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摘要：针对高职院校中机电专业学生开展机床继电器系统故障排除的实践教学需求，改进设计了实训装置。现重点介绍了该装置故障设置系统的工作原理和硬件设计要点，改进后的实训装置在平常的实训过程中取得了良好的教学效果，对于提升实践教学质量具有重要意义。
关键词：单片机;机床控制电路;实训装置;实践教学
0 引言
本文针对高职院校机电专业学生的机床继电器控制系统故障排除实践教学需求，根据机床控制电路，改进设计了实训装置。该装置的控制系统采用单片机作为控制核心，主控模块输出控制位移缓存模块和继电器驱动模块动作，该实训装置不仅能满足日常的实践教学需求，还能拓展学生的逻辑控制思维，让学生更好地掌握电气故障排除原理、电气控制和维护技能，提高实践教学质量。
1 机床继电器控制线路故障设置系统工作原理
本文介绍的机床继电器控制线路故障设置系统，基于现有维修电工的机床继电器控制线路，通过用户操作按键模块输入对应的考核电路的故障点编号，主控模块输出控制位移缓存模块和继电器驱动模块动作，从而将考核电路对应的断路故障点断开，或将短路故障点短接，模拟考核电路的某种故障状态，由考生通过工具排查确认并排除故障，完成对考生实操能力的针对性考核。
该故障设置系统还具备加密功能和随机功能，具有改造成本低、简单实用、易操作等优点。
本文主要介绍机床继电器控制线路故障设置系统的硬件部分设计要点。
2 硬件设计
2.1 系统硬件设计原理
机床继电器控制线路故障设置系统原理如图1所示，主控U1为51单片机，瓷片电容C1、C2（30 pF）、电解电容C3（100 pF）、电阻R1（1 kΩ）、R3（10 kΩ）、晶振Y1和重启按钮S1等周边器件与主控U1搭建成单片机最小系统。
单片机U1的P0口与P2口配合完成液晶屏LCD1的显示驱动（实例为LCD1602），其中，P0口作为液晶屏LCD1的数据端，P0口的结构作为输入信号口需接上上拉电阻R0（10 kΩ）。P2.5～P2.7口是液晶屏LCD1的控制端，其中P2.5口是使能位，P2.6口作为读/写选择，用于选择P0的输入是地址信息还是数据信息。可调电阻R2（10 kΩ）可以用来调节显示屏的亮度。
单片机U1的P1口连接矩阵键盘S2～S17，共16个按键。通过U1程序，逐一置位P1.0～P1.3口，再通过扫描P1.4～P1.7口的值，确定哪个按键被按下。每个按键都有唯一的键值，在不同的菜单下代表唯一的功能含义，通过键值确认用户的输入信息。
为了节省单片机U1的IO口，以保证系统后续的扩展性，故障设置信息采用串行输出方式，并采用位移缓存器U2和U3（实例为74HC595）进行串行数据转并行输出（SPI同步通信协议）;使用单片机U1的P3.4～P3.6口作为故障设置信息的输出端和控制端。其中U1的P3.4口作为串行数据输出，接入位移缓存器U2的SER串行数据输入口，相应的bit位对应相应的故障号（如bit0位为1，则表示第1号故障点被设置）。同时，U2的SER2口接入U3的SER口，实现级联。由于一个74HC595位移缓存器有8位并行数据输出口，2个级联后，本实例可实现共16个故障点设置。
U1的P3.6口作为移位时钟输出，通过P3.6口的时钟完成P3.4口串行数据在U2和U3内部寄存器的移位。U1的P3.5口作为U2和U3的数据输出更新控制端，U2和U3内部寄存器的数据移位完成后，通过P3.5口输出一个低电平，完成U2和U3内部移位寄存器到D型锁存器的数据输出，从而完成故障设置信息的更新。
