工匠精神融入城軌信號專業(yè)實訓(xùn)教學(xué)探究
——步進(jìn)電機自動控制實訓(xùn)設(shè)計

商林

（武漢交通職業(yè)學(xué)院，湖北 武漢 430065）

0 引 言

黨和國家在《關(guān)于深化教育體制機制改革的意見》《國家職業(yè)教育改革實施方案》中提出要創(chuàng)新人才培養(yǎng)方式、培養(yǎng)“德技并修”的高技能型人才。日常教學(xué)中教師要探索一條專業(yè)教育與德育彼此聯(lián)系，有機結(jié)合的方式，搭建“德技并修”育人實踐平臺。實踐教學(xué)是日常教學(xué)重要環(huán)節(jié)之一，它既可以培養(yǎng)學(xué)生的技能，也是培養(yǎng)學(xué)生一絲不茍的工匠精神的主要途徑。

在上單片機技術(shù)實訓(xùn)課程中，由于任教的是城軌信號訂單班的學(xué)生，課堂中重在培養(yǎng)學(xué)生的動手能力，所以要設(shè)計好實訓(xùn)內(nèi)容來提高學(xué)生動手能力，并培養(yǎng)訂單生的工匠精神。學(xué)生在上單片機課程時已經(jīng)會使用STC12系列單片機，能進(jìn)行簡單的編程。根據(jù)教學(xué)內(nèi)容選擇了光敏傳感器模塊、28BYJ-48步進(jìn)電機，要求實現(xiàn)的功能為：（1）能通過按鍵來選擇控制系統(tǒng)是工作在自動模式還是手動模式，默認(rèn)是自動模式；（2）如果控制系統(tǒng)工作在自動模式要求光照強時電機正轉(zhuǎn)4圈即停止轉(zhuǎn)動，光照弱時電機反轉(zhuǎn)4圈即停止轉(zhuǎn)動；（3）如果是手動模式，可以手動控制電機正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、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(xué)生的弱項，本實訓(xùn)直接購買了光敏電阻傳感器模塊和28BYJ-48步進(jìn)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(xùn)先使用DO數(shù)字輸出引腳，充分發(fā)揮高職學(xué)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(zhǔn)光源，光敏電阻傳感器模塊的狀態(tài)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(diào)節(jié)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(jìn)電機直接使用了ULN2003芯片驅(qū)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(shù)表中的減速比為1：64，即轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)64圈，最終輸出軸才會轉(zhuǎn)一圈，步距角是5.625度，即1個脈沖信號轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)5.625度，64個信號轉(zhuǎn)360度。本實訓(xùn)采用的是4相4拍制，需要2 048個節(jié)拍輸出軸才轉(zhuǎn)過一圈，如果采用是4相8拍要64×64=4 096個節(jié)拍輸出軸才轉(zhuǎn)一圈。系統(tǒng)工作原結(jié)構(gòu)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(qū)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(zhuǎn)按鍵，K3是反轉(zhuǎn)按鍵，K4是停止按鍵。

圖1 系統(tǒng)工作原結(jié)構(gòu)圖

2 電機旋轉(zhuǎn)狀態(tài)分析

本次實訓(xùn)使用的是4相4拍，只要4位數(shù)據(jù)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(yīng)電機的A、B、C、D四相。

停止函數(shù)為：

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

3 整體功能實現(xiàn)

3.1 自動狀態(tài)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(zhuǎn)，但是要控制電機轉(zhuǎn)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(zhuǎn)。電機轉(zhuǎn)四圈的計算由DJ_quanshu去控制電機正轉(zhuǎn)函數(shù)FWD()執(zhí)行的次數(shù)，F(xiàn)WD()函數(shù)包括有4個脈沖：

當(dāng)電機正轉(zhuǎn)四圈后，要為反轉(zhuǎn)和光線一直是強光做準(zhǔn)備，電機轉(zhuǎn)了四圈后，即使是光照強電機也不能轉(zhuǎn)動，可修改電機旋轉(zhuǎn)方向變量guan_max=0，kai_max=1完成。分析代碼，電機轉(zhuǎn)完四圈后，guan_max的值為0，電機正轉(zhuǎn)的條件(guangmin_DO ==1)&&(guan_max==1)為假，故電機不轉(zhuǎn)，但反轉(zhuǎn)條件之一kai_max為1，即為反轉(zhuǎn)做好了準(zhǔn)備。此kai_max,guan_max變量為互斥的關(guān)系。

