自動檢測學生接線正確性的實訓裝置*

◆楊軍 楊林對 陳輝 潘健彬 謝文杰

自動檢測學生接線正確性的實訓裝置*

◆楊軍 楊林對 陳輝 潘健彬 謝文杰

電工類課程實訓時，現在通常是讓學生用實訓導線將真實部件連接起來，等待教師檢查后通電運行。這種教學手段效率低，學生接線有錯誤而急于通電，常導致部件損壞。由計算機來檢測學生接線正確性的實訓裝置，能在學生有真實動手體驗的前提下，自動檢測出接線是否正確，避免損壞部件，提升教學效率。本裝置已經申請發明專利。

實訓裝置；接線；自動檢測

10.3969/j.issn.1671-489X.2015.24.159

1 引言

高職學生學習的一個重要的技能目標，是學會按照電路圖正確接線，進而達到熟練的程度。以筆者所在學校為例，電工基礎、電工考證、PLC等課程都有這一技能要求。教學中，學生常出現各種接線錯誤，若有接線錯誤仍加電，就很容易導致跳閘、熔斷器熔斷以及線路和部件損壞，影響正常教學［1］。所以，通常要求由教師檢查無誤后，才可以通電。但這樣一來，學生要等教師有空來檢查自己的電路，教學效率就不高，更重要的是會挫傷學生的學習積極性。筆者就見到過有學生等了好幾分鐘，終于等來教師檢查、指出錯誤，改了再等，教師再檢查、指出錯誤讓其改，但學生已經無信心和耐心來練習了。

怎么解決這個問題？一個辦法是使用純計算機的仿真軟件，已經有一些軟件，如“電工仿真”，能幫助學生提高接線技能。但不少學生練習純計算機仿真軟件后，仍不會真實接線，原因是：

1）操作規則還是與真實接線不同，屏幕上可能是點錯了就無反應，點對了就一下將此“線號”的所有線全連接好了；

2）通過點擊鼠標在屏幕上“接線”，與使用螺絲刀進行真實接線相比，學生的學習體驗大不相同。

那么，有沒有一個實訓裝置，能夠讓學生有真實接線那樣的學習體驗，且不用教師來檢查糾錯，還不會損壞部件呢？這正是本文要介紹的“自動檢測學生接線正確性的實訓裝置”（以下簡稱“本實訓裝置”）。其原理可概括為兩點：讓學生在部件引出的端子上真實接線；用計算機來檢測接線的正確性。

2 實現方案

本實訓裝置分基本型、切換型、總線型。本文主要介紹基本型和切換型。先看基本型，也可稱為“空殼部件”型。下面以一個最簡單的實例來說明，其結構如圖1所示（有對應的圖表）。

圖1 本實訓裝置基本型的結構

本實訓裝置的基本型里面要用到“空殼部件”（或元件、器件，下文統稱部件）。“空殼部件”與實際搭建電路用的實訓部件外觀相同，包括接線端子位置也是相同的；但在空殼部件內部，各個端子間完全電氣絕緣。空殼部件各個接線端子的內側焊接引出一條導線（圖1中用實線表示），稱為“檢測線”。“檢測線”在空殼元件內部匯集起來，組成多芯電纜，通到接口板。圖1中，4個空殼部件共有8個端子，對應8條導線（“檢測線”），分成4根電纜連到接口板。

接口板通常是單片機電路，當然也可以采用現成的數據采集與控制卡，如DMP 401、Labjack系列。與上位機的連接用USB口（當然用并口、串口也可以）。上位機用PC，安裝本實訓裝置的人機界面、控制軟件。本實訓裝置中，若接口板用單片機，并且為單片機配上觸摸屏等人機界面，則可以不用上位機，就成為本實訓裝置的簡化版本了。

本實訓裝置能夠檢測各類電工、電子實訓電路。這里用一個總端子較少的電路“簡A電路”為例，介紹其工作原理。“簡A電路”的原理圖如圖2所示（有對應的圖表）。

簡A電路圖中給每個部件兩端標了號碼0～7，是為了請讀者對應接口板I/O端口號，更易理解本文。

表1 接口板僅I/O端口0為輸出（高電平）時，各端口的電平

表2 接口板僅I/O端口1為輸出（高電平）時，各端口的電平

圖2 “簡A電路”的原理圖

圖3 用實訓導線將空殼部件連接起來

學生先按照簡A電路圖原理圖的要求，用實訓導線在空殼部件的端子上，用螺絲刀等工具，或者插接，進行真實的接線操作，接好的電路如圖3（有對應的圖表）所示。圖中，實線是“檢測線”，虛線表示實訓導線。

這時實際上形成圖4（有對應的圖表）所示的電路（為了不顯得雜亂，接口板上I/O端口3～6上的檢測線未畫出）。圖4（有對應的圖表）反映了用實訓導線連接空殼部件后，接口板上各I/O端口間就會具有一定的實際連通關系：通過實訓導線，接口板上I/O端口0、4、6連接在一起（對應線號F），I/O端口1、2連接在一起（對應線號H），I/ O端口3、5、7連接在一起（對應線號K）。本文中稱這種連通關系為“接線圖”。

