一种用于教学的电子设计综合实训平台的设计与实现

高红霞,任凤琴,郭银芳,张彩霞,张乃江

(太原学院 a.智能与自动化系,b.计算机科学与技术系,山西 太原 030032)

0 引言

为了使人才培养结构和质量适应经济结构调整和产业升级的要求,解决人才供给与需求之间的矛盾,以及毕业生就业难和就业质量低的问题,高校建立了以提高实践能力为引领的人才培养流程,实现教学过程与生产过程对接[1]。加强高校实验实训实习环境、平台和基地建设便是其中的主要措施之一。

目前实验室建设中存在如下问题:第一,有的学校实验室功能分散,不同的课程需要到不同的实验室进行,有的实验室只能进行电路基础课程的实验,有的只能进行模拟电子的实验,有的只能进行单片机应用的实验等,给管理和学习带来不便,也不便于进行综合性实验的开展;第二,实验室内相关计算机硬件的实验装置大都在普通桌面上进行,以至于无法对电路板等零部件进行固定,实际训练时现场凌乱,影响实训的教学效果,尤其是针对电子元器件的焊接,焊接的工具都是另外准备,既不方便教学,也不方便收纳;第三,实验室只有实验功能,教师需要讲解、示范实验过程及分享学生实验结果时,学生只能在教师或学生所在的实验台分批围观,不方便进行实验教学的开展等等。

图1 综合实训平台功能模块图

为了解决以上问题,我们设计并实现了一个电子设计综合实训平台,不仅可以进行综合模拟电路、数字电路、单片机应用等相关电子设计类课程的实验、组装、焊接,而且可以有效地对主板的位置进行固定,方便电子元器件的焊接和收纳整理,另一方面此平台还具有辅助教学的功能。

1 平台总体功能设计

教学用电子设计综合实训平台具有电子类课程实验功能、元器件组装与焊接功能、收纳整理功能、辅助教学功能等,具体功能模块图如图1所示:

电子实验功能:在此平台上可分别进行电路基础、数字电路、模拟电路、单片机等电子设计类各门课程的实验,还可以开展一些涉及多门课程的综合实验,这样更有利于学生完成综合性、研究性的实验项目,更有助于培养学生综合应用所学知识解决实际问题的能力。

组装与焊接功能:平台中支撑板中部的矩形箱体可以固定电路板,并且在支撑板上表面左右两侧有工具箱和储存槽,可以归类放置焊锡原料辊、电烙铁、锡枪、热风枪、松香盒等焊接工具和原料以及各类元器件,并且电路板的固定、工具和元器件的拿取都可以通过控制面板上的按钮简单地进行控制,而且还有放大镜可以方便使用者清楚地观察和操作。整个设计使得电路的组装与焊接非常便捷有序。

1—第一储存槽;2—电烙铁支架;3—松香盒;4—托板;5—控制面板;6—上盖板;7—底座;8—支撑板;9—热风枪;10—热风枪支架;11—第一电动伸缩杆;12—工具箱;13—第二电动伸缩杆;14—放大镜;15—显示器;16—第二储存槽;17—微距摄像镜头。

收纳整理功能:平台中支撑板的左右两侧有托板和工具箱,托板上的第一储存槽和第二储存槽的内侧面设有大小不一的储存腔,可以将元器件分类储存到其内。工具箱设置有电烙铁支架、热风枪支架等方便放置各种工具和设施。这一功能克服了传统实训现场凌乱不堪的不足。

辅助教学功能:在显示器的后侧面下端设有数据接口,可以方便电脑外接设备的连接。数据接口包括USB接口、VGA 视频输出接口、网络接口和耳机接口。通过操作控制面板控制第一电动伸缩杆和第二电动伸缩杆工作将放大镜和微距摄像头移动到电路板的正上方,由微距摄像镜头将电器元件放大后清晰显示在显示器上,方便对电路板进行观察;当教师想要进行演示时,通过数据接口上的数据和网络接口将显示器上电路板及元器件情况输出到局域网中其它显示器等教学设备上,方便学生观看。

