就会产生移位,出现错误。这台仪器的主机和显示器部分是用电缆连接的,容易受到外界信号的干扰。在实际实验时,如果不采取措施,那么拔插电烙铁所造成的干扰也足以使显示混乱,这当然不行。要解决这个问题,可以从硬件和软件两个方面着手,该机中没有采用过多的硬件措施,而是用软件的方法,那么在1s过后就会恢复正常。之所以采用这种方法,是因为在工作现场的干扰并不严重,难得会遇上一次干扰。如果工作现场的干扰非常严重,干扰不断出现,就不能采用这种方法,否则会严重影响显示质量。
  这里采用了每255个工作周期刷新一次而不是每个工作周期都刷新,是由于74HC164没有门控端,每次刷新都会通过每根输出线反映在显示器上。如果每个工作循环都刷新一次,会造成显示器严重的“串红”现象,也就是会造成显示器的对比度下降,这是不可接受的。因此我们采用了大约1s刷新一次的方法,给人的主观感受会好很多。另一个关键是,这种方式是开发者与用户协商,是用户感到可以接受的,所以才采用了这种方式。
  四、小结
  新的教学设备着眼于拓宽学生的基础,开发潜质,培养学生学会学习,具备专业学习的能力,不仅满足当前从事工作的需要,同时也为今后终身学习搭建一个良好的平台。
  这样更多的老师有机会接触设备,从不懂到懂,最后能承担该门课程的教学。再一点,由于课程是围绕高级维修电工的教学大纲制定的,考核内容与上课内容密切联系,通过多次的考核验证,该门课程的通过率是比较高的。
  存在的不足之处:由于设备结构复杂,一旦出现故障,维护不到位,就会造成实验设备的损失,影响正常的教学秩序。在教学手段方面还有待提高,例如可以利用仿真手段进行辅助教学,从而达到多方位锻炼学生实践能力的目的。
  参考文献:
  [1]郭志勇.单片机应用技术项目教程[M].北京:中国水利水电出版社, 2014.
  [2]周坚.单片机轻松入门(2版)[M].北京:北京航空航天大学出版社, 2011.
  [3]郑锋,王巧芝,李英建,刘瑞国.51单片机应用系统典型??榭⒋笕?版)[M].北京:中国铁道出版社,2013.
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  [5]李江全.单片机通信与控制应用编程实例[M].北京:中国电力出版社, 2012.
  [6]辛??.基于单片机的纯电动汽车电池管理系统设计[D].北京农业大学工学院,2014.
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