圖4 用實訓導線連接空殼部件后實際形成的電路的原理圖

接口板對各I/O端口進行掃描，就能得到一組二進制數，這一組二進制數就可以表示接線圖。下面介紹怎樣通過掃描建立一組二進制數，來表示圖3所對應的接線圖。

上位機先將接口板置為I/O端口0為輸出高電平，其他I/O端口（端口1～7，都帶有下拉電阻）為輸入。各端口的電平，高電平記為1，低電平記為0，I/O端口0正在輸出高電平，也記為1。各I/O端口的電平都填入表格中，如表1所示（有對應的圖表）。

將I/O端口7的電平對應的數值作為二進制數的D 7位，將I/O端口6的電平對應的數值作為二進制數的D 6位……如此依次將各I/O端口的電平對應的數值填入二進制數的各個位，則得到一個二進制數010 100 01 B。它表示接口板上I/O端口0、4、6，通過空殼部件，被實訓導線連接在一起，而其他端口都未與這三個端口連接。實際上，這三個端口對應的就是“簡A電路”的線號F。

上位機再將接口板置為I/O端口1輸出高電平，其他I/O端口（端口0，2～7，都帶有下拉電阻）為輸入，就會如表2所示（有對應的圖表）。

將各I/O端口的電平對應的數值填入二進制數的各個位，則得到一個二進制數000 001 10 B，它表示接口板上I/O端口1、2通過實訓導線連接在一起，而其他端都未與這兩個端連接。

繼續這一測試過程，掃描完成后，共得到8個二進制數。這一組（8個）二進制數構成“簡A電路”的01號“判別規則庫”，反映了通過實訓導線在空殼部件上做出（此種）正確連接時，接口板各端子間的通斷關系。有讀者會注意到，8個二進制數中有彼此相同的。如010 100 01 B這個數，01號判別規則庫里應當有三個，如果只有一個或者兩個，就是計算機（包括接口板）工作不正常。

有判別規則庫后，就可以讓學生使用實訓導線在空殼元件上接線。接好后，用前述的掃描測試方法，得到一組（8個）二進制數，本文稱它為“學生接線數據組”。顯然，對于“簡A電路”，“學生接線數據組”的內容如果與01號判別規則庫內容相同，則說明學生接線形成的通斷關系與圖3相同，學生接線是正確的。進行比較的工作由計算機程序完成，此處不贅述。

如果不同，計算機程序就可以分析并且告知學生本次接線結果與正確接線的區別在哪里，及將學生所接線轉化成原理圖讓學生對照。有區別可能是接錯，如電壓表極性接反了；也可能是另一種正確接線法，如12 V 10 W的燈泡上，6號與7號連接端子互換了，這時只需教師操作，將本“學生考核數據組”存為“簡A電路”的02號判別規則庫。“簡A電路”的所有判別規則庫組成“簡A電路”的判別規則總庫。后繼的考核中，只要“學生接線數據組”與“判別規則總庫”中任一“判別規則庫”內容相同，都可認定學生接線正確。

至此，本實訓裝置的基本型的原理要點——用空殼元件練習接線、用計算機來檢測接線的正確性——已經介紹完。可見，它既有真實接線的學習體驗，不用教師來檢查糾錯，還不會損壞部件，滿足了實訓教學的需要。

3 功能方面的擴展

本實訓裝置檢測時，不僅比教師快得多，而且不會放過任何接線錯誤。本實訓裝置的基本型還可以增加很多功能，為接線學習提供便利。

1）給每個空殼部件的每個端子的旁邊裝一個指示燈。學生在上位機屏幕上顯示的原理圖中，用鼠標點一下某個部件的符號，則計算機讓此空殼部件各端子處的指示燈都亮，學生就知道此符號所對應的部件實物外形是什么樣子，這可以引導學生去學習符號與實物的對應關系；用鼠標點一下原理圖中某條連線，則計算機讓此線連接到的各端子旁邊的指示燈都點亮，學生將這些端子接到一起，就完成了此線號。

2）將某實訓導線一端接入電路后，另一端應當接到哪個空殼部件的哪個端子上？除了剛才說的“讓此線號各端子處的指示燈全點亮”的方法，還可在本實訓裝置上加設一個“提示端子”來指引學生。“提示端子”輸出脈沖信號，只要用“另一端”碰著本實訓裝置上的“提示端子”，計算機就可識別出此實訓導線已經接入的這一頭是屬于哪個線號，哪些端子已經接入此線號。各空殼部件端子處的指示燈已經接入此線號的將點亮，待接的則閃爍，指引學生完成此線號。

若某個端子只連接到了本實訓裝置上的“提示端子”，則計算機可探測出這是哪個空殼部件的哪個端子，并在屏幕上的原理圖中高亮、閃爍提示。這樣一來，學生就可以知道每個空殼部件和每個端子對應屏幕上的原理圖中哪個符號及哪個端。