综合实训平台的结构示意图如图2所示。

2 平台硬件环境设计

图3 平台控制部分硬件框图

使用此综合实训平台时,接通外部电源,通过控制面板控制第三电动伸缩杆伸长,由第三电动伸缩杆将上盖板打开,将需要进行操作的主板放置到导杆的上表面,通过第一夹板和第二夹板对电路板进行卡接,调节定位滑块的位置,使得复位弹簧处于压缩状态,由复位弹簧将第一夹板紧压在电路板上。当需要进行教学演示时或者零部件放大时,通过操作控制面板控制第一电动伸缩杆和第二电动伸缩杆工作将放大镜和微距摄像镜头移动到电路板的正上方,由微距摄像镜头将电器元件放大后显示在显示器上,方便用户对电路板进行观察。当教师想要进行演示时,通过数据接口上的网络接口将数据输出到教学设备上,使用时将元器件分类储存到第一储存槽和第二储存槽的内部[2]。

控制面板的输入端与外部电源的输出端电连接,控制面板的输出端分别与第一电动伸缩杆、第二电动伸缩杆、第三电动伸缩杆、第四电动伸缩杆、第五电动伸缩杆、显示器、音箱、第一直线电机、第三直线电机、第二直线电机、微距摄像镜头等的输入端电连接,图3是平台控制部分的硬件框图。

3 平台主要控制功能设计

此平台中,矩形箱体上盖板的打开与合上、放大镜和微距摄像镜头的移动、定位板位置的移动、工具箱和托板的移动等操作多处用到了电动伸缩杆、直线电机等的联动,这些器件都是由控制面板内的单片机进行自动控制实现其功能的,以下为这些主要控制功能的实现。

3.1 主控芯片

主控芯片选用STC89C52,此芯片成本低,在工业生产中的应用较广泛、成熟,而且它灵巧的8位CPU、4个I/O口和8 KB可编程Flash已经能够满足本装置的需求。

3.2 电动伸缩杆的控制

平台中放大镜和微距摄像头的水平位置和垂直位置的调节、矩形箱体左右上盖板的开合、矩形箱体底部旋转板的高度调节、支撑板左右两侧托板和工具箱高度的调节等处都用到了电动伸缩杆,电动伸缩杆的伸缩是通过主控芯片控制步进电动机正转和反转来带动的。步进电动机是将电脉冲转化为相应的角位移的执行机构[3],每当输入一个电脉冲就动一步,步进电动机驱动的速度和位移大小,可由电气控制系统发出的脉冲数加以控制,并且位移量与脉冲数严格成正比,可以达到较高的重复定位精度,适合于本装置中的控制。以下以一个步进电动机的控制为例来说明。

采用STC89C52单片机为控制核心,通过按键产生脉冲来控制步进电机的正反转,每按一次键转一定的角度,正转带动电动伸缩杆伸出,反转带动电动伸缩杆回缩。硬件部分主要由单片机、按键控制模块、电机驱动模块及电源模块组成,图4是本控制的硬件框图。

图4 步进电机控制硬件框图

其中步进电动机选用20BY20H01型号,驱动芯片采用2003,软件采用查询方式。此型电动机是电磁式、4相、单极步进电动机,程序中用的是1相励磁方式,如想要每次按键伸缩的距离更小,也就是调节的更精确可以采用1-2相励磁法。

图5为加载了代码的仿真电路运行图。

图5 步进电机控制仿真图

3.3 直线电机的控制

平台中矩形箱体底部的第一直线电机和第二直线电机滑动连接有第一滑台,用来调节定位板的前后位置,支撑板左右两端的工具箱和托板位置由第三直线电机上表面滑动连接第二滑台来调节,所以对直线电机的控制也是本平台的主要控制功能之一。直线电机是一种将电能直接转化成直线运动的新型电机,不需要像旋转电动机一样采用其他辅助机械机构,整体系统结构更简单,直线电机也可以采用微处理器控制[4]。

本平台中采用STC89C52芯片控制直线感应电机的硬件电路如图6所示,和步进电机控制电路相似,由按键控制模块、单片机、驱动模块等组成。

图6 直线电机控制硬件框图

对每个直线电机的控制都类似,当单片机收到按键信号后,发出指令驱动或停止各个IGBT,各个IGBT的不同工作状态产生8种0和1的组合,通过控制8种组合方式的顺序和逆序可实现电机的正反转。比如正转推动滑台向前滑动,反转则推动滑台向后滑动。

4 结束语

本电子设计综合实训平台可以综合进行电子设计类课程的实验、组装和焊接,辅助教学功能是它的一大亮点,使用有序、便捷,极大地解决了此类课程实验和教学过程的不足,有很好的实际应用和推广价值。