實(shí)驗(yàn)教學(xué)中示教演示裝置的控制系統(tǒng)改造及應(yīng)用

摘要:實(shí)驗(yàn)教學(xué)中常用的示教演示裝置大多功能單一，以機(jī)械原理示教演示裝置為例，采用SPCE061A單片機(jī)為核心處理器對(duì)控制系統(tǒng)進(jìn)行改造擴(kuò)展其功能，達(dá)到人為控制機(jī)械原理演示裝置運(yùn)行的目的。經(jīng)改造的裝置功能增強(qiáng)，容易操作，控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)也比較簡(jiǎn)單，具有較高的推廣價(jià)值。

關(guān)鍵詞:示教演示裝置;控制系統(tǒng);改造

實(shí)驗(yàn)教學(xué)中常用到的示教演示裝置將相關(guān)課程中講到的實(shí)例制作成實(shí)物，集中在一起用控制電路控制實(shí)物運(yùn)動(dòng)，并配有音頻解說(shuō)，學(xué)生既可看到實(shí)物的動(dòng)作，還能聽(tīng)到工作原理的講解，生動(dòng)直觀，學(xué)習(xí)效果很好，是工科專(zhuān)業(yè)實(shí)驗(yàn)室必備的儀器裝備，是機(jī)械原理示教演示裝置最常用的一種。這類(lèi)示教演示裝置是由專(zhuān)業(yè)實(shí)驗(yàn)儀器制造企業(yè)生產(chǎn)的，考慮到通用性，它們一般僅有一種工作模式(特別是購(gòu)置時(shí)間稍早一些的設(shè)備)，即開(kāi)機(jī)后由VCD的音頻控制各實(shí)物分類(lèi)別按順序講解直到結(jié)束，工作過(guò)程中不能人為控制，不能中斷，盡管操作很容易，但也造成了示教演示裝置使用的局限性。現(xiàn)在機(jī)電控制技術(shù)已經(jīng)很成熟，選擇合適的控制方式，擴(kuò)展示教演示裝置的功能很有必要。

一、機(jī)械原理示教演示裝置

機(jī)械原理示教演示裝置是機(jī)械基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)室中常見(jiàn)的實(shí)驗(yàn)裝備，它集中將機(jī)械原理課程中涉及到的百余種機(jī)構(gòu)制作成實(shí)物，分類(lèi)安裝在不同的展示柜中，每個(gè)機(jī)構(gòu)用小電機(jī)帶動(dòng)，通過(guò)VCD講解的音頻控制動(dòng)作，聲音和機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)同步，學(xué)生在實(shí)驗(yàn)室聽(tīng)講解看事物，達(dá)到了解機(jī)構(gòu)工作過(guò)程，增強(qiáng)機(jī)構(gòu)應(yīng)用感性認(rèn)識(shí)，加深理論課知識(shí)理解的目的，效果很好。但是，類(lèi)似這樣的示教演示裝置，講解的聲音事先已錄制好，并刻制成VCD光盤(pán)，運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)需按講解的順序從第一個(gè)機(jī)構(gòu)開(kāi)始工作連續(xù)進(jìn)行直到最后，全部過(guò)程用時(shí)較長(zhǎng)(機(jī)械原理示教演示裝置全部運(yùn)行約需60分鐘)。這對(duì)初次學(xué)習(xí)的學(xué)生來(lái)說(shuō)，系統(tǒng)地了解所有機(jī)構(gòu)的工作狀況，很有必要，這也是此類(lèi)裝置的主要用途。但是，如果對(duì)某一個(gè)機(jī)構(gòu)感興趣，希望重復(fù)加深印象則不能實(shí)現(xiàn)，教師也很難根據(jù)講課需要人為控制一個(gè)或若干個(gè)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng);另外，在演示過(guò)程中一旦中斷，還需從頭開(kāi)始。圖1為機(jī)械原理示教演示裝置控制系統(tǒng)圖。

在這個(gè)系統(tǒng)中單片機(jī)是控制的核心，A/D模塊將VCD順序播放的解說(shuō)詞轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，邏輯控制模塊按照解說(shuō)詞的順序控制帶動(dòng)機(jī)構(gòu)的電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，繼電器控制電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)的時(shí)間長(zhǎng)短并與解說(shuō)詞同步。

