淺談基于單片機(jī)的機(jī)電控制實(shí)訓(xùn)平臺(tái)設(shè)計(jì)

譚贊賢

摘 要：基于單片機(jī)視角，加強(qiáng)機(jī)電控制實(shí)訓(xùn)平臺(tái)設(shè)計(jì)是至關(guān)重要的，帶有一定的自主研制性質(zhì)，該平臺(tái)的構(gòu)成主要包括單片機(jī)主控單元和多個(gè)獨(dú)立的功能模塊單元，各個(gè)功能設(shè)計(jì)是相對(duì)獨(dú)立的，并通過(guò)杜邦線進(jìn)行組合、并連接在一起，可以充分彰顯出單片機(jī)基本控制功能和典型機(jī)電控制功能，對(duì)實(shí)際教學(xué)產(chǎn)生了極其深遠(yuǎn)的影響，教學(xué)效果顯著。本文主要針對(duì)基于單片機(jī)的機(jī)電控制實(shí)訓(xùn)平臺(tái)設(shè)計(jì)展開(kāi)深入研究，希望對(duì)相關(guān)行業(yè)人士提供些許幫助。

關(guān)鍵詞：?jiǎn)纹瑱C(jī)；機(jī)電控制；實(shí)訓(xùn)平臺(tái)設(shè)計(jì)

在高等學(xué)校人才培養(yǎng)過(guò)程中，極大地促進(jìn)了實(shí)踐教學(xué)的開(kāi)展。對(duì)于單片機(jī)來(lái)說(shuō)，屬于比較完善的微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，在諸多領(lǐng)域中得到了廣泛的應(yīng)用，比如智能儀器、網(wǎng)絡(luò)通信以及工業(yè)控制等方面。因此，在實(shí)際教學(xué)中，必須要基于單片機(jī)，加強(qiáng)機(jī)電控制實(shí)訓(xùn)平臺(tái)設(shè)計(jì)，將教學(xué)內(nèi)容拓展開(kāi)來(lái)，引導(dǎo)學(xué)生樹(shù)立高度的創(chuàng)新意識(shí)，并不斷提高自身的工程實(shí)踐能力，將機(jī)電控制領(lǐng)域的應(yīng)用提升至全新的高度和深度。

1 基于單片機(jī)的機(jī)電控制實(shí)訓(xùn)平臺(tái)設(shè)計(jì)的必要性分析

針對(duì)工程訓(xùn)練中心開(kāi)設(shè)的電工電子實(shí)訓(xùn)，必須要高度重視機(jī)類和近機(jī)類電工電子實(shí)訓(xùn)教學(xué)的開(kāi)展，然而卻缺少較為廣泛的單片機(jī)實(shí)驗(yàn)臺(tái)，所以一定程度上影響到基于單片機(jī)應(yīng)用的機(jī)電控制實(shí)踐教學(xué)。現(xiàn)階段，在諸多大賽中，都與單片機(jī)控制技術(shù)的應(yīng)用之間有著緊密的聯(lián)系。所以必須要積極培養(yǎng)學(xué)生單片機(jī)控制技術(shù)的實(shí)踐應(yīng)用能力，集中整合好機(jī)械設(shè)計(jì)和控制技術(shù)，促進(jìn)教學(xué)目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)，確保學(xué)生實(shí)踐應(yīng)用能力的穩(wěn)步提升。

基于單片機(jī)，加強(qiáng)機(jī)電控制實(shí)訓(xùn)平臺(tái)設(shè)計(jì)，要求要將單片機(jī)基本控制功能充分體現(xiàn)出來(lái)，實(shí)現(xiàn)典型的機(jī)電控制功能，屬于具有綜合性和全面性的實(shí)訓(xùn)平臺(tái)，進(jìn)一步拓展了實(shí)訓(xùn)教學(xué)內(nèi)容，實(shí)驗(yàn)條件也得到了改善。在該實(shí)訓(xùn)平臺(tái)學(xué)習(xí)的影響下，學(xué)生可以對(duì)單片機(jī)基本原理進(jìn)行充分掌握，不斷提高學(xué)生機(jī)電結(jié)合的綜合運(yùn)用能力和創(chuàng)新實(shí)踐能力，成立一名優(yōu)秀的復(fù)合型機(jī)電人才。

2 基于單片機(jī)的機(jī)電控制實(shí)訓(xùn)平臺(tái)設(shè)計(jì)

2.1 整體功能設(shè)計(jì)

