一种机床电气设备教学器材的智能答题器

曾远征

摘要：本文介绍一款机床电气设备教学器材的智能答题器的设计。该答题器有手动设置、测验、考证三种功能。具有操作简便、造价低廉、自主研发、能够供平时上课、过程检测、考证等各种场合。适合对职业学校的机床电气实训台进行维修或改造。

关键词：智能答题器;Labview;机床电气;教学器材;单片机

中图分类号：TG502.1 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2019）03-0136-05

0 引言

本校有一个维修电工的实验室，购买的是某公司的教学设备。这些设备包括了CA6140车床电气控制电路板以及相关答题器;X62W万能铣床电气控制电路板以及相关答题器;T68镗床电气控制电路板以及相关答题器;M7120磨床电气控制电路板以及相关答题器。每一套的设备的电气控制电路板部分将对应的车床、铣床、镗床、磨床的控制部分的电路连接以及空气开关、热继电器、交流接触器等元器件固定在一块铁板上。并且露出相关的触点用于学生测试使用。相关电路的接线则隐藏在内部。而答题器，则用于学生上课时设置故障，以及回答问题使用。

1 机床电气设置故障板

该教学设备用于本校学生的电工考证。平时使用较多。所以设备也经常有损坏，尤其是答题器，学生经常要用来做答所以出现了比较多的损坏，过了保修之后，维修的费用就非常高。而且有些元件由于时间较长，市面上难于找到替代的产品。令维修增加了更多的难度。到了后来，有些答题器已经不能修复。这样情况严重影响了日常的教学开展。为了能够保证日常教学的正常开展，我就利用业余时间对这些设备进行了分析，希望能以自己的专业能力去重新设计一个简单的部件来替代答题器。

经过分析之后，发现这些设备的内部构造不算太复杂。主要的电路在主板里面，每块板可以设置16个故障点。这些故障点的设计都是断路故障，设计方法是，将需要断路的线的两头分别引到继电器的常闭端和公共端。而控制端就外接到排线接口，再由接口连接答题器。也就是说答题器最终的目的是控制继电器的控制端。由于每块板能够设置16个故障。则说明内部有16个继电器。

经过分析之后，我觉得可以先做一个简单的设置故障用的电路板，连接到主板上，用于解决暂时的上课问题。这个电路板功能比较简单，就是用2个八位的拨动开关，当拨动开关断开时，对应的端口接地，此时设备内部的继电器不动作，保持原来状态。当拨动开关短接时，对应的端口接高电平，此时设备内部的继电器吸合，相关导线断开连接。设置了相应的短路故障。用该方案制作了一些设置故障用的电路板，在实验室使用，能实现相关功能。但是该电路板功能单一，其缺点也是比较明显，因为设置故障的是拨动开关，所以学生在学习一段时间之后， 熟悉的设置，就能直接通过相关的拨动开关的位置把故障猜测出来。尤其是考试或者测验的时候，有些学生凭着记忆去回答问题。没有真正达到考试的目的。

2 智能答题器设计

按照中级维修电工考核大纲，机床电气故障维修考核要求考评员在机床电气模拟电路板上设置隐蔽故障3处，其中主回路1处，控制回路2处，考评员可将故障现象告知考生，考生必须单独排除故障，考试时间为45分钟。

针对以上的要求，我对这款设备的答题器做一次优化。优化之后有以下这些功能。（1）能够用轻触按键设置故障，这样故障设置完成之后就不会像之前的板子那样直接通过看相关的拨动开光的位置就可以猜出问题的答案。（2）能够提供平时练习、测验、考证三种模式选择。（3）在考证或者课堂测验时，能够通过一台电脑来操控。（4）在考证模式下，从考试开始进行45分钟倒计时，并且将倒计时的时间显示在显示屏上。开始考试以及考试结束都有提示音。

2.1 电路系统方框图

根据这些功能的要求，可以得出相关的设计框图，如图1所示。从图中我们可以看到，该电路的主控芯片为单片机，我选用了STC的单片机STC15W408S。该芯片有购买的方便，价钱的合理的优势，引脚多的优势。该单片机主要负责各种信号的处理，包括从按键那里获得相关的输入信息;将相关的处理之后，将需要显示的信息送到液晶显示模组;将需要控制的信号送到继电器的相关引脚;通过485芯片与计算机通信，达到双向的通信。

2.2 硬件电路设计

相关的原理图如图2所示，制作完成后的电路板实物照片如图3和图4所示。

2.2.1 单片机最小系统

本电路采用了STC的单片机STC15W408S。单片机的最小系统包括电源供电、单片机、晶振、复位电路。

2.2.2 显示部分电路

液晶模块，本电路采用液晶模块1602用来显示相关的信息。这些信息包括，现在设备所处状态，如：平时状态、自我测验，考证模式。让使用者可以明确知道设备的所处状态，可以更有效率地使用答题器。