位移缓存器U2和U3的每一个并行数据输出口QA～QH均接一个三极管Q1～Q16（实例为9012）、一个二极管D1～D16（实例为IN4148）、一个发光二極管DS1～DS16、一个限流电阻R4～R19（实例为1 kΩ）和一个微型继电器J1～J16作为故障设置信息输出终端。其中，位移缓存器U2和U3驱动能力不足，三极管Q1～Q16起扩流作用，使U2和U3能够驱动微型继电器J1～J16动作。二极管D1～D16起到驱动微型继电器J1～J16动作的续流作用，限流电阻R4～R19和发光二极管DS1～DS16是用于提示故障设置信息输出作用，主要用于调试，正式电路中可取消。
2.2 矩阵键盘定义
机床继电器控制线路故障设置系统矩阵键盘定义如图2所示。
根据图2所示，系统4×4矩阵键盘的具体操作定义如表1所示。
3 结语
实践证明，本文介绍的基于现有维修电工故障排查考核实训装置，通过增设由“单片机+人机界面”组成的故障设置控制系统的智能化改造方案，对于提升实践教学质量具有重要意义：
（1）该装置系统改善了学生实习实训的环境。改造后的实训装置明显提升了设备性能，在操作上更为人性化和智能化。
（2）该装置系统提升了学校技能鉴定和电工培训的质量。改造后的实训装置更符合对电工的国家职业标准与技能等级考核需求，满足职业院校开展从维修电工初级工到高级工培训及考证的需求，并且更为接近电工的实际维修过程。
[参考文献]
[1] 秦曾煌.电工学简明教程[M].北京：高等教育出版社，2005.
[2] 邓裕祥.浅谈维修电工通用型实训考核装置的研发[J].职业，2016（17）：99-100.
[3] 万隆.单片机原理与实例应用[M].北京：清华大学出版社，2011.
收稿日期：2020-07-01
作者简介：林生佐（1986—），男，广东汕尾人，实验师，研究方向：控制科学与控制工程。
彭森第（1984—），男，湖南衡阳人，讲师，研究方向：控制科学与控制工程。
王振浩（1987—），男，广东湛江人，实验师，研究方向：电气工程及其自动化。
关键词：单片机;机床控制电路;实训装置;实践教学
0 引言
本文针对高职院校机电专业学生的机床继电器控制系统故障排除实践教学需求，根据机床控制电路，改进设计了实训装置。该装置的控制系统采用单片机作为控制核心，主控模块输出控制位移缓存模块和继电器驱动模块动作，该实训装置不仅能满足日常的实践教学需求，还能拓展学生的逻辑控制思维，让学生更好地掌握电气故障排除原理、电气控制和维护技能，提高实践教学质量。
1 机床继电器控制线路故障设置系统工作原理
本文介绍的机床继电器控制线路故障设置系统，基于现有维修电工的机床继电器控制线路，通过用户操作按键模块输入对应的考核电路的故障点编号，主控模块输出控制位移缓存模块和继电器驱动模块动作，从而将考核电路对应的断路故障点断开，或将短路故障点短接，模拟考核电路的某种故障状态，由考生通过工具排查确认并排除故障，完成对考生实操能力的针对性考核。
该故障设置系统还具备加密功能和随机功能，具有改造成本低、简单实用、易操作等优点。
本文主要介绍机床继电器控制线路故障设置系统的硬件部分设计要点。
2 硬件设计
2.1 系统硬件设计原理
机床继电器控制线路故障设置系统原理如图1所示，主控U1为51单片机，瓷片电容C1、C2（30 pF）、电解电容C3（100 pF）、电阻R1（1 kΩ）、R3（10 kΩ）、晶振Y1和重启按钮S1等周边器件与主控U1搭建成单片机最小系统。
