基于虛實(shí)結(jié)合的單片機(jī)實(shí)驗(yàn)教學(xué)案例設(shè)計(jì)

汪愛明，石 皓，孟 晨，黃從巍

（中國礦業(yè)大學(xué)（北京）機(jī)電學(xué)院 北京 100083）

單片機(jī)是從事機(jī)電一體化設(shè)計(jì)人才必須掌握的一門技術(shù)[1]。單片機(jī)課程實(shí)踐性強(qiáng)，相關(guān)理論內(nèi)容不易理解與掌握，傳統(tǒng)以實(shí)驗(yàn)箱為核心的實(shí)驗(yàn)課程難以滿足提高學(xué)生實(shí)踐創(chuàng)新能力的需求，本文以工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)案例為基礎(chǔ)，采用虛實(shí)結(jié)合的思路，設(shè)計(jì)單片機(jī)實(shí)驗(yàn)教學(xué)案例，為提高學(xué)生的實(shí)踐創(chuàng)新能力提供保障。

1 案例工程背景

綜采刮板輸送機(jī)是煤礦工作面核心裝備，負(fù)責(zé)工作面煤炭運(yùn)輸，并作為采煤機(jī)運(yùn)行軌道和液壓支架前移支點(diǎn)[2]。鏈條是其關(guān)鍵部件，牽引刮板實(shí)現(xiàn)煤炭運(yùn)輸。由于異物卡頓、過載、磨損、腐蝕等原因，鏈條會(huì)發(fā)生斷鏈、跳鏈、堵轉(zhuǎn)、斷刮板等故障[3]。目前，鏈條故障檢測(cè)主要依靠人工，無法及時(shí)發(fā)現(xiàn)故障，導(dǎo)致維修難度增加，使得生產(chǎn)中斷時(shí)間變長(zhǎng)。

文獻(xiàn)[4]提出了一種如圖1（p110）所示的鏈條故障傳感裝置，刮板機(jī)運(yùn)行時(shí)，刮板2帶動(dòng)舌板5擺動(dòng)，舌板上的磁鐵4時(shí)而正對(duì)、時(shí)而偏離霍爾傳感器3，導(dǎo)致傳感器輸出如圖2（p110）所示的脈沖信號(hào)。鏈條沒有故障時(shí)輸出正常脈沖；斷鏈時(shí)，斷鏈側(cè)的霍爾傳感器一直輸出低電平；跳鏈時(shí)，脈沖周期會(huì)變化；堵轉(zhuǎn)時(shí)，兩路同時(shí)輸出低電平，且刮板機(jī)轉(zhuǎn)速為0；斷刮板時(shí)，會(huì)丟失對(duì)應(yīng)個(gè)數(shù)的脈沖。采用兩個(gè)單片機(jī)可以同時(shí)采集雙路脈沖信號(hào)，但在分析時(shí)存在時(shí)鐘同步難題，且成本高；因此需開發(fā)基于單CPU的刮板輸送機(jī)鏈條故障監(jiān)測(cè)儀。該監(jiān)測(cè)儀是一個(gè)應(yīng)用單片機(jī)解決現(xiàn)場(chǎng)問題的典型案例，學(xué)生能夠掌握利用單片機(jī)開發(fā)測(cè)控系統(tǒng)的流程，掌握電路設(shè)計(jì)、軟件開發(fā)的基本知識(shí)以及相關(guān)工具軟件的使用方法，有助于提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和實(shí)踐創(chuàng)新能力[5-6]。

圖1 舌板接觸式鏈條故障傳感裝置

圖2 輸出脈沖信號(hào)（僅展示1路）

2 案例設(shè)計(jì)

2.1 功能及總體架構(gòu)

基于單CPU的刮板輸送機(jī)鏈條故障監(jiān)測(cè)儀需要同時(shí)采集雙路脈沖信號(hào)并進(jìn)行分析，判斷是否發(fā)生鏈條故障，若發(fā)生故障，需要及時(shí)提醒現(xiàn)場(chǎng)人員；此外，還需讀取刮板輸送機(jī)控制器輸出鏈輪轉(zhuǎn)速信號(hào)，判斷堵轉(zhuǎn)故障。

如圖3所示，以STCSTC15F2K60S2單片機(jī)為核心開發(fā)本監(jiān)測(cè)儀，利用PCA模塊捕獲兩路脈沖，配合定時(shí)器分析脈沖信號(hào)，判斷是否發(fā)生斷刮板、跳鏈故障；為了便于程序下載，設(shè)計(jì)以Max232為核心的ISP在線編程模塊；采用Led燈報(bào)警鏈條故障；通過以Max485為核心的通信模塊與刮板輸送機(jī)控制器的通信，讀取控制器輸出鏈輪轉(zhuǎn)速信號(hào)。

