基于单片机的机床故障系统设计与实现

梁镇杰

摘 要：在维修电工中级和高级考证实操项目中，机床故障柜是其中一个重要的考核内容。制造故障的方法很简单，只要切断或短路相应的电路就可以了。但是，由于继电器的数量众多，如果在现场人工进行这项工作，既费时费力，又不易控制，也不方便对学生进行检查。为此，要求设计一台专用仪器，可以通过仪器上的键盘来控制各个接触器或继电器的“通”和“断”，这样教师设置故障方便，也便于考核学生。故障柜改造后的实践证明，提高了设置故障时的效率和保密性，为教师和学生的实践带来了便利。

关键词：故障柜 单片机 继电器

机床电气控制线路使用了大量的接触器和继电器。一旦接触器和继电器的线圈或开关出现异常，机床在运行时就会产生各种各样的故障。为了避免问题进一步扩大，就需要找出故障点并进行维修或更换零件。这对于机床的安全、可靠性显然大有好处，但同时也给机床的维修带来了更高的要求。目前采用的教学方法是利用一台机床电气控制柜进行现场教学，上课时人为地“制造”一些故障，以此来训练学生以及检查学生的掌握情况。

一、系统分析与设计

以T68卧式镗床为例，有15个故障点，需要控制15路通断。系统的结构如图1所示，它是仅需进行通断控制的示意图。实际工作时，将控制线路中的接触器或继电器的引线切断，再将两端分别接到继电器的触点两端即可。

使用两个继电器，左侧的继电器触点用于断开电路，另一个继电器的常开触点与接触器的常开触头并联，用于闭合电路。

1.开关选择

设计中遇到的第1个问题是开关的选择。如果选用电子开关，则设计、制造较方便；但如果出现超压、过流等就会影响电子开关工作的可靠性，为此我们不采用电子开关，而采用机械开关——继电器。

2.仪器结构

设计中遇到的第2个问题是仪器的结构。该机有较多的输入、输出通道，一共使用15只小型继电器。如果采用常规的方法来设计，把15只继电器装在一块板上，必将使得印制板、机箱体积庞大。仪器是专用的，只做一台。印刷线路板面积大，初次制版价格昂贵，因此导致项目费用增加；而且若将所有继电器安装于一块板上，其大量的引线将会造成制作困难，并且可靠性也难以保证。为此我们采用总线式概念设计，图2是仪器总体结构示意图。使用一块主控制板，将CPU安装在主控制板上。使用3块开关板，在每块开关板上安装5只继电器，每块开关板的结构完全一样，接口采用总线的概念，地址可变。因此3块开关印刷电路板完全相同，只要在安装时改变各块板的地址即可。这样设计之后，开关板采用单面板设计，且面积缩小了很多，大大降低了制作成本。

3.引线结构

设计中遇到的第3个问题是引线的结构。由于仪器共有15路输出，也就是有30根引线接出，如果不处理好，必成一团乱麻。考虑到易制作、易用等方面的因素，并参考用户意见，最后确定使用32个引脚的航空插头实现引线的接出。航空插座安装于仪器的后面板。

4.输入输出设备选择

设计中遇到的第4个问题是键盘和显示器的选择。由于采用LED显示器，显示器的安装方式是个大问题，要安装得既美观又不能花很多精力在外观的设计和制作上，为此决定尽量选用现成的面板。经过市场考察，市面上有一类嵌入式仪表，外观比较漂亮，而且安装也很方便，只要在面板上开孔嵌入即可。但是购买现成的仪表并不能满足项目的需求，因此，需要利用这种嵌入式仪表的表框，而电路部分需要自行制作。

这里采用了74HC164构成的静态显示电路。这个仪表框可以安装2只LED数码管，也就是只能有2位LED显示。由于该项目中只需要用到2位，所示其完全可以使用。这样制作好后的显示部件仅使用4根线与主电路相连，非常简洁，制作方便。

5.键盘选择

设计中遇到的第5个问题是键盘。按用户要求，并考虑操作的易用性，必须要有0～9共10个数字键，再加上其他一些功能键，键的数量比较多。如果采用轻触按键自行制作，既不太美观，安装也不方便。较好的办法是定做薄膜键盘，但定做一块薄膜键盘的一次性花费较高。于是我们又进行市场考察，发现市场上有一种通用的薄膜键盘销售，有0～9共10个数字键和A～F共6个字母键，价格低廉，而且用户也认可这种键盘。

在解决了上面的一些问题之后，即可开始进行电路设计。主控板采用89C52单片机控制，89C52单片机工作于单片模式，不进行外部存储器的扩展，可以使用全部的32根I/O口线。图3是主控板的电路原理图。从图中可以看出，P1口被用于键盘正好构成4×4键盘，通过JS1与薄膜键盘的引线相连；串行口被用于输出显示，由JS4与构成串行显示的电路板相连；由于P0口有较强的输出能力，因而被用来驱动开关板，它的输出接到一个8针的接线端子；而P2口则构成地址译码电路，用于控制不同的开关板。

开关板由74HC573锁存器构成，可以把74HC573的功能描述为：当控制端LE为高电平时，输出端（Q0～Q7）和输入端（D0～D7）相连，因此，输出端的状态与输入端相同。当控制端LE是低电平时，输出端（Q0～Q7）与输入端（D0～D7）断开连接，并且保持原来的状态；或者说当控制端LE是低电平时，即便输入端（D0～D7）的状态发生变化，输出端（Q0～Q7）的状态也不会随之改变。

