一種機床電氣設備教學器材的智能答題器

曾遠征

摘要：本文介紹一款機床電氣設備教學器材的智能答題器的設計。該答題器有手動設置、測驗、考證三種功能。具有操作簡便、造價低廉、自主研發、能夠供平時上課、過程檢測、考證等各種場合。適合對職業學校的機床電氣實訓臺進行維修或改造。

關鍵詞：智能答題器;Labview;機床電氣;教學器材;單片機

中圖分類號：TG502.1 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9416（2019）03-0136-05

0 引言

本校有一個維修電工的實驗室，購買的是某公司的教學設備。這些設備包括了CA6140車床電氣控制電路板以及相關答題器;X62W萬能銑床電氣控制電路板以及相關答題器;T68鏜床電氣控制電路板以及相關答題器;M7120磨床電氣控制電路板以及相關答題器。每一套的設備的電氣控制電路板部分將對應的車床、銑床、鏜床、磨床的控制部分的電路連接以及空氣開關、熱繼電器、交流接觸器等元器件固定在一塊鐵板上。并且露出相關的觸點用于學生測試使用。相關電路的接線則隱藏在內部。而答題器，則用于學生上課時設置故障，以及回答問題使用。

1 機床電氣設置故障板

該教學設備用于本校學生的電工考證。平時使用較多。所以設備也經常有損壞，尤其是答題器，學生經常要用來做答所以出現了比較多的損壞，過了保修之后，維修的費用就非常高。而且有些元件由于時間較長，市面上難于找到替代的產品。令維修增加了更多的難度。到了后來，有些答題器已經不能修復。這樣情況嚴重影響了日常的教學開展。為了能夠保證日常教學的正常開展，我就利用業余時間對這些設備進行了分析，希望能以自己的專業能力去重新設計一個簡單的部件來替代答題器。

經過分析之后，發現這些設備的內部構造不算太復雜。主要的電路在主板里面，每塊板可以設置16個故障點。這些故障點的設計都是斷路故障，設計方法是，將需要斷路的線的兩頭分別引到繼電器的常閉端和公共端。而控制端就外接到排線接口，再由接口連接答題器。也就是說答題器最終的目的是控制繼電器的控制端。由于每塊板能夠設置16個故障。則說明內部有16個繼電器。

經過分析之后，我覺得可以先做一個簡單的設置故障用的電路板，連接到主板上，用于解決暫時的上課問題。這個電路板功能比較簡單，就是用2個八位的撥動開關，當撥動開關斷開時，對應的端口接地，此時設備內部的繼電器不動作，保持原來狀態。當撥動開關短接時，對應的端口接高電平，此時設備內部的繼電器吸合，相關導線斷開連接。設置了相應的短路故障。用該方案制作了一些設置故障用的電路板，在實驗室使用，能實現相關功能。但是該電路板功能單一，其缺點也是比較明顯，因為設置故障的是撥動開關，所以學生在學習一段時間之后， 熟悉的設置，就能直接通過相關的撥動開關的位置把故障猜測出來。尤其是考試或者測驗的時候，有些學生憑著記憶去回答問題。沒有真正達到考試的目的。

2 智能答題器設計

按照中級維修電工考核大綱，機床電氣故障維修考核要求考評員在機床電氣模擬電路板上設置隱蔽故障3處，其中主回路1處，控制回路2處，考評員可將故障現象告知考生，考生必須單獨排除故障，考試時間為45分鐘。

針對以上的要求，我對這款設備的答題器做一次優化。優化之后有以下這些功能。（1）能夠用輕觸按鍵設置故障，這樣故障設置完成之后就不會像之前的板子那樣直接通過看相關的撥動開光的位置就可以猜出問題的答案。（2）能夠提供平時練習、測驗、考證三種模式選擇。（3）在考證或者課堂測驗時，能夠通過一臺電腦來操控。（4）在考證模式下，從考試開始進行45分鐘倒計時，并且將倒計時的時間顯示在顯示屏上。開始考試以及考試結束都有提示音。

2.1 電路系統方框圖

根據這些功能的要求，可以得出相關的設計框圖，如圖1所示。從圖中我們可以看到，該電路的主控芯片為單片機，我選用了STC的單片機STC15W408S。該芯片有購買的方便，價錢的合理的優勢，引腳多的優勢。該單片機主要負責各種信號的處理，包括從按鍵那里獲得相關的輸入信息;將相關的處理之后，將需要顯示的信息送到液晶顯示模組;將需要控制的信號送到繼電器的相關引腳;通過485芯片與計算機通信，達到雙向的通信。

2.2 硬件電路設計

相關的原理圖如圖2所示，制作完成后的電路板實物照片如圖3和圖4所示。

2.2.1 單片機最小系統

本電路采用了STC的單片機STC15W408S。單片機的最小系統包括電源供電、單片機、晶振、復位電路。

2.2.2 顯示部分電路

液晶模塊，本電路采用液晶模塊1602用來顯示相關的信息。這些信息包括，現在設備所處狀態，如：平時狀態、自我測驗，考證模式。讓使用者可以明確知道設備的所處狀態，可以更有效率地使用答題器。