单片机U1的P0口与P2口配合完成液晶屏LCD1的显示驱动（实例为LCD1602），其中，P0口作为液晶屏LCD1的数据端，P0口的结构作为输入信号口需接上上拉电阻R0（10 kΩ）。P2.5～P2.7口是液晶屏LCD1的控制端，其中P2.5口是使能位，P2.6口作为读/写选择，用于选择P0的输入是地址信息还是数据信息。可调电阻R2（10 kΩ）可以用来调节显示屏的亮度。
单片机U1的P1口连接矩阵键盘S2～S17，共16个按键。通过U1程序，逐一置位P1.0～P1.3口，再通过扫描P1.4～P1.7口的值，确定哪个按键被按下。每个按键都有唯一的键值，在不同的菜单下代表唯一的功能含义，通过键值确认用户的输入信息。
为了节省单片机U1的IO口，以保证系统后续的扩展性，故障设置信息采用串行输出方式，并采用位移缓存器U2和U3（实例为74HC595）进行串行数据转并行输出（SPI同步通信协议）;使用单片机U1的P3.4～P3.6口作为故障设置信息的输出端和控制端。其中U1的P3.4口作为串行数据输出，接入位移缓存器U2的SER串行数据输入口，相应的bit位对应相应的故障号（如bit0位为1，则表示第1号故障点被设置）。同时，U2的SER2口接入U3的SER口，实现级联。由于一个74HC595位移缓存器有8位并行数据输出口，2个级联后，本实例可实现共16个故障点设置。
U1的P3.6口作为移位时钟输出，通过P3.6口的时钟完成P3.4口串行数据在U2和U3内部寄存器的移位。U1的P3.5口作为U2和U3的数据输出更新控制端，U2和U3内部寄存器的数据移位完成后，通过P3.5口输出一个低电平，完成U2和U3内部移位寄存器到D型锁存器的数据输出，从而完成故障设置信息的更新。
位移缓存器U2和U3的每一个并行数据输出口QA～QH均接一个三极管Q1～Q16（实例为9012）、一个二极管D1～D16（实例为IN4148）、一个发光二極管DS1～DS16、一个限流电阻R4～R19（实例为1 kΩ）和一个微型继电器J1～J16作为故障设置信息输出终端。其中，位移缓存器U2和U3驱动能力不足，三极管Q1～Q16起扩流作用，使U2和U3能够驱动微型继电器J1～J16动作。二极管D1～D16起到驱动微型继电器J1～J16动作的续流作用，限流电阻R4～R19和发光二极管DS1～DS16是用于提示故障设置信息输出作用，主要用于调试，正式电路中可取消。
2.2 矩阵键盘定义
机床继电器控制线路故障设置系统矩阵键盘定义如图2所示。
根据图2所示，系统4×4矩阵键盘的具体操作定义如表1所示。
3 结语
实践证明，本文介绍的基于现有维修电工故障排查考核实训装置，通过增设由“单片机+人机界面”组成的故障设置控制系统的智能化改造方案，对于提升实践教学质量具有重要意义：
（1）该装置系统改善了学生实习实训的环境。改造后的实训装置明显提升了设备性能，在操作上更为人性化和智能化。
（2）该装置系统提升了学校技能鉴定和电工培训的质量。改造后的实训装置更符合对电工的国家职业标准与技能等级考核需求，满足职业院校开展从维修电工初级工到高级工培训及考证的需求，并且更为接近电工的实际维修过程。
[参考文献]
[1] 秦曾煌.电工学简明教程[M].北京：高等教育出版社，2005.
[2] 邓裕祥.浅谈维修电工通用型实训考核装置的研发[J].职业，2016（17）：99-100.
[3] 万隆.单片机原理与实例应用[M].北京：清华大学出版社，2011.
收稿日期：2020-07-01
作者简介：林生佐（1986—），男，广东汕尾人，实验师，研究方向：控制科学与控制工程。
彭森第（1984—），男，湖南衡阳人，讲师，研究方向：控制科学与控制工程。
王振浩（1987—），男，广东湛江人，实验师，研究方向：电气工程及其自动化。