圖3 二次儀表總體方案設(shè)計(jì)圖

2.2 硬件電路設(shè)計(jì)

2.2.1 在線編程電路

如圖4所示，單片機(jī)P3.0和P3.1分別與Max232芯片的12和11引腳連接；DB9插接件的2、3引腳與Max232的14和13引腳連接，實(shí)現(xiàn)單片機(jī)輸出的TTL電平與RS232電平的轉(zhuǎn)換，達(dá)到與計(jì)算機(jī)通過RS232串口下載程序的目的。

圖4 STC15F2K60S2單片機(jī)最小系統(tǒng)圖

2.2.2 電源模塊

如圖5所示，接線端子CN1接入5V電源，為本裝置供電。F1為一個(gè)500mA的自恢復(fù)保險(xiǎn)絲，D1為二極管，led1為電源指示燈。該電路具有反接保護(hù)功能，當(dāng)輸入電流過大或者電路板短路時(shí)，過大的電流將會(huì)產(chǎn)生過大的熱量，使保險(xiǎn)絲迅速熔斷，切斷電源，保護(hù)其他元器件。此外，該電路還具有反接保護(hù)功能，若反接，輸出電流將通過二極管與自恢復(fù)保險(xiǎn)絲構(gòu)成回路，熔斷保險(xiǎn)絲，進(jìn)而保護(hù)其他元器件。

圖5 電源電路設(shè)計(jì)圖

2.2.3 485通信模塊

如圖6所示，STC15F2K60S2單片機(jī)的P3.7、P3.6分別連接485芯片的TXD和RXD引腳，P3.5連接通信收發(fā)控制引腳，實(shí)現(xiàn)基于RS485的鏈輪速度讀取。

圖6 基于RS485的數(shù)據(jù)上傳模塊

2.2.4 報(bào)警模塊

如圖7所示，led2為綠色的led燈，代表鏈條正常；led3、led4、led5、led6、led7均為紅色的led燈，分別表示L斷鏈、R斷鏈、斷刮板、跳鏈和堵轉(zhuǎn)故障。

圖7 故障報(bào)警模塊電路設(shè)計(jì)圖

2.3 軟件設(shè)計(jì)

利用STC15F2K60S2的PCA模塊的脈沖捕獲功能實(shí)現(xiàn)跳鏈和斷刮板檢測(cè)，利用定時(shí)器實(shí)現(xiàn)斷鏈檢測(cè)，利用485通信讀取鏈輪轉(zhuǎn)速判斷是否發(fā)生堵轉(zhuǎn)。采用Keil C51軟件編寫程序，包括：主程序、基于PCA的跳鏈和斷刮板檢測(cè)程序、基于定時(shí)器斷鏈檢測(cè)程序和基于鏈輪轉(zhuǎn)速的堵轉(zhuǎn)檢測(cè)程序。

2.3.1 主程序

如圖8所示，首先對(duì)定時(shí)器0、定時(shí)器1、串口以及PCA模塊進(jìn)行初始化，并開啟總中斷；然后，在while死循環(huán)中判斷雙側(cè)鏈條斷鏈的標(biāo)志位是否同時(shí)為1，若滿足條件則向刮板輸送機(jī)控制器發(fā)送讀取鏈輪轉(zhuǎn)速信號(hào)，采用中斷方式接受數(shù)據(jù)并在中斷服務(wù)子程序中依據(jù)鏈輪轉(zhuǎn)速是否等于0判斷堵轉(zhuǎn)故障。

圖8 主程序流程圖

2.3.2 基于PCA的跳鏈和斷刮板檢測(cè)程序

STC15F2K60S2的3個(gè)PCA模塊分別是CCP0、CCP1、CCP2，對(duì)應(yīng)的管腳分別為P1.1、P1.0、P3.7；本設(shè)計(jì)的雙路脈沖接入P1.0和P1.1。如圖9所示，當(dāng)輸入脈沖正跳變時(shí)，進(jìn)入PCA中斷服務(wù)子程序，對(duì)系統(tǒng)時(shí)鐘進(jìn)行計(jì)數(shù)，計(jì)算相鄰兩次發(fā)生正跳變計(jì)數(shù)值之差，即可得到脈沖寬度length1和length2，將length1-length2的值與設(shè)定閥值比較，即可判斷跳鏈和斷刮板故障。閾值1為刮板輸送機(jī)正常運(yùn)行時(shí)的允許偏差最大值，理想應(yīng)為0，實(shí)際會(huì)大于0，但不會(huì)太大，因此可取一個(gè)較小數(shù)值。取鏈條無故障情況下正常脈沖計(jì)數(shù)寬度平均值length，將閾值2設(shè)為0.25length，閾值3設(shè)為length。