2.2.3 車床控制接口電路

車床控制部分，主要通過專用的接頭，將需要控制的信息送到設備內部。以做到能夠控制設備內部的繼電器。達到設置故障等作用。

2.2.4 按鍵電路

按鍵部分，這一部分，我總共用了20個按鍵，其中17按鍵是兼容以前的設備自帶的智能答題器。而另外的3個按鍵，我把它們設置成：（1）手動故障設置（用于平時自己練習的時候使用）。使用方法為：按下“手動故障設置”按鍵，然后用數碼鍵盤輸入故障點的路徑，比如說107與108之間斷路，則輸入“107108”，按下“確定”按鍵。則故障設置完畢。對應的端口輸出高電平，對應的繼電器吸合，相關的電路斷路。故障設置完畢。再次輸入正確故障路徑，并且按下“確定”按鍵，或者按下“退出”按鍵，就能將故障恢復。（2）測驗按鍵。按下“測驗”這個按鍵，系統就會自動按照預設的程序（每套題目有三個故障，其中主回路1處，控制回路2處）進行隨機抽取考試題目，按下“確定”按鍵，則在隨機設置相應的故障，并且液晶上顯示故障點的路徑十秒。（這樣設置是為了如果設備聯不上計算機，而不得不進行單機考試時，考官可以記錄下自己設置的故障路徑。）然后進入等候答題狀態。其答題方式也是輸入故障點的路徑，并且按下確認。如果回答正確，則相關的故障點自動恢復。故障點數量自動減1 。重復上述方法答題，直到答題結束。

2.2.5 聲音提示電路

該電路由蜂鳴器，三極管等組成。在考試開始，計時結束之后會發出提示音。在某些特定操作下，也會發出相關提示音。

2.2.6 電平轉換電路

485轉換芯片則是為了將所有的設備連接在一起，用于考證或者競賽的時候可以通過一臺計算機去設置每一臺設備的故障點，以及將選手的答案統一由計算機收取而使用。因為485的傳輸距離比較遠，抗干擾能力強，而且可以用總線的接法。自己設計一套相關的指令，讓計算機和單片機之間可以通信。達到簡化考證考官的工作的作用。

PC端，由于絕大多數的計算機沒有485的接口，所以需要購買或者設計一個電路板，將485轉成RS232接口。

2.3 軟件設計

2.3.1 主程序設計框圖

本程序采用Keil C51軟件編程，使用模塊化程序設計，主要的子程序包括：初始化界面、鍵盤子程序、485接收子程序、液晶顯示子程序、手動設置故障子程序，測驗子程序等。系統流程圖如圖5所示：

主程序節選：

void main（）

{

LCD1602_inti（）;//液晶模塊的初始化程序

LCD_LED = 0;

BULL_3dd（）;

while（1）

{RS232_PC（）;//串口子程序

KEY_4x5（）;//按鍵子程序

JK_control（）;//繼電器控制子程序

kaozheng_moshi（）;//考證模式子程序

shoudong_moshi（）;//手動模式子程序

test_moshi（）;//測試模式子程序

}}

2.3.2 按鍵子程序

由于本電路需要的按鍵較多，需要20個按鍵，如果采用每個按鍵接一個IO口就會占用單片機20個IO口，為了減少I/O的占用，所以采用矩陣的方式來實現。如圖所示。在矩陣鍵盤中，每條行線和列線在交叉處沒有連接，通過了一個輕觸按鍵進行連接。這樣5條列線（L0～L3）和4條行線（R0～R4）總共使用9個IO口就可以構成了20個按鍵的矩陣鍵盤。由于鍵盤采用了無源結構所以行列線的電平由單片機的I/O口的電平決定。

部分程序節選如下：

uchar KEY_4x5（）

{uchar k1 = 0，k2 = 0，k3 = 0，k4 = 0，k5 = 0;

static uchar k，kf;

if（kf == 0）

{KEY_DP = 0x0f;

KEY_scan_5 = 0;

if（（KEY_DP&0x0f） == 0x0f） return 0;

delayms（7）;

if（（KEY_DP&0x0f） == 0x0f） return 0;

KEY_DP = 0xef;

KEY_scan_5 = 1;

if（（KEY_DP&0x0f） ！= 0x0f） k1 = ～KEY_DP;

KEY_DP = 0xdf;

KEY_scan_5 = 1;

if（（KEY_DP&0x0f） ！= 0x0f） k2 = ～KEY_DP;

KEY_DP = 0xbf;

KEY_scan_5 = 1;

if（（KEY_DP&0x0f） ！= 0x0f） k3 = ～KEY_DP;

KEY_DP = 0x7f;

KEY_scan_5 = 1;

if（（KEY_DP&0x0f） ！= 0x0f） k4 = ～KEY_DP;

