基于單片機的機床故障系統設計與實現

梁鎮杰

摘 要：在維修電工中級和高級考證實操項目中，機床故障柜是其中一個重要的考核內容。制造故障的方法很簡單，只要切斷或短路相應的電路就可以了。但是，由于繼電器的數量眾多，如果在現場人工進行這項工作，既費時費力，又不易控制，也不方便對學生進行檢查。為此，要求設計一臺專用儀器，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”，這樣教師設置故障方便，也便于考核學生。故障柜改造后的實踐證明，提高了設置故障時的效率和保密性，為教師和學生的實踐帶來了便利。

關鍵詞：故障柜 單片機 繼電器

機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出現異常，機床在運行時就會產生各種各樣的故障。為了避免問題進一步擴大，就需要找出故障點并進行維修或更換零件。這對于機床的安全、可靠性顯然大有好處，但同時也給機床的維修帶來了更高的要求。目前采用的教學方法是利用一臺機床電氣控制柜進行現場教學，上課時人為地“制造”一些故障，以此來訓練學生以及檢查學生的掌握情況。

一、系統分析與設計

以T68臥式鏜床為例，有15個故障點，需要控制15路通斷。系統的結構如圖1所示，它是僅需進行通斷控制的示意圖。實際工作時，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兩端即可。

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

1.開關選擇

設計中遇到的第1個問題是開關的選擇。如果選用電子開關，則設計、制造較方便；但如果出現超壓、過流等就會影響電子開關工作的可靠性，為此我們不采用電子開關，而采用機械開關——繼電器。

2.儀器結構

設計中遇到的第2個問題是儀器的結構。該機有較多的輸入、輸出通道，一共使用15只小型繼電器。如果采用常規的方法來設計，把15只繼電器裝在一塊板上，必將使得印制板、機箱體積龐大。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，因此導致項目費用增加；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計，圖2是儀器總體結構示意圖。使用一塊主控制板，將CPU安裝在主控制板上。使用3塊開關板，在每塊開關板上安裝5只繼電器，每塊開關板的結構完全一樣，接口采用總線的概念，地址可變。因此3塊開關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。這樣設計之后，開關板采用單面板設計，且面積縮小了很多，大大降低了制作成本。

3.引線結構

設計中遇到的第3個問題是引線的結構。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，必成一團亂麻。考慮到易制作、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現引線的接出。航空插座安裝于儀器的后面板。

4.輸入輸出設備選擇

設計中遇到的第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計和制作上，為此決定盡量選用現成的面板。經過市場考察，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。但是購買現成的儀表并不能滿足項目的需求，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構成的靜態顯示電路。這個儀表框可以安裝2只LED數碼管，也就是只能有2位LED顯示。由于該項目中只需要用到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

設計中遇到的第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個數字鍵，再加上其他一些功能鍵，鍵的數量比較多。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較高。于是我們又進行市場考察，發現市場上有一種通用的薄膜鍵盤銷售，有0～9共10個數字鍵和A～F共6個字母鍵，價格低廉，而且用戶也認可這種鍵盤。

在解決了上面的一些問題之后，即可開始進行電路設計。主控板采用89C52單片機控制，89C52單片機工作于單片模式，不進行外部存儲器的擴展，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與構成串行顯示的電路板相連；由于P0口有較強的輸出能力，因而被用來驅動開關板，它的輸出接到一個8針的接線端子；而P2口則構成地址譯碼電路，用于控制不同的開關板。

開關板由74HC573鎖存器構成，可以把74HC573的功能描述為：當控制端LE為高電平時，輸出端（Q0～Q7）和輸入端（D0～D7）相連，因此，輸出端的狀態與輸入端相同。當控制端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；或者說當控制端LE是低電平時，即便輸入端（D0～D7）的狀態發生變化，輸出端（Q0～Q7）的狀態也不會隨之改變。

由74HC573構成的開關板電路如圖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板的同一端子并聯，并接到主控制板的P0口。3塊開關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P2口的不同引腳控制，從而可以區分開。

二、設計要求

1.初始化

按下電源開關，開關上的電源指示燈應發亮，開始工作。此時顯示器應顯示88，并延時1s，然后顯示字母H。使用時可以據此了解電路工作是否正常。

2.按鍵設置

按下鍵盤上的數字鍵，該數字出現在顯示器的最后一位上。連續按鍵，則數字依次前推。當2位顯示器上顯示的數值與所希望輸入的代碼相同時，按下A鍵，顯示器閃爍一次，表示該代碼已被機器認可，并執行相應動作。如果顯示器上的代碼不是該機合法輸入代碼，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，即可執行。如果在顯示同一個代碼時連續多次按下A鍵，會發現每次顯示器都閃爍，表示代碼被多次讀入，但這不影響該機的正常使用。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12為止，然后再按下A鍵即可執行。

B鍵的功能是切換顯示器的顯示與不顯示。這是一個開關鍵，反復按下B鍵，將使顯示器交替顯示和不顯示。這個功能用于學生的考核。教師在進行一些設置后，可以用這個鍵把顯示器關閉，然后由學生用儀器來判斷故障。這樣不必擔心學生看到教師預設的代碼。

C鍵是開關重置鍵，按下這個鍵，將使所有開關處于接通位置。

3.代碼說明

該機可用的合法代碼如下：

01～15：分別將第1路到第15路開關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，即不管原先開關是否斷開，按下這些代碼總使相應開關處于斷開位置。

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

原則上，不限制依次輸入代碼的次數，即最多可以同時讓15個開關都處于斷開或閉合狀態。當不通電時，繼電器不吸合，所有開關均處于初始位置，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于顯示的。仔細觀察程序可以發現，顯示部分的程序中有一個計數器，當該計數器計滿255后就會向顯示部分發送一次數據。按理說用74HC164作為顯示，是一種靜態顯示設計，只有在需要進行數據更新時才需要刷新，但這里卻在不斷地刷新。這樣做是因為74HC164是一種串行器件，易受到干擾，它的時鐘端只要有脈沖輸入，就會產生移位，出現錯誤。這臺儀器的主機和顯示器部分是用電纜連接的，容易受到外界信號的干擾。在實際實驗時，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過后就會恢復正常。之所以采用這種方法，是因為在工作現場的干擾并不嚴重，難得會遇上一次干擾。如果工作現場的干擾非常嚴重，干擾不斷出現，就不能采用這種方法，否則會嚴重影響顯示質量。

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。如果每個工作循環都刷新一次，會造成顯示器嚴重的“串紅”現象，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。另一個關鍵是，這種方式是開發者與用戶協商，是用戶感到可以接受的，所以才采用了這種方式。

四、小結

新的教學設備著眼于拓寬學生的基礎，開發潛質，培養學生學會學習，具備專業學習的能力，不僅滿足當前從事工作的需要，同時也為今后終身學習搭建一個良好的平臺。

這樣更多的老師有機會接觸設備，從不懂到懂，最后能承擔該門課程的教學。再一點，由于課程是圍繞高級維修電工的教學大綱制定的，考核內容與上課內容密切聯系，通過多次的考核驗證，該門課程的通過率是比較高的。

存在的不足之處：由于設備結構復雜，一旦出現故障，維護不到位，就會造成實驗設備的損失，影響正常的教學秩序。在教學手段方面還有待提高，例如可以利用仿真手段進行輔助教學，從而達到多方位鍛煉學生實踐能力的目的。

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（作者單位：廣東省中山市技師學院）