圖9 PCA中斷函數(shù)流程圖

2.3.3 基于定時(shí)器的斷鏈檢測(cè)程序

以斷左鏈判斷為例，將定時(shí)器T0定時(shí)為50毫秒，如圖10所示；若超過1秒，即定時(shí)器進(jìn)入中斷20次，系統(tǒng)未進(jìn)入PCA中斷清除定時(shí)器計(jì)數(shù)值，判定為斷鏈故障。中斷子程序中通過t0判斷左鏈?zhǔn)欠駭唷Ｓ益湐噫滎愃疲枚〞r(shí)器T1。

圖10 定時(shí)器0中斷函數(shù)流程圖

2.3.4 基于鏈輪轉(zhuǎn)速的堵轉(zhuǎn)檢測(cè)程序

由于定時(shí)器0和1被占用，因此選擇定時(shí)器2為波特率發(fā)生器，與刮板輸送機(jī)控制器通信，讀取鏈輪轉(zhuǎn)速。當(dāng)主程序發(fā)送讀取鏈輪轉(zhuǎn)速指令后，采用中斷方式接受轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)，并判斷是否堵轉(zhuǎn)。如圖11所示，接收到鏈輪轉(zhuǎn)速，長(zhǎng)時(shí)間捕捉不到左鏈和右鏈的脈沖信號(hào)，即flag1和flag2為1時(shí)，表明鏈條停止運(yùn)行，若鏈輪轉(zhuǎn)速為零，則發(fā)生了堵轉(zhuǎn)。

圖11 接收數(shù)據(jù)中斷函數(shù)流程圖

3 案例實(shí)施

3.1 軟硬件準(zhǔn)備

實(shí)驗(yàn)需配備如下軟硬件：Altium Designer 6.0，繪制電路原理圖和PCB；Keil Vision 4，編寫編譯程序；STC-ISP在線編程軟件，下載程序到單片機(jī)；CH341SER，USB轉(zhuǎn)串口驅(qū)動(dòng)；Proteus Pro 8.13，開展仿真實(shí)驗(yàn)。

3.2 實(shí)施過程

第一步，參考圖12，在Proteus中采用STC15W4K32S4代替STC15F2K60S2，U1用于模擬雙路脈沖，利用該單片機(jī)定時(shí)器對(duì)P0.0和P0.1不斷翻轉(zhuǎn)取反輸出模擬雙路脈沖；U2用于模擬本監(jiān)測(cè)儀，采集并分析雙路脈沖信號(hào)。第二步，參考2.3節(jié)，利用Keil Vision編寫各軟件模塊；結(jié)合第一步設(shè)計(jì)的仿真電路進(jìn)行調(diào)試，實(shí)現(xiàn)預(yù)期功能。第三步，參考2.2節(jié)，利用Altium Designer繪制監(jiān)測(cè)儀電路圖及PCB。第四步，將設(shè)計(jì)的程序下載到監(jiān)測(cè)儀樣機(jī)，實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證預(yù)期功能；如圖13所示，實(shí)驗(yàn)時(shí)，采用STC15F2K60S2單片機(jī)輸出如圖2所示的模擬雙路脈沖，利用示波器實(shí)時(shí)測(cè)量該脈沖。

圖12 基于Proteus的案例模擬實(shí)驗(yàn)電路示意圖

圖13 實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)

3.3 成績(jī)?cè)u(píng)價(jià)

上述4個(gè)步驟分別對(duì)應(yīng)4個(gè)任務(wù)，學(xué)時(shí)分別設(shè)置為1個(gè)、2個(gè)、2個(gè)和1個(gè)；從完成速度和效果兩方面進(jìn)行打分，4個(gè)任務(wù)的完成速度總分分別為10分、10分、10分和10分，完成速度總分分別為10分、20分、20分和10分；綜合每個(gè)任務(wù)實(shí)驗(yàn)過程中的各個(gè)環(huán)節(jié)進(jìn)行評(píng)價(jià)與考核。總評(píng)成績(jī)由實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)成績(jī)和實(shí)驗(yàn)報(bào)告成績(jī)兩部分組成，各100分。

4 結(jié)語

基于虛實(shí)結(jié)合的單片機(jī)實(shí)驗(yàn)教學(xué)案例以實(shí)際工程應(yīng)用為背景，匯聚了單片機(jī)I/O、PCA、定時(shí)器、中斷等模塊知識(shí)點(diǎn)以及相關(guān)軟件的使用，使學(xué)生形成使用單片機(jī)開發(fā)測(cè)控系統(tǒng)的能力；與基于單片機(jī)開發(fā)板的傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)方式相比，該方式能夠更好地調(diào)動(dòng)學(xué)生的積極性，提高學(xué)生的參與程度，鍛煉其動(dòng)手實(shí)踐能力。