KEY_DP = 0xff;

KEY_scan_5 = 0;

if（（KEY_DP&0x0f） ！= 0x0f） k5 = ～KEY_DP;

k = k1 | k2 | k3 | k4 | k5;

kf = 1;

return 0; }

else {

KEY_DP = 0x0f;

KEY_scan_5 = 0;

if（（KEY_DP&0x0f） ！= 0x0f）

{return 0; }

else{

kf = 0;

return k; } }}

2.3.3 液晶顯示部分

本電路采用1602的液晶模塊，它可以顯示兩行，每行16個字符。能夠顯示ASCII碼字符，如數字或者英文字母以及規定的一些符號。采用并口操作的1602模塊。

程序的寫命令操作和寫數據操作分別用兩個獨立的函數來完成，函數內部唯一的區別就是液晶數據命令選擇端的電平。寫命令函數解釋如下：

void write_com（unchar com）

{lcdrs=0;? ? //選擇寫命令模式

P0= com;? ?//將要寫的命令字送到數據總線上

delay（5）;? ? //稍作延時以待數據穩定

lcden=1;? ? //使能端給一高脈沖，因為初始化已經將lcden置為0;

delay（5）;? ? //稍作延時

lcden=0;? ? //將使能端置0以完成高脈沖}

void write_data（unchar date）

{lcdrs=1;? ? //選擇寫數據模式

P0= date;? ?//將要寫的數據字送到數據總線上

delay（5）;? ? //稍作延時以待數據穩定

lcden=1;? ? //使能端給一高脈沖，因為初始化已經將lcden置為0;

delay（5）;? ? //稍作延時

lcden=0;? ? //將使能端置0以完成高脈沖}

void init（）? ?//液晶的初始化子程序

{dula= 0;

wela=0;

lcden=0;

write_com（0x38）;? ? //設置16*2顯示，5*7點陣，8位數據接口

write_com（0x0c）;? ? //設置開顯示，不顯示光標

write_com（0x06）;? ? //寫一個字符后地址直針加1

write_com（0x01）;? ? //顯示清0，數據直針清0}

由于篇幅限制，其余相關程序就不在這里描述。

2.4 PC端軟件

用Labview軟件設計一個軟件，用于在考證時，可以通過計算機的軟件界面靈活地布置任務，設置故障點，了解考試學生的具體進度等內容。Labview是一種程序開發環境，由美國國家儀器（NI）公司研發，類似于C和BASIC開發環境，但是Labview與其他軟件的顯著區別是：其他計算機語言都是采用基于文本的語言產生代碼，而Labview使用的是圖形化編輯語言G語言編寫程序，產生的程序是框圖的形式。由于采用了圖形編程，所以該軟件的一個很大的特點是，它在計算機上做圖形界面非常方便。可以非常迅速地做出各種相關的界面，并且可以靈活地應用。

一個完整的Labview程序包括前面板與程序框圖兩個界面，前面板是一些控制的界面，如按鍵，顯示的值等。后面板是相關程序，包括接線端、子VI、函數、常量、結構和連線等，連線可以在其他的程序框圖對象間傳遞數據。

這次的界面設計如圖所示。可以看到所有的設備的具體情況，包括所有考生的剩余答題時間，已經排出的故障個數等相關內容。

程序框圖，則由串口調試助手，數組等組成。基本功能已經調試成功，部分細節還在調試之中。

以下的插圖為初步設計的程序界面和部分的程序框圖。由于篇幅關系，這里不再詳細敘述。

（1）教師機的考試時的控制界面（節選）。如圖6所示。

（2）使用Labview編程的計算機與控制電路的接口程序。如圖7所示。

（3）故障判斷程序（節選）。如圖8所示。

3 結論

本機床智能答題器的設計，達到預先設計的目的。其中單機部分已經能正常使用，連接電腦部分功能已經調試正常，小部分內容正在調試之中。該答題器的軟件、硬件、PC端軟件均為自主研發，具有造價低，電路簡潔，可靠性高等優點。可以在實際的使用過程中根據實際需要做出合適的改動。為學校的老機床電氣設備進行智能化改造。為學校的設備維護節省了大筆的費用。

參考文獻

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[3] 黃穎松.機床電氣實訓臺智能化考核裝置的設計[J].電子制作，2015（09）：22-24.

An Intelligent Question Answer for Teaching Equipment of

Machine Tool Electrical Equipment

ZENG Yuan-zheng

（Zhongshan Vocational Secondary School， Zhongshan? Guangdong 528458）

Abstract：This paper introduces the design of an intelligent answering device for teaching equipment of machine tool electrical equipment. The answerer has three functions： manual setting， test and test. It has the advantages of simple operation， low cost， independent research and development， and can be used in classes， process testing， textual research and other occasions. It is suitable for the maintenance or transformation of machine tool electrical training platform in Vocational schools.

Key words：intelligent answer; Labview; machine tool electricity; teaching equipment; single chip microcomputer