2.2.3 车床控制接口电路

车床控制部分，主要通过专用的接头，将需要控制的信息送到设备内部。以做到能够控制设备内部的继电器。达到设置故障等作用。

2.2.4 按键电路

按键部分，這一部分，我总共用了20个按键，其中17按键是兼容以前的设备自带的智能答题器。而另外的3个按键，我把它们设置成：（1）手动故障设置（用于平时自己练习的时候使用）。使用方法为：按下“手动故障设置”按键，然后用数码键盘输入故障点的路径，比如说107与108之间断路，则输入“107108”，按下“确定”按键。则故障设置完毕。对应的端口输出高电平，对应的继电器吸合，相关的电路断路。故障设置完毕。再次输入正确故障路径，并且按下“确定”按键，或者按下“退出”按键，就能将故障恢复。（2）测验按键。按下“测验”这个按键，系统就会自动按照预设的程序（每套题目有三个故障，其中主回路1处，控制回路2处）进行随机抽取考试题目，按下“确定”按键，则在随机设置相应的故障，并且液晶上显示故障点的路径十秒。（这样设置是为了如果设备联不上计算机，而不得不进行单机考试时，考官可以记录下自己设置的故障路径。）然后进入等候答题状态。其答题方式也是输入故障点的路径，并且按下确认。如果回答正确，则相关的故障点自动恢复。故障点数量自动减1 。重复上述方法答题，直到答题结束。

2.2.5 声音提示电路

该电路由蜂鸣器，三极管等组成。在考试开始，计时结束之后会发出提示音。在某些特定操作下，也会发出相关提示音。

2.2.6 电平转换电路

485转换芯片则是为了将所有的设备连接在一起，用于考证或者竞赛的时候可以通过一台计算机去设置每一台设备的故障点，以及将选手的答案统一由计算机收取而使用。因为485的传输距离比较远，抗干扰能力强，而且可以用总线的接法。自己设计一套相关的指令，让计算机和单片机之间可以通信。达到简化考证考官的工作的作用。

PC端，由于绝大多数的计算机没有485的接口，所以需要购买或者设计一个电路板，将485转成RS232接口。

2.3 软件设计

2.3.1 主程序设计框图

本程序采用Keil C51软件编程，使用模块化程序设计，主要的子程序包括：初始化界面、键盘子程序、485接收子程序、液晶显示子程序、手动设置故障子程序，测验子程序等。系统流程图如图5所示：

主程序节选：

void main（）

{

LCD1602_inti（）;//液晶模块的初始化程序

LCD_LED = 0;

BULL_3dd（）;

while（1）

{RS232_PC（）;//串口子程序

KEY_4x5（）;//按键子程序

JK_control（）;//继电器控制子程序

kaozheng_moshi（）;//考证模式子程序

shoudong_moshi（）;//手动模式子程序

test_moshi（）;//测试模式子程序

}}

2.3.2 按键子程序

由于本电路需要的按键较多，需要20个按键，如果采用每个按键接一个IO口就会占用单片机20个IO口，为了减少I/O的占用，所以采用矩阵的方式来实现。如图所示。在矩阵键盘中，每条行线和列线在交叉处没有连接，通过了一个轻触按键进行连接。这样5条列线（L0～L3）和4条行线（R0～R4）总共使用9个IO口就可以构成了20个按键的矩阵键盘。由于键盘采用了无源结构所以行列线的电平由单片机的I/O口的电平决定。

部分程序节选如下：

uchar KEY_4x5（）

{uchar k1 = 0，k2 = 0，k3 = 0，k4 = 0，k5 = 0;

static uchar k，kf;

if（kf == 0）

{KEY_DP = 0x0f;

KEY_scan_5 = 0;

if（（KEY_DP&0x0f） == 0x0f） return 0;

delayms（7）;

if（（KEY_DP&0x0f） == 0x0f） return 0;

KEY_DP = 0xef;

KEY_scan_5 = 1;

if（（KEY_DP&0x0f） ！= 0x0f） k1 = ～KEY_DP;

KEY_DP = 0xdf;

KEY_scan_5 = 1;

if（（KEY_DP&0x0f） ！= 0x0f） k2 = ～KEY_DP;

KEY_DP = 0xbf;

KEY_scan_5 = 1;

if（（KEY_DP&0x0f） ！= 0x0f） k3 = ～KEY_DP;

KEY_DP = 0x7f;

KEY_scan_5 = 1;

if（（KEY_DP&0x0f） ！= 0x0f） k4 = ～KEY_DP;

KEY_DP = 0xff;

KEY_scan_5 = 0;

if（（KEY_DP&0x0f） ！= 0x0f） k5 = ～KEY_DP;

k = k1 | k2 | k3 | k4 | k5;

kf = 1;

return 0; }

else {

KEY_DP = 0x0f;