二、機(jī)械原理示教演示裝置的改造

對(duì)原有的機(jī)械原理示教演示裝置進(jìn)行改造的目的是增強(qiáng)使用功能，便于使用者的操作和控制。改造的過(guò)程中應(yīng)保持設(shè)備的完整性，對(duì)于控制系統(tǒng)也盡量保留可用部件以降低改造費(fèi)用，圖2為改造后的控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。在這個(gè)控制系統(tǒng)中更換了核心部件控制芯片，增加了便于操作的按鍵控制模塊和直接能驅(qū)動(dòng)電機(jī)的電源系統(tǒng)。

1.操作方式的選擇。目前設(shè)備的操作方式很多，如紅外遙控操作、按鍵操作、語(yǔ)音控制操作等。原設(shè)備有一個(gè)控制臺(tái)，使用按鍵操作，改造時(shí)仍采用這種容易掌握、可靠性強(qiáng)的按鍵操作方式。為擴(kuò)展功能需在原控制面板上增加控制按鍵和語(yǔ)音輸入插口等，一部分按鍵控制芯片執(zhí)行程序，另一部分按鍵通過(guò)保留的邏輯控制模塊使若干個(gè)電機(jī)直接運(yùn)轉(zhuǎn)。全部操作通過(guò)面板上的按鍵控制。

2.控制系統(tǒng)核心部件的選用。原設(shè)備采用51單片機(jī)作為核心控制部件，它的功能相對(duì)較弱，不能滿(mǎn)足實(shí)現(xiàn)多功能的需要。要實(shí)現(xiàn)改造設(shè)備增強(qiáng)功能的目的，主要問(wèn)題是解決控制系統(tǒng)中的講解語(yǔ)音的識(shí)別和語(yǔ)音控制機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)。經(jīng)反復(fù)篩選，特選用SPCE061A型凌陽(yáng)公司推出的16位單片機(jī)。它采用模塊式結(jié)構(gòu)，集成了豐富的ROM、RAM及外設(shè)接口部件，具有體積小、集成度高、可靠性好且易于擴(kuò)展，有較強(qiáng)的中斷處理能力，價(jià)格比高，低功耗、效率高等特點(diǎn)。實(shí)際應(yīng)用中語(yǔ)音控制和語(yǔ)音識(shí)別是它的一個(gè)重要用途。

3.控制程序。控制系統(tǒng)程序主要有兩個(gè)，系統(tǒng)主控程序和語(yǔ)音控制程序。系統(tǒng)主控程序用來(lái)控制整個(gè)演示裝置的工作狀態(tài)，包括整體順序工作、局部順序工作、暫停、選擇單獨(dú)運(yùn)行的機(jī)構(gòu)、語(yǔ)音講解與相對(duì)應(yīng)機(jī)構(gòu)的同步等;語(yǔ)音控制程序的作用是講解語(yǔ)音樣本的錄入、語(yǔ)音的識(shí)別和語(yǔ)音控制信號(hào)的輸出等。

4.改造后的機(jī)械原理示教演示裝置功能增強(qiáng)。經(jīng)過(guò)控制系統(tǒng)的改造，機(jī)械原理示教演示裝置保留原有的順序演示并伴有解說(shuō)的工作模式，通過(guò)鍵盤(pán)操作可實(shí)現(xiàn)的功能有:(1)順序演示過(guò)程中可以在任何時(shí)候暫停和恢復(fù)運(yùn)行;(2)可以控制任一展柜中的機(jī)構(gòu)順序演示并伴有解說(shuō);(3)可以選擇任一機(jī)構(gòu)演示并伴有解說(shuō);(4)可以選擇若干個(gè)(一般不超過(guò)5個(gè))機(jī)構(gòu)同時(shí)運(yùn)轉(zhuǎn);(5)可以針對(duì)某一機(jī)構(gòu)自己錄制解說(shuō)詞;(6)可以增加新的機(jī)構(gòu)，擴(kuò)大展柜容量。

改造后的機(jī)械原理示教演示裝置功能增強(qiáng)，使用更加人性化。通過(guò)手動(dòng)操作控制臺(tái)上的按鍵，既可用來(lái)控制凌陽(yáng)芯片實(shí)現(xiàn)多種模式工作，又可獨(dú)立啟動(dòng)電機(jī)，不受控制芯片的限制，實(shí)現(xiàn)多個(gè)機(jī)構(gòu)同時(shí)運(yùn)轉(zhuǎn)，更方便教學(xué)，經(jīng)實(shí)際使用性能穩(wěn)定，效果良好。這種方法用在類(lèi)似示教演示裝置的改造，可以較大程度地提高裝備的性能，提高教學(xué)效果，有較高的推廣價(jià)值。