3.2 自動狀態(tài)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(zhuǎn)，但是要控制電機轉(zhuǎn)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(zhuǎn)，電機轉(zhuǎn)的脈沖數(shù)見正轉(zhuǎn)分析。關(guān)鍵代碼為：

當(dāng)電機反轉(zhuǎn)四圈后，要為正轉(zhuǎn)和光線一直是弱光做準(zhǔn)備，即使是弱光電機也不能轉(zhuǎn)動，可修改電機旋轉(zhuǎn)方向變量guan_max=1，kai_max=0。分析代碼，電機轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)完四圈后，kai_max的值為0，電機反轉(zhuǎn)條件(guangmin_DO==0)&&(kai_max==1)為假，故電機不轉(zhuǎn)，但正轉(zhuǎn)條件之一guan_max為1，即為正轉(zhuǎn)做好準(zhǔn)備。

3.3 手動控制模式

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

當(dāng)滿足正轉(zhuǎn)條件，進(jìn)入電機正轉(zhuǎn)循環(huán)，一直調(diào)用FWD()函數(shù)，電機正轉(zhuǎn)。在FWD()后調(diào)用了鍵盤掃描函數(shù)，只要K4鍵按下，ting_flag被置1并且調(diào)用電機停止轉(zhuǎn)動函數(shù)，電機停止轉(zhuǎn)動，代碼最后把zheng_flag清0了，改變了電機正轉(zhuǎn)的條件，如果其它條件沒有改變，電機暫時不會正轉(zhuǎn)。電機的反轉(zhuǎn)和停止旋轉(zhuǎn)的過程分析同電機的正轉(zhuǎn)分析。

3.4 自動和手動模式選擇

實訓(xùn)設(shè)計了自動和手動模式轉(zhuǎn)換，默認(rèn)為自動模式，按K1鍵進(jìn)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(tǒng)執(zhí)行自動模式。在執(zhí)行自動模式中，調(diào)用鍵盤掃描函數(shù)，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(zhí)行自動模式，但Auto_Flag==0是成立的，進(jìn)入手動模式的代碼。在手動模式過程中同樣調(diào)用鍵盤掃描函數(shù)，檢測K1是否按下，如果檢測到K1按下，把Auto_Flag置1，手動執(zhí)行Auto_Flag==0條件不成立，自動模式條件成立，系統(tǒng)進(jìn)入自動模式。

4 實訓(xùn)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(tài)指示的綠燈點亮，電機正轉(zhuǎn)四圈后停止轉(zhuǎn)動，遮擋住光源，光敏模塊上輸出狀態(tài)指示燈滅，電機反轉(zhuǎn)四圈后停止轉(zhuǎn)動。任意時刻按下K4鍵，電機停止轉(zhuǎn)動，再按下K2鍵，電機正轉(zhuǎn)，正轉(zhuǎn)過程中，按下K4鍵電機停止轉(zhuǎn)動，按下K3鍵電機反轉(zhuǎn)，反轉(zhuǎn)過程中按下K4鍵，電機停止轉(zhuǎn)運。經(jīng)過測試，滿足引言中提出的實驗要求，達(dá)到了實訓(xùn)目的。

5 結(jié) 論

為了培養(yǎng)城軌信號專業(yè)現(xiàn)代學(xué)徒制訂單班學(xué)生邏輯思維能力和工匠精神，設(shè)計了基于STC12單片機控制電機的實訓(xùn)，要求控制系統(tǒng)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(zhuǎn)四圈，光照弱時電機反轉(zhuǎn)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(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)，能隨時停止電機轉(zhuǎn)動，并能切換到自動工作模式，光照的強弱、電機的狀態(tài)能在LCD1602屏上顯示。通過實訓(xùn)鍛煉了訂單生邏輯思維能力，提高了提手能力；實訓(xùn)過程中注重培養(yǎng)學(xué)生一絲不茍的實訓(xùn)態(tài)度，下課后通過實訓(xùn)室6S管理培養(yǎng)學(xué)生的勞動意識，通過設(shè)計該實訓(xùn)培養(yǎng)了訂單生的工匠精神。