KEY_scan_5 = 0;

if（（KEY_DP&0x0f） ！= 0x0f）

{return 0; }

else{

kf = 0;

return k; } }}

2.3.3 液晶顯示部分

本电路采用1602的液晶模块，它可以显示两行，每行16个字符。能够显示ASCII码字符，如数字或者英文字母以及规定的一些符号。采用并口操作的1602模块。

程序的写命令操作和写数据操作分别用两个独立的函数来完成，函数内部唯一的区别就是液晶数据命令选择端的电平。写命令函数解释如下：

void write_com（unchar com）

{lcdrs=0;    //选择写命令模式

P0= com;   //将要写的命令字送到数据总线上

delay（5）;    //稍作延时以待数据稳定

lcden=1;    //使能端给一高脉冲，因为初始化已经将lcden置为0;

delay（5）;    //稍作延时

lcden=0;    //将使能端置0以完成高脉冲}

void write_data（unchar date）

{lcdrs=1;    //选择写数据模式

P0= date;   //将要写的数据字送到数据总线上

delay（5）;    //稍作延时以待数据稳定

lcden=1;    //使能端给一高脉冲，因为初始化已经将lcden置为0;

delay（5）;    //稍作延时

lcden=0;    //将使能端置0以完成高脉冲}

void init（）   //液晶的初始化子程序

{dula= 0;

wela=0;

lcden=0;

write_com（0x38）;    //设置16*2显示，5*7点阵，8位数据接口

write_com（0x0c）;    //设置开显示，不显示光标

write_com（0x06）;    //写一个字符后地址直针加1

write_com（0x01）;    //显示清0，数据直针清0}

由于篇幅限制，其余相关程序就不在这里描述。

2.4 PC端软件

用Labview软件设计一个软件，用于在考证时，可以通过计算机的软件界面灵活地布置任务，设置故障点，了解考试学生的具体进度等内容。Labview是一种程序开发环境，由美国国家仪器（NI）公司研发，类似于C和BASIC开发环境，但是Labview与其他软件的显著区别是：其他计算机语言都是采用基于文本的语言产生代码，而Labview使用的是图形化编辑语言G语言编写程序，产生的程序是框图的形式。由于采用了图形编程，所以该软件的一个很大的特点是，它在计算机上做图形界面非常方便。可以非常迅速地做出各种相关的界面，并且可以灵活地应用。

一个完整的Labview程序包括前面板与程序框图两个界面，前面板是一些控制的界面，如按键，显示的值等。后面板是相关程序，包括接线端、子VI、函数、常量、结构和连线等，连线可以在其他的程序框图对象间传递数据。

这次的界面设计如图所示。可以看到所有的设备的具体情况，包括所有考生的剩余答题时间，已经排出的故障个数等相关内容。

程序框图，则由串口调试助手，数组等组成。基本功能已經调试成功，部分细节还在调试之中。

以下的插图为初步设计的程序界面和部分的程序框图。由于篇幅关系，这里不再详细叙述。

（1）教师机的考试时的控制界面（节选）。如图6所示。

（2）使用Labview编程的计算机与控制电路的接口程序。如图7所示。

（3）故障判断程序（节选）。如图8所示。

3 结论

本机床智能答题器的设计，达到预先设计的目的。其中单机部分已经能正常使用，连接电脑部分功能已经调试正常，小部分内容正在调试之中。该答题器的软件、硬件、PC端软件均为自主研发，具有造价低，电路简洁，可靠性高等优点。可以在实际的使用过程中根据实际需要做出合适的改动。为学校的老机床电气设备进行智能化改造。为学校的设备维护节省了大笔的费用。

参考文献

[1] 曾祥富，陈亚林.电气安装与维修项目实训[M].北京：高等教育出版社，2012.

[2] 郭天祥.新概念51单片机C语言教程：入门、提高、开发、拓展全攻略[M].北京：电子工业出版社，2009.

[3] 黄颖松.机床电气实训台智能化考核装置的设计[J].电子制作，2015（09）：22-24.

An Intelligent Question Answer for Teaching Equipment of

Machine Tool Electrical Equipment

ZENG Yuan-zheng

（Zhongshan Vocational Secondary School， Zhongshan  Guangdong 528458）

Abstract：This paper introduces the design of an intelligent answering device for teaching equipment of machine tool electrical equipment. The answerer has three functions： manual setting， test and test. It has the advantages of simple operation， low cost， independent research and development， and can be used in classes， process testing， textual research and other occasions. It is suitable for the maintenance or transformation of machine tool electrical training platform in Vocational schools.

Key words：intelligent answer; Labview; machine tool electricity; teaching equipment; single chip microcomputer