電子線路故障檢修實訓裝置設計

杭州市蕭山區高級技工學校 魏金靈

電子線路故障檢修實訓裝置設計

杭州市蕭山區高級技工學校 魏金靈

傳統的電子線路故障檢修實訓裝置，多采用分立元件搭建的電路板進行訓練，學生考核的依據是能否出現正確的電路現象，若學生只排除了部分故障，教師較難給出成績。學生學習的難度較大，學習積極性不高，甚至產生畏難情緒。本文設計的電子線路故障檢修實訓裝置，可以練習電子線路的故障排除方法，掌握常用的電子線路檢修的基本技能。裝置中設有觸摸屏模塊，學生能通過屏幕中的幫助指南自主學習故障檢修，從而減少了教師的授課量，并且增加了學生學習的主動性。

電子電路；故障檢修；實訓設備；Atmega128

1 引言

隨著科技的飛速發展,各種電子設備在各行各業和人們的日常生活當中得到了廣泛的應用,而在其使用過程中受到各種因素的影響,難免會發生故障,影響正常的生產、生活、科研、學習等。因此,加強電子電路常見故障排除方法的研究具有十分重要的現實意義。

電子線路故障檢修實訓裝置(以下簡稱故障檢修裝置)可作為維修電工、無線電調試工職業技能訓練教學設備,可以練習電子線路的故障排除方法,掌握常用電子線路檢修的基本技能。也以作為技能鑒定考核設備,相比普通的故障檢修設備,其具有操作簡單、方便等優點。設計采用集中管理控制,減少在技能考核中的人為因素。

2 系統方案

2.1 系統總體構成

電子線路故障檢修實訓系統由上位機和若干臺故障檢修裝置組成,如圖1所示。每個組成單元的功能如下:

圖1 實訓故障檢修系統構成

(1)上位機:負責教師端的數據發送,將教師設定的故障信息發送到故障裝置中。

(2)故障裝置:負責將上位機發來的故障命令設置成對應的故障點,同時也負責將學生的排除故障的信息返回給上位機。

(3)無線模塊:組建一個無線網絡,實現上位機與故障裝置之間、故障裝置與故障裝置之間的信息的傳遞。

2.2 裝置結構組成

故障檢修裝置由無線模塊、MCU(微處理器)控制模塊、觸摸屏HMI模塊、繼電器控制模塊以及單元電路板等模塊組成,如圖2所示。

圖2 故障檢修裝置構成

下面簡單介紹每個組成模塊的功能:

(1)MCU控制模塊:MCU控制模通過接受無線模塊或者觸摸屏HMI模塊的信息,控制繼電器模塊將故障點下發到單元電路板中。

(2)觸摸屏HMI模塊:觸摸屏HMI模塊負責訓練學生排故,在屏幕中設置有訓練模式,通過點擊觸摸屏上的設置故障按鈕,就能在單元電路設置故障。另外在觸摸屏中設置有幫助指南畫面,可以幫助學生自主學習單元電路板電路,提高學習興趣,增強同學的學習興趣。

(3)繼電器控制模塊:繼電器控制模塊負責執行MCU發送來的故障信息,設置對應電路板的故障點。

(4)無線模塊:無線模塊負責將故障檢修裝置同上位機和其他故障檢修裝置連接起來,讀出上位機發來的信息傳遞給MCU,或者將MCU的發送信息發送到上位機或者其他裝置。

(5)單元電路板:故障檢修裝置一共有5塊單元電路板,分別是:串聯穩壓電源、調光燈、晶體管時間繼電器、基于LM324的信號發生器、簡易數字電容表。這些單元電路板都是模擬電路和數字電路最常見的電路,學生比較容易接受,利用繼電器將電路中的導線斷路或者短路,就能設置故障點。

3 系統功能設計

故障箱設有三種工作模式,其中模式一是固定訓練模式和模式二是隨機故障點訓練模式,都是由各個故障箱的觸摸屏控制端進行設定,第三種模式是考核模式,是由教師端通過無線局域網絡控制。

(1)模式一是固定模式,在該故障箱的控制系統內設有一定數量的故障組,并且是針對各單元電路故障點固定設置,所以學者可以選擇針對某一故障訓練,有針對性的熟練某一知識點。

(2)模式二是隨機模式,在該故障箱的控制系統隨機設有一定數量的故障組,每一故障組的故障點是隨機提供的,沒有確定性,所以這種模式是在模式一的基礎上設置的,難度相對提高,要對各個單元電路原理熟悉,以及熟練掌握故障檢修方法。

(3)模式三是考核模式,這種模式是學生在訓練期間看不到的,此模式作為考核鑒定,是教師端通過無線局域網絡集中控制的,有電源管理、故障設置管理以及成績統計管理等功能。

4 硬件設計

4.1 控制系統設計

該系統以ATmega128L單片機為核心器件,其模塊的工作原理是:單片機讀取無線模塊和觸摸屏的信息,將設置故障指令下發到繼電器模塊,設置故障點。其中單片機需要一定的外接電路才能正常工作即單片機最小系統,主要包括ATmega128L單片機、復位電路和時鐘電路。

4.2 觸摸屏HMl模塊

觸摸屏HMI模塊是故障檢測裝置的人機交互界面,學生通過點擊觸摸屏的按鍵,就能簡單、方便的設置電路故障點。觸摸屏模塊的選取也決定了故障檢測裝置的是否易于操作。

4.3 繼電器控制模塊

4.3.1 I/O端口拓展電路

由于單片機輸入輸出接口的數量有限,為了達到對40個故障點的設置,必須對單片機的輸入輸出接口數量進行擴展。擴展電路采用5片具有串入并出功能的芯片74LS595級聯來實現,只要占用單片機3個I/O口,即可完成對40路輸出的獨立控制。

4.3.2 繼電器驅動電路

由于I/O拓展芯片74LS595的驅動能力有限,不能直接用來驅動繼電器,所以我們采用大電流負載芯片ULN2803驅動繼電器。拓展芯片74LS595輸出的電平經過光耦隔離后,驅動ULN2803,負載驅動芯片驅動繼電器線圈,繼電器的觸點接入單元電路板的支路中,當繼電器觸點得電觸點閉合,該路接通;當繼電器線圈失電時觸點斷開,單元電路板出現故障,

4.4 單元電路板電路設計分析

故障檢修裝置一共有5塊單元電路板,分別是:串聯穩壓電源、調光燈、晶體管時間繼電器、基于LM324的信號發生器、簡易數字電容表。這5個電路既有模擬電路又有數字電路,其中調光燈電路和簡易數字電容表現象比較易于觀察,而串聯穩壓電源電路則是模電的基礎電路,由此看出選取的單元電路都是很有代表性的。

4.5 電源模塊設計

根據設計需求,故障檢測裝置可兩部分組成,分別為控制電路供電電源和單元電路板供電電源。

5 軟件設計

程序編寫采用的是模塊編程的思路,包括主程序、系統參數設定子程序、模塊初始化子程序、通信子程序、I/O拓展子程序等模塊,其軟件流程圖如圖3所示。

圖3 系統軟件流程圖

觸摸屏采用了迪文DUGS串口屏,這種串口觸摸屏配置簡單,不需要在屏幕上編寫程序,只要配置觸控畫面即可,畫面結構包括用戶登陸、訓練模式選擇、幫助模式三級頁面,如圖4所示。