工匠精神融入城軌信號專業實訓教學探究
——步進電機自動控制實訓設計

商林

（武漢交通職業學院，湖北 武漢 430065）

0 引 言

黨和國家在《關于深化教育體制機制改革的意見》《國家職業教育改革實施方案》中提出要創新人才培養方式、培養“德技并修”的高技能型人才。日常教學中教師要探索一條專業教育與德育彼此聯系，有機結合的方式，搭建“德技并修”育人實踐平臺。實踐教學是日常教學重要環節之一，它既可以培養學生的技能，也是培養學生一絲不茍的工匠精神的主要途徑。

在上單片機技術實訓課程中，由于任教的是城軌信號訂單班的學生，課堂中重在培養學生的動手能力，所以要設計好實訓內容來提高學生動手能力，并培養訂單生的工匠精神。學生在上單片機課程時已經會使用STC12系列單片機，能進行簡單的編程。根據教學內容選擇了光敏傳感器模塊、28BYJ-48步進電機，要求實現的功能為：（1）能通過按鍵來選擇控制系統是工作在自動模式還是手動模式，默認是自動模式；（2）如果控制系統工作在自動模式要求光照強時電機正轉4圈即停止轉動，光照弱時電機反轉4圈即停止轉動；（3）如果是手動模式，可以手動控制電機正轉、反轉、停止。

1 器件選擇和工作原理分析

由于分析電路工作原理是高職學生的弱項，本實訓直接購買了光敏電阻傳感器模塊和28BYJ-48步進電機。光敏電阻傳感器模塊有4個引腳，分別是VCC、GND、AO、DO，本次實訓先使用DO數字輸出引腳，充分發揮高職學生喜歡動手的特點，接好電源線和GND，模塊的電源燈LED1點亮，把光敏電阻對準光源，光敏電阻傳感器模塊的狀態燈LED2點亮，用萬用表測量DO引腳電壓為4.97 V，如果測量電壓只有3 V左右，要調節光敏電阻傳感器模塊上的滑變，直到DO輸出5 V左右；遮擋住光敏電阻，LED2燈滅，萬用表測量DO引腳是0 V。28BYJ-48步進電機直接使用了ULN2003芯片驅動模塊，采用的是4相5線5 V供電。28BYJ-48電機是4相8拍，參數表中的減速比為1：64，即轉子轉64圈，最終輸出軸才會轉一圈，步距角是5.625度，即1個脈沖信號轉子轉5.625度，64個信號轉360度。本實訓采用的是4相4拍制，需要2 048個節拍輸出軸才轉過一圈，如果采用是4相8拍要64×64=4 096個節拍輸出軸才轉一圈。系統工作原結構圖如圖1所示，光敏模塊DO接STC12的P10，K1、K2、K3、K4分別接在STC12的P30、P31、P32、P33，ULN2003驅動板接P20、P21、P22、P23。其中K1是自動、手動模式切換按鍵，K2是正轉按鍵，K3是反轉按鍵，K4是停止按鍵。

圖1 系統工作原結構圖

2 電機旋轉狀態分析

本次實訓使用的是4相4拍，只要4位數據就能完成，分別是P20、P21、P22、P23四個I/O口。定義了4個位變量，分別對應電機的A、B、C、D四相。

停止函數為：

上次實訓已經完成了按鍵和LCD1602的知識訓練，本次實訓不深入講解。由于電機在自動狀態下只能轉4圈，要定義變量記住電機的旋轉方向，變量分別是unsigned char kai_max=1,guan_max=1；

3 整體功能實現

3.1 自動狀態下光強控制

光線較強時，光敏模塊輸出為高電平，電機要正轉，但是要控制電機轉的方向，因此使用了組合條件，要同時滿足(guangmin_DO ==1)&&(guan_max==1)，電機才會正轉。電機轉四圈的計算由DJ_quanshu去控制電機正轉函數FWD()執行的次數，FWD()函數包括有4個脈沖：

