基于單片機的機電控制實訓平臺設計

王琳霖, 王 偉, 曹國強, 王亞杰

(沈陽航空航天大學 工程訓練中心, 遼寧 沈陽 110136)

實踐教學是高等學校培養大學生創新意識和創新能力的關鍵環節,結合專業特色,開展相應的實踐教學環節具有重要作用[1-2]。電工電子實訓以培養學生電工電子相關技術為基礎,增強學生對電工電子技術的實踐能力[3-9]。單片機是一個小而完善的微型計算機系統,在工業控制、智能儀器、網絡和通信、汽車電子等領域應用廣泛。對于機類及近機類大學生來說,熟悉并掌握單片機在機電控制領域中的應用技術是十分必要的[10-12]。

工程訓練中心開設的電工電子實訓承擔機類及近機類學生電工電子實訓教學,但由于專門面向機電控制應用的單片機實驗臺的缺乏,因而基于機電控制應用的單片機實踐教學工作難以深入開展。然而，近年來國家級、省級大學生機械設計、電子設計和機器人設計等大賽中,都涉及單片機控制技術的應用。只有加強大學生單片機控制技術應用實踐能力的培養,使學生能夠將機械設計和控制技術有機結合,才能真正實現教學目標,提高大學生的實踐應用能力。

本文設計一種基于單片機的機電控制實訓平臺,該實訓平臺在完成單片機基本控制功能的前提下,實現典型的機電控制功能,是一個綜合性的實訓平臺，充實了實訓教學內容,改善了實驗條件,提高了教學效果。通過該實訓臺的學習,學生在掌握單片機基本原理的基礎上,能夠進一步鍛煉機電結合的綜合運用能力,提高創新意識和創新實踐能力。

1 實訓平臺整體功能設計

1.1 系統功能需求

實訓平臺由主控制單元及多個獨立的功能單元模塊組成：2個主控單元(51和AVR單片機)，輸入單元，輸出單元，電控制單元，實時時鐘單元，直流供電單元，電平驅動單元，隔離電路單元(固態繼電器、光電耦合器)等。實訓平臺整體功能框圖見圖1。

圖1 實訓平臺功能框圖

1.2 單元模塊設計

設計過程中各個模塊獨立設計,圖2為實訓平臺的主控單元原理圖。

圖2 主控單元原理圖

1.2.1 基本輸入、輸出單元和實時時鐘單元

基本輸入單元包括鍵盤單元(獨立按鍵和矩陣鍵盤)、無線遙控接收單元。獨立按鍵模塊監控4個獨立按鍵的狀態并在LCD上顯示。矩陣鍵盤模塊實現監控4×4矩陣鍵盤的狀態,在LCD上顯示被按下鍵的名稱。無線遙控模塊通過連接在單片機的無線遙控接收端,監控無線遙控器上4個按鍵的狀態,編碼芯片采用PT2262/2272。

基本輸出單元包括LED顯示單元、數碼管顯示單元、LCD顯示單元和繼電器輸出單元。該部分通過多種方式讓學生了解不同的顯示方法和效果,其中的電磁繼電器模塊通過無線遙控器的4個按鍵分別控制4個電磁繼電器線圈,每個繼電器常開觸點控制一個LED燈回路。

開發的實時時鐘模塊用于顯示當前時間。該模塊采用DS1302實時時鐘電路,可對年、月、日、時、分、秒進行計時。

1.2.2 機電控制單元

機電控制單元包括直流電機模塊、微型步進電機模塊和舵機模塊。

(1) 直流電機模塊:實現了電機的調速與正反轉控制,并在直流電機的轉軸上加裝了光電旋轉碼盤,以實現對直流電機的轉速測定。直流電機的控制由獨立按鍵模塊完成。圖3是直流電機模塊控制原理圖。

(2) 微型步進電機模塊:步進電機是將電脈沖信號轉變為角位移或線位移的開環控制元件。選用28BYJ-48微型步進電機,與無線遙控模塊結合,由無線遙控器控制步進電機的啟動、停止、加速、減速及換向功能。圖4是微型步進電機控制原理圖。

圖3 直流電機控制原理圖

圖4 微型步進電機控制原理圖

(3) 舵機模塊:舵機是一種位置伺服的驅動器,適用于那些需要角度不斷變化并可以保持的控制系統。在機器人機電控制系統中,舵機控制效果是性能的重要影響因素,舵機可以在微機電系統和航模中作為基本輸出執行機構,其簡單的控制和輸出使得單片機系統非常容易與之接口。平臺選用輝盛SG5010舵機,通過一個按鍵點控制舵機的角度定位,并在數碼管上顯示。圖5是舵機模塊控制原理圖。該模塊可實現舵機的角度定位控制,通過一個按鍵點動控制舵機在0°、45°、90°、135°和180°位置循環定位。

圖5 舵機控制原理圖

2 實訓平臺的組裝

為方便進行功能組合與擴展,以及便于以模塊為單位對實訓平臺進行局部檢修與替換,實訓平臺將各個功能單元按獨立的PCB板進行設計,每塊PCB板均留有針式連接端子,單元模塊間利用杜邦線進行組合連接,實驗時選取的功能單元通過連接電源轉接單元進行供電。主要單元的PCB板通過螺絲固定在同一底板上,底板材料選用絕緣性良好的環氧樹脂或有機玻璃。各單元在底板上的安裝布局見圖6。

圖6 各單元模塊在底板上的安裝布局

無線接收單元和LCD單元直接插接到單片機主控板上,數碼顯示管單元和直流電機、步進電機、舵機固定在同一底板上,安裝布局見圖7。

圖7 數碼管與電機在底板上的安裝布局

各個電機通過杜邦線與對應的驅動單元進行連接。實驗箱實物見圖8。

圖8 實驗箱實物圖

3 實訓平臺可完成的實驗項目

實訓平臺可完成如下典型實驗項目:(1) LED 指示燈控制；(2)數碼管顯示；(3) LCD 顯示西文字符串；(4)獨立按鍵的識別；(5)矩陣鍵盤按鍵識別；(6)無線遙控器的按鍵識別；(7)繼電器控制；(8)實時時鐘；(9)直流電機控制；(10)步進電機控制；(11)舵機控制。

4 結語

本文緊密結合課程建設需要和使用對象的特點,采用“專業性強、簡單實用、使用靈活、易于擴展、維護便捷、成本低廉”的設計原則,完成了小型機電控制實訓平臺的研制。本研究具有較強的創新性和實用性,促進了電工電子實習課程建設的進一步發展,豐富了學生的專業技術知識,促進了多學科融合,提高復合型、應用型人才培養的水平。

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