1）系統(tǒng)功能需求

該實(shí)訓(xùn)平臺(tái)的構(gòu)成主要包括主控制單元和多個(gè)獨(dú)立的功能單元模塊，其中，包括51和AVR單片機(jī)等主控單元，還包括電控制單元和實(shí)時(shí)時(shí)鐘單元等。

2）單元模塊設(shè)計(jì)

在設(shè)計(jì)過(guò)程中，各個(gè)模塊的設(shè)計(jì)都是比較獨(dú)立化的。首先，在基本輸入、輸出單元方面。一般來(lái)說(shuō)，鍵盤(pán)單元和無(wú)線遙控接收單元等是基本輸入單元的重要構(gòu)成。獨(dú)立按鍵模塊監(jiān)控得到按鍵要4個(gè)，并且具有一定的獨(dú)立性，其顯示主要借助LED來(lái)完成[1]。而對(duì)于無(wú)線遙控模塊來(lái)說(shuō)，借助連接在單片機(jī)的無(wú)線遙控接收端，監(jiān)控?zé)o線遙控器上的按鍵狀態(tài)有4個(gè)，編碼芯片主要對(duì)PT2262/2272等進(jìn)行了應(yīng)用。

在基本輸出單元中，LED顯示單元和LCD顯示單元等屬于重要的構(gòu)成內(nèi)容，以便于學(xué)生對(duì)不同顯示方法和效果進(jìn)行充分了解。其中，電磁繼電器模塊通過(guò)無(wú)線遙控器的4個(gè)按鍵，對(duì)4個(gè)電磁繼電器線圈進(jìn)行有效控制，每一個(gè)繼電器開(kāi)觸點(diǎn)對(duì)一個(gè)LED燈回路進(jìn)行控制。

其次，在機(jī)電控制單元方面。第一，直流電機(jī)模塊。電機(jī)的調(diào)速和正反轉(zhuǎn)控制成為了可能，并且在直流電機(jī)的轉(zhuǎn)軸中，還裝設(shè)了光電旋轉(zhuǎn)碼盤(pán)，為轉(zhuǎn)速測(cè)定直流電機(jī)提供一定的便利。對(duì)于直流電機(jī)的控制，其完成主要借助獨(dú)立按鍵模塊。第二，微型步進(jìn)電機(jī)模塊。對(duì)于步進(jìn)電機(jī)來(lái)說(shuō)，主要是指將電脈沖信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)變，具體為角位移或線位移的開(kāi)環(huán)控制元件。對(duì)28BYJ-48微型步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行應(yīng)用，與無(wú)線遙控模塊整合在一起。第三，舵機(jī)模塊。舵機(jī)，屬于位置伺服的驅(qū)動(dòng)器之一。在機(jī)器人機(jī)電控制系統(tǒng)中，舵機(jī)控制效果是性能的重要影響因素之一，舵機(jī)可以作為基本輸出執(zhí)行機(jī)構(gòu)，對(duì)微機(jī)電系統(tǒng)和舵模等產(chǎn)生了極大的影響，其簡(jiǎn)單的控制和輸出，可以為單片機(jī)系統(tǒng)的接口提供極大的便利。，平臺(tái)主要選擇輝盛SG5010舵機(jī)，借助一個(gè)按鍵點(diǎn)，以此來(lái)對(duì)舵機(jī)的角度定位進(jìn)行控制，并在數(shù)碼管上進(jìn)行顯示。該模塊可以有效控制舵機(jī)的角度定位，通過(guò)一個(gè)按鍵點(diǎn)控制舵機(jī)在諸多位置循環(huán)定位，比如0°、45°以及90°[2]。

2.2 實(shí)訓(xùn)平臺(tái)組裝

要想為功能組合和擴(kuò)展提供一定的便利，并以模塊為單位為實(shí)訓(xùn)平臺(tái)進(jìn)行局部檢修和替換提供便利，實(shí)訓(xùn)平臺(tái)基于各個(gè)功能單元，對(duì)獨(dú)立的PCB板進(jìn)行設(shè)計(jì)，每塊PCB板都設(shè)置了針式連接端子，在單元模塊之間，對(duì)杜邦線進(jìn)行了大量應(yīng)用，以此來(lái)進(jìn)行組合連接，實(shí)驗(yàn)時(shí)，選擇的功能單元通過(guò)連接電源轉(zhuǎn)接單元，以此來(lái)實(shí)現(xiàn)供電。對(duì)于主要單元的PCB板[3]，借助螺絲可以在同一底板上進(jìn)行固定，底板材料對(duì)環(huán)氧樹(shù)脂和有機(jī)玻璃進(jìn)行了廣泛的應(yīng)用，有著良好的絕緣性能。