由74HC573构成的开关板电路如图4所示。从图中可以看出，74HC573的8个输入端接到一个接线端子（DATA SCOK）上，这个端子将通过电缆与其他所有开关板的同一端子并联，并接到主控制板的P0口。3块开关板的锁存端则通过跳线的方式接端子的不同引脚，然后接到主控制板的JS3端子，从而获得不同的地址。例如，第一块开关板的锁存端接ADD0，则该控制板就由P2.0引脚控制，其他各块板可以分别接ADD1～ADD2。这样3块板的锁存端就由单片机P2口的不同引脚控制，从而可以区分开。

二、设计要求

1.初始化

按下电源开关，开关上的电源指示灯应发亮，开始工作。此时显示器应显示88，并延时1s，然后显示字母H。使用时可以据此了解电路工作是否正常。

2.按键设置

按下键盘上的数字键，该数字出现在显示器的最后一位上。连续按键，则数字依次前推。当2位显示器上显示的数值与所希望输入的代码相同时，按下A键，显示器闪烁一次，表示该代码已被机器认可，并执行相应动作。如果显示器上的代码不是该机合法输入代码，按下A键后，显示器不闪烁，该代码也不会被接受。例如，第一次按下0，则显示器显示0；再次按下2，则显示器显示02；按下A键，即可执行。如果在显示同一个代码时连续多次按下A键，会发现每次显示器都闪烁，表示代码被多次读入，但这不影响该机的正常使用。如果输入时按错了键，也不必理会，可以重新输入直到显示器上显示数值是所希望的代码为止。例如，需按12，不小心在按1键时多按一下，变成了11，此时可以再按1，然后按2，直到显示器上出现12为止，然后再按下A键即可执行。

B键的功能是切换显示器的显示与不显示。这是一个开关键，反复按下B键，将使显示器交替显示和不显示。这个功能用于学生的考核。教师在进行一些设置后，可以用这个键把显示器关闭，然后由学生用仪器来判断故障。这样不必担心学生看到教师预设的代码。

C键是开关重置键，按下这个键，将使所有开关处于接通位置。

3.代码说明

该机可用的合法代码如下：

01～15：分别将第1路到第15路开关S1断开。即输入代码01将使第1路处于“断开”位置，输入02将使第2路处于“断开”位置，依次类推。这15个代码不检查原始状态，即不管原先开关是否断开，按下这些代码总使相应开关处于断开位置。

16～30：分别将第1路到第15路开关接通。即输入代码16，将使第1路处于接通状态，依次类推。这15个代码不检查原始状态，即不管原先开关是否接通，按下这些代码总使相应开关处于接通位置。在按下代码16～30时，将同时使相应位的S2处于接通位置。

原则上，不限制依次输入代码的次数，即最多可以同时让15个开关都处于断开或闭合状态。当不通电时，继电器不吸合，所有开关均处于初始位置，保证接触器处于接通或断开位置。这样如果出现故障时，可以临时断电，不影响接触器的正常使用。

三、部分程序说明

程序中有一部分是关于显示的。仔细观察程序可以发现，显示部分的程序中有一个计数器，当该计数器计满255后就会向显示部分发送一次数据。按理说用74HC164作为显示，是一种静态显示设计，只有在需要进行数据更新时才需要刷新，但这里却在不断地刷新。这样做是因为74HC164是一种串行器件，易受到干扰，它的时钟端只要有脉冲输入，就会产生移位，出现错误。这台仪器的主机和显示器部分是用电缆连接的，容易受到外界信号的干扰。在实际实验时，如果不采取措施，那么拔插电烙铁所造成的干扰也足以使显示混乱，这当然不行。要解决这个问题，可以从硬件和软件两个方面着手，该机中没有采用过多的硬件措施，而是用软件的方法，那么在1s过后就会恢复正常。之所以采用这种方法，是因为在工作现场的干扰并不严重，难得会遇上一次干扰。如果工作现场的干扰非常严重，干扰不断出现，就不能采用这种方法，否则会严重影响显示质量。

这里采用了每255个工作周期刷新一次而不是每个工作周期都刷新，是由于74HC164没有门控端，每次刷新都会通过每根输出线反映在显示器上。如果每个工作循环都刷新一次，会造成显示器严重的“串红”现象，也就是会造成显示器的对比度下降，这是不可接受的。因此我们采用了大约1s刷新一次的方法，给人的主观感受会好很多。另一个关键是，这种方式是开发者与用户协商，是用户感到可以接受的，所以才采用了这种方式。

四、小结

新的教学设备着眼于拓宽学生的基础，开发潜质，培养学生学会学习，具备专业学习的能力，不仅满足当前从事工作的需要，同时也为今后终身学习搭建一个良好的平台。

这样更多的老师有机会接触设备，从不懂到懂，最后能承担该门课程的教学。再一点，由于课程是围绕高级维修电工的教学大纲制定的，考核内容与上课内容密切联系，通过多次的考核验证，该门课程的通过率是比较高的。

存在的不足之处：由于设备结构复杂，一旦出现故障，维护不到位，就会造成实验设备的损失，影响正常的教学秩序。在教学手段方面还有待提高，例如可以利用仿真手段进行辅助教学，从而达到多方位锻炼学生实践能力的目的。

参考文献：

[1]郭志勇.单片机应用技术项目教程[M].北京：中国水利水电出版社， 2014.

[2]周坚.单片机轻松入门（2版）[M].北京：北京航空航天大学出版社， 2011.

[3]郑锋，王巧芝，李英建，刘瑞国.51单片机应用系统典型模块开发大全（3版）[M].北京：中国铁道出版社，2013.

[4]张俊.匠人手记：一个单片机工作者的实践与思考（2版）[M].北京：北京航空航天大学出版社，2014.

[5]李江全.单片机通信与控制应用编程实例[M].北京：中国电力出版社， 2012.

[6]辛喆.基于单片机的纯电动汽车电池管理系统设计[D].北京农业大学工学院，2014.

（作者单位：广东省中山市技师学院）