3）學生連接時，上位機屏幕將原理圖中已經接好的這部分同步著重顯示出來：已經接對的高亮顯示；接錯的部分則閃爍顯示。一旦發現會造成短路、燒壞的錯誤接線，則計算機立即發出警告。這些都能讓學生即時得到反饋，有如一位教師在旁邊專門指導自己接線。

本實訓裝置的基本型已經可以滿足很多實訓需要。例如：很多實訓臺原本就是將實訓用的部件固定在掛箱上，學生用實訓導線去插接；電工考證培訓中，學習繼電器控制電路時，常是已經將每個基本控制電路需用的電器固定在一塊底板上，做成實訓屏，用螺絲刀等工具接線。本實訓裝置的基本型就可以做得與這些實訓設備有相同外形，便于學習。若需要增加I/O端口時，只需在接口板上增加單片機或者電子開關就可以。

本實訓裝置的基本型用的是空殼部件，優點是批量生產時成本很低，運行時耗電、材料損耗都很少，無設備和人身危險。但有時也希望學生能夠學習判斷部件好壞、測量部件特性、真實運行，這時就可采用本實訓裝置的另一個子類型，叫作“切換型”：改用真實電氣部件，增設用來讓學生接線的端子（以下簡稱“學生端子”），以及受接口板控制的多組轉換接點（以下稱其為“切換控制單元”）。由切換控制單元，將學生接在“學生端子”上的導線要么全部連接到實訓部件上，要么全部連接到接口板上（單片機的I/O端口）。圖5（有對應的圖表）就給出本實訓裝置的“切換型”的硬件原理。在下面介紹切換型時，請讀者注意區分部件本身的端子（或引線）與專門讓學生接線的端子。部件本身的端子（或引線）不希望學生碰觸到，學生只能在“學生端子”上面測量、接線。

圖5 本實訓裝置的切換型的原理

圖5中未畫出上位機，也未畫出學生所接的線。組裝本實訓裝置時，學生端子的位置應當與部件本身的端子（或引線）引入裝置時所經過的面板上的開孔盡量接近，以便讓學生感覺部件本身的端子（或引線）是通過導線直接接到學生用的端子上的。圖5是用繼電器的轉換接點來構成切換控制單元，繼電器由接口板控制，兩個繼電器提供8組轉換接點，線圈并聯，使接點同步動作。8組轉換接點，向右是常閉，學生所接的線將全部通過端子連接到實訓部件上；向左是常開，學生接線全部被連接到接口板上。真實電路運行時所需的電源也受接口板控制，所以圖5的電源用的是受控源的符號。切換原則如下。

1）在自動檢測接線正確性的短暫時間里，8組轉換接點都是打到左邊的，學生的接線全部被連接到接口板，由計算機檢測正確性。計算機應當提前提醒學生撤下所有萬用表、示波器等儀器，不要手工對電路進行任何測量。

2）自動檢測前，也就是學生接線期間，8組轉換接點都是切換到右邊。通過8組常閉接點，實訓部件與學生接線用的端子接通，學生就可在端子上測量部件，判斷每個部件好壞；因為學生本來就感覺“部件本身的引線是直接接到學生用的端子上的”，所以增加了切換裝置后，學生也不會有什么不習慣。

3）自動檢測后，若檢測認定接線為正確的話，8組轉換接點才會全都切換到左邊，接口板使受控源有電能輸出，實訓電路開始真實運行，學生就可觀測運行結果。由于接線正確才允許真實運行，故不會發生跳閘、熔斷器熔斷以及線路和部件損壞等事故。

4 總結

綜上所述，通過引入計算機，本實訓裝置能在電工類課程的實訓學習中讓學生保持真實動手體驗的前提下，自動檢測學生接線正確性，并可以進一步提供提示、指引、同步糾錯等功能，讓實訓教學與考核更加安全、可靠、高效。依照實訓需要，適當地選擇本實訓裝置的子類型，就能滿足實訓需求，明顯提升實訓教學與考核的水平。本裝置已經申請發明專利。■

［1］鄭發泰.基于單片機的電氣控制線路接線故障診斷系統［J］.現代電子技術，2010（13）:156-158，164.

［2］涂金龍，王曉麗，郭新蘭.用于教學的電氣實訓系統的設計［J］.數字技術與應用，2012（9）:231-232.

［3］孫達夫.維修電工技術:MES模塊式教學（活頁）［M］.北京:高等教育出版社，2007.

［4］羅勇，薛金水.電路與電工技術［M］.北京:中國人民大學出版社，2014.

TP391.6

B

1671-489X（2015）24-0159-04

*項目來源：廣東省大學生科技創新培育專項資金資助（項目編號：pdjh2015b0732）。

作者：楊軍，廣東工程職業技術學院專任教師，講師，研究方向為電子技術；楊林對、陳輝、潘健彬、謝文杰，廣東工程職業技術學院（510520）。