2.3 光電編碼器原理和測(cè)量演示實(shí)驗(yàn)

光電編碼器在A/B兩相輸出信號(hào)線上，會(huì)出現(xiàn)相位差值為90°的脈沖方波。該方波的個(gè)數(shù)與轉(zhuǎn)動(dòng)角度、編碼器內(nèi)部結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系是緊密聯(lián)系、密不可分的。比如：在機(jī)電器件控制實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)中，對(duì)600線編碼器進(jìn)行了廣泛應(yīng)用，即將轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)360°均勻分成了600等份。如果對(duì)A相和B相的上升沿進(jìn)行共同檢測(cè)，可以視為轉(zhuǎn)軸每轉(zhuǎn)動(dòng)一周要，就會(huì)出現(xiàn)1200個(gè)脈沖或上升沿。

此外，在外部中斷配置方面。要想對(duì)脈沖邊沿信號(hào)進(jìn)行有效檢測(cè)，必須要加強(qiáng)單片機(jī)的外部中斷檢測(cè)進(jìn)行應(yīng)用。配置TCON寄存器中的相應(yīng)位，加強(qiáng)邊沿檢測(cè)方式的應(yīng)用，每產(chǎn)生一個(gè)邊沿信號(hào)都會(huì)出現(xiàn)中斷提示。在外部中斷服務(wù)程序中，對(duì)邊沿進(jìn)行計(jì)數(shù)，根據(jù)進(jìn)入中斷的次數(shù)[4]，可以確保光電編碼器的轉(zhuǎn)動(dòng)角度進(jìn)行準(zhǔn)確計(jì)算。而且在單片機(jī)進(jìn)入外部中斷服務(wù)程序或累計(jì)計(jì)數(shù)次進(jìn)入以后，可以讀出該自由運(yùn)行的定時(shí)器的計(jì)數(shù)器值，從而對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)相應(yīng)角度所經(jīng)過(guò)的時(shí)間進(jìn)行簡(jiǎn)易計(jì)算，以便于及時(shí)、有效地獲取該段角位移的平均速度。

2.4 系統(tǒng)測(cè)試

在反復(fù)修改和設(shè)計(jì)以后，設(shè)計(jì)并完成了機(jī)電器件控制實(shí)訓(xùn)平臺(tái)的全部設(shè)計(jì)。在綜合測(cè)試部分，設(shè)計(jì)并完成了一個(gè)綜合性測(cè)試與演示程序，可以對(duì)平臺(tái)全部器件進(jìn)行驗(yàn)證。該演示程序主要借助液晶顯示屏，以此來(lái)菜單選項(xiàng)進(jìn)行顯示，對(duì)板上的所有資源進(jìn)行一一列舉，借助按鈕來(lái)對(duì)演示功能進(jìn)行選擇。由單片機(jī)控制直流減速電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，轉(zhuǎn)動(dòng)通過(guò)皮帶傳送至光電編碼器。通過(guò)按鍵選擇可以對(duì)直流減速電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)方向和速度進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)整，光電編碼器可以對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)方向和速度進(jìn)行有效測(cè)量，并顯示到液晶顯示屏之中。

經(jīng)過(guò)反復(fù)測(cè)試和驗(yàn)證，機(jī)電控制實(shí)訓(xùn)平臺(tái)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)目標(biāo)，平臺(tái)設(shè)計(jì)科學(xué)、合理，而且操作起來(lái)極其簡(jiǎn)單、便利，深受廣大學(xué)生一致好評(píng)和認(rèn)可，對(duì)電子類和機(jī)電類相關(guān)專業(yè)學(xué)生的學(xué)習(xí)和使用提供了極大的便捷。

3 結(jié)束語(yǔ)

基于單片機(jī)的機(jī)電控制實(shí)訓(xùn)平臺(tái)設(shè)計(jì)勢(shì)在必行，可以促進(jìn)機(jī)電類實(shí)踐教學(xué)的順利開(kāi)展，并不斷提高學(xué)生的實(shí)踐操作能力和創(chuàng)新能力，實(shí)現(xiàn)了多學(xué)科的融合，從而確保應(yīng)用型人才培養(yǎng)水平的穩(wěn)步提升。

參考文獻(xiàn)

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