机电控制实训单片机系统研发

　　摘要：自主研制一种基于单片机的机电控制实训平台。该平台由单片机主控单元及多个独立的功能模块单元组成, 主控单元支持51或AVR系列单片机, 各个功能模块独立设计, 并可利用杜邦线进行组合连接。平台可实现单片机基本控制功能及典型机电控制功能, 包括直流电机和微型步进电机的调速与换向控制、舵机的角度定位控制。该实训台已经应用于实际教学中, 改善了实验条件, 充实了教学内容, 提高了教学效果, 有效提高了学生的创新意识和工程实践能力。

　　关键词：机电控制; 实训平台; 单片机;

　　Abstract：A mechanical and electrical control training platform based on SCM is independently developed.This platform consists of the SCM main control unit and a number of independent functional module units.The main control unit supports 51 or AVR series SCMs, and each functional module is designed independently and can be combined and connected with the Dupont line.The platform can realize the SCM basic control function and typical mechanical and elctrical control function, which includes the speed control and commutation control of the DC motor and micro stepping motor, and the angle positioning control of the rudder.This training platform has been applied to practical teaching, which improves the experimental conditions, enriches the teaching content, increases the teaching effect, and effectively enhances students' innovative awareness and engineering practical ability.

　　Keyword：mechunical and electrical control; training platform; SCM;

　　实践教学是高等学校培养大学生创新意识和创新能力的关键环节, 结合专业特色, 开展相应的实践教学环节具有重要作用[1-2]。电工电子实训以培养学生电工电子相关技术为基础, 增强学生对电工电子技术的实践能力[3-9]。单片机是一个小而完善的微型计算机系统, 在工业控制、智能仪器、网络和通信、汽车电子等领域应用广泛。对于机类及近机类大学生来说, 熟悉并掌握单片机在机电控制领域中的应用技术是十分必要的[10-12]。

　　工程训练中心开设的电工电子实训承担机类及近机类学生电工电子实训教学, 但由于专门面向机电控制应用的单片机实验台的缺乏, 因而基于机电控制应用的单片机实践教学工作难以深入开展。然而, 近年来国家级、省级大学生机械设计、电子设计和机器人设计等大赛中, 都涉及单片机控制技术的应用。只有加强大学生单片机控制技术应用实践能力的培养, 使学生能够将机械设计和控制技术有机结合, 才能真正实现教学目标, 提高大学生的实践应用能力。

　　本文设计一种基于单片机的机电控制实训平台, 该实训平台在完成单片机基本控制功能的前提下, 实现典型的机电控制功能, 是一个综合性的实训平台, 充实了实训教学内容, 改善了实验条件, 提高了教学效果。通过该实训台的学习, 学生在掌握单片机基本原理的基础上, 能够进一步锻炼机电结合的综合运用能力, 提高创新意识和创新实践能力。

　　1、实训平台整体功能设计

　　1.1、系统功能需求

　　实训平台由主控制单元及多个独立的功能单元模块组成:2个主控单元 (51和AVR单片机) , 输入单元, 输出单元, 电控制单元, 实时时钟单元, 直流供电单元, 电平驱动单元, 隔离电路单元 (固态继电器、光电耦合器) 等。实训平台整体功能框图见图1。

图1 实训平台功能框图

　　1.2、单元模块设计

　　设计过程中各个模块独立设计, 图2为实训平台的主控单元原理图。

图2 主控单元原理图

　　1.2.1、基本输入、输出单元和实时时钟单元

　　基本输入单元包括键盘单元 (独立按键和矩阵键盘) 、无线遥控接收单元。独立按键模块监控4个独立按键的状态并在LCD上显示。矩阵键盘模块实现监控4×4矩阵键盘的状态, 在LCD上显示被按下键的名称。无线遥控模块通过连接在单片机的无线遥控接收端, 监控无线遥控器上4个按键的状态, 编码芯片采用PT2262/2272。

　　基本输出单元包括LED显示单元、数码管显示单元、LCD显示单元和继电器输出单元。该部分通过多种方式让学生了解不同的显示方法和效果, 其中的电磁继电器模块通过无线遥控器的4个按键分别控制4个电磁继电器线圈, 每个继电器常开触点控制一个LED灯回路。

　　开发的实时时钟模块用于显示当前时间。该模块采用DS1302实时时钟电路, 可对年、月、日、时、分、秒进行计时。

　　1.2.2、机电控制单元

　　机电控制单元包括直流电机模块、微型步进电机模块和舵机模块。

　　(1) 直流电机模块:实现了电机的调速与正反转控制, 并在直流电机的转轴上加装了光电旋转码盘, 以实现对直流电机的转速测定。直流电机的控制由独立按键模块完成。图3是直流电机模块控制原理图。

　　(2) 微型步进电机模块:步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元件。选用28BYJ-48微型步进电机, 与无线遥控模块结合, 由无线遥控器控制步进电机的启动、停止、加速、减速及换向功能。图4是微型步进电机控制原理图。

图3 直流电机控制原理图

图4 微型步进电机控制原理图

　　(3) 舵机模块:舵机是一种位置伺服的驱动器, 适用于那些需要角度不断变化并可以保持的控制系统。在机器人机电控制系统中, 舵机控制效果是性能的重要影响因素, 舵机可以在微机电系统和航模中作为基本输出执行机构, 其简单的控制和输出使得单片机系统非常容易与之接口。平台选用辉盛SG5010舵机, 通过一个按键点控制舵机的角度定位, 并在数码管上显示。图5是舵机模块控制原理图。该模块可实现舵机的角度定位控制, 通过一个按键点动控制舵机在0°、45°、90°、135°和180°位置循环定位。

图5 舵机控制原理图

　　2、实训平台的组装

　　为方便进行功能组合与扩展, 以及便于以模块为单位对实训平台进行局部检修与替换, 实训平台将各个功能单元按独立的PCB板进行设计, 每块PCB板均留有针式连接端子, 单元模块间利用杜邦线进行组合连接, 实验时选取的功能单元通过连接电源转接单元进行供电。主要单元的PCB板通过螺丝固定在同一底板上, 底板材料选用绝缘性良好的环氧树脂或有机玻璃。各单元在底板上的安装布局见图6。

图6 各单元模块在底板上的安装布局

　　无线接收单元和LCD单元直接插接到单片机主控板上, 数码显示管单元和直流电机、步进电机、舵机固定在同一底板上, 安装布局见图7。

图7 数码管与电机在底板上的安装布局

　　各个电机通过杜邦线与对应的驱动单元进行连接。实验箱实物见图8。

图8 实验箱实物图

　　3、实训平台可完成的实验项目

　　实训平台可完成如下典型实验项目: (1) LED指示灯控制; (2) 数码管显示; (3) LCD显示西文字符串; (4) 独立按键的识别; (5) 矩阵键盘按键识别; (6) 无线遥控器的按键识别; (7) 继电器控制; (8) 实时时钟; (9) 直流电机控制; (10) 步进电机控制; (11) 舵机控制。

　　4、结语

　　本文紧密结合课程建设需要和使用对象的特点, 采用“专业性强、简单实用、使用灵活、易于扩展、维护便捷、成本低廉”的设计原则, 完成了小型机电控制实训平台的研制。本研究具有较强的创新性和实用性, 促进了电工电子实习课程建设的进一步发展, 丰富了学生的专业技术知识, 促进了多学科融合, 提高复合型、应用型人才培养的水平。

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