當電機正轉四圈后，要為反轉和光線一直是強光做準備，電機轉了四圈后，即使是光照強電機也不能轉動，可修改電機旋轉方向變量guan_max=0，kai_max=1完成。分析代碼，電機轉完四圈后，guan_max的值為0，電機正轉的條件(guangmin_DO ==1)&&(guan_max==1)為假，故電機不轉，但反轉條件之一kai_max為1，即為反轉做好了準備。此kai_max,guan_max變量為互斥的關系。

3.2 自動狀態下光弱控制

光線較弱時，光敏模塊輸出為低電平，電機要反轉，但是要控制電機轉的方向，因此使用了組合條件要同時滿足(guangmin_DO ==0)&&(kai_max==1)，電機才會反轉，電機轉的脈沖數見正轉分析。關鍵代碼為：

當電機反轉四圈后，要為正轉和光線一直是弱光做準備，即使是弱光電機也不能轉動，可修改電機旋轉方向變量guan_max=1，kai_max=0。分析代碼，電機轉轉完四圈后，kai_max的值為0，電機反轉條件(guangmin_DO==0)&&(kai_max==1)為假，故電機不轉，但正轉條件之一guan_max為1，即為正轉做好準備。

3.3 手動控制模式

手動模式中調用鍵盤掃描函數，如果K2鍵按下，zheng_flag置1，如果K3鍵按下，fan_flag置1，在正反轉過程中再調用鍵盤掃描函數，如果K4鍵按下，ting_flag置1，并調用電機停轉函數，下面以正轉為例分析：

當滿足正轉條件，進入電機正轉循環，一直調用FWD()函數，電機正轉。在FWD()后調用了鍵盤掃描函數，只要K4鍵按下，ting_flag被置1并且調用電機停止轉動函數，電機停止轉動，代碼最后把zheng_flag清0了，改變了電機正轉的條件，如果其它條件沒有改變，電機暫時不會正轉。電機的反轉和停止旋轉的過程分析同電機的正轉分析。

3.4 自動和手動模式選擇

實訓設計了自動和手動模式轉換，默認為自動模式，按K1鍵進行自動、手動模式切換。程序中定義了變量Auto_Flag，初值為1，Auto_Flag==1條件成立，控制系統執行自動模式。在執行自動模式中，調用鍵盤掃描函數，檢測是不是有K1按下，如果檢測到K1按下，把Auto_Flag取反，取反后Auto_Flag為0，Auto_Flag==1不成立，不執行自動模式，但Auto_Flag==0是成立的，進入手動模式的代碼。在手動模式過程中同樣調用鍵盤掃描函數，檢測K1是否按下，如果檢測到K1按下，把Auto_Flag置1，手動執行Auto_Flag==0條件不成立，自動模式條件成立，系統進入自動模式。

4 實訓效果測試

按圖1連接好模塊，把光敏電阻對著光源，可以觀察到光敏模塊上輸出狀態指示的綠燈點亮，電機正轉四圈后停止轉動，遮擋住光源，光敏模塊上輸出狀態指示燈滅，電機反轉四圈后停止轉動。任意時刻按下K4鍵，電機停止轉動，再按下K2鍵，電機正轉，正轉過程中，按下K4鍵電機停止轉動，按下K3鍵電機反轉，反轉過程中按下K4鍵，電機停止轉運。經過測試，滿足引言中提出的實驗要求，達到了實訓目的。

5 結 論

為了培養城軌信號專業現代學徒制訂單班學生邏輯思維能力和工匠精神，設計了基于STC12單片機控制電機的實訓，要求控制系統能通過按鍵切換成自動、手動模式。工作在自動模式時，光照強時，電機正轉四圈，光照弱時電機反轉四圈，并能切換到手動工作模式。工作在手動模式時，通過按鍵控制電機的正轉、反轉，能隨時停止電機轉動，并能切換到自動工作模式，光照的強弱、電機的狀態能在LCD1602屏上顯示。通過實訓鍛煉了訂單生邏輯思維能力，提高了提手能力；實訓過程中注重培養學生一絲不茍的實訓態度，下課后通過實訓室6S管理培養學生的勞動意識，通過設計該實訓培養了訂單生的工匠精神。