杭州市蕭山區(qū)高級技工學(xué)校 魏金靈

電子線路故障檢修實訓(xùn)裝置設(shè)計

杭州市蕭山區(qū)高級技工學(xué)校 魏金靈

傳統(tǒng)的電子線路故障檢修實訓(xùn)裝置，多采用分立元件搭建的電路板進行訓(xùn)練，學(xué)生考核的依據(jù)是能否出現(xiàn)正確的電路現(xiàn)象，若學(xué)生只排除了部分故障，教師較難給出成績。學(xué)生學(xué)習(xí)的難度較大，學(xué)習(xí)積極性不高，甚至產(chǎn)生畏難情緒。本文設(shè)計的電子線路故障檢修實訓(xùn)裝置，可以練習(xí)電子線路的故障排除方法，掌握常用的電子線路檢修的基本技能。裝置中設(shè)有觸摸屏模塊，學(xué)生能通過屏幕中的幫助指南自主學(xué)習(xí)故障檢修，從而減少了教師的授課量，并且增加了學(xué)生學(xué)習(xí)的主動性。

電子電路；故障檢修；實訓(xùn)設(shè)備；Atmega128

1 引言

隨著科技的飛速發(fā)展,各種電子設(shè)備在各行各業(yè)和人們的日常生活當(dāng)中得到了廣泛的應(yīng)用,而在其使用過程中受到各種因素的影響,難免會發(fā)生故障,影響正常的生產(chǎn)、生活、科研、學(xué)習(xí)等。因此,加強電子電路常見故障排除方法的研究具有十分重要的現(xiàn)實意義。

電子線路故障檢修實訓(xùn)裝置(以下簡稱故障檢修裝置)可作為維修電工、無線電調(diào)試工職業(yè)技能訓(xùn)練教學(xué)設(shè)備,可以練習(xí)電子線路的故障排除方法,掌握常用電子線路檢修的基本技能。也以作為技能鑒定考核設(shè)備,相比普通的故障檢修設(shè)備,其具有操作簡單、方便等優(yōu)點。設(shè)計采用集中管理控制,減少在技能考核中的人為因素。

2 系統(tǒng)方案

2.1 系統(tǒng)總體構(gòu)成

電子線路故障檢修實訓(xùn)系統(tǒng)由上位機和若干臺故障檢修裝置組成,如圖1所示。每個組成單元的功能如下:

圖1 實訓(xùn)故障檢修系統(tǒng)構(gòu)成

(1)上位機:負責(zé)教師端的數(shù)據(jù)發(fā)送,將教師設(shè)定的故障信息發(fā)送到故障裝置中。

(2)故障裝置:負責(zé)將上位機發(fā)來的故障命令設(shè)置成對應(yīng)的故障點,同時也負責(zé)將學(xué)生的排除故障的信息返回給上位機。

(3)無線模塊:組建一個無線網(wǎng)絡(luò),實現(xiàn)上位機與故障裝置之間、故障裝置與故障裝置之間的信息的傳遞。

2.2 裝置結(jié)構(gòu)組成

故障檢修裝置由無線模塊、MCU(微處理器)控制模塊、觸摸屏HMI模塊、繼電器控制模塊以及單元電路板等模塊組成,如圖2所示。

圖2 故障檢修裝置構(gòu)成

下面簡單介紹每個組成模塊的功能:

(1)MCU控制模塊:MCU控制模通過接受無線模塊或者觸摸屏HMI模塊的信息,控制繼電器模塊將故障點下發(fā)到單元電路板中。

(2)觸摸屏HMI模塊:觸摸屏HMI模塊負責(zé)訓(xùn)練學(xué)生排故,在屏幕中設(shè)置有訓(xùn)練模式,通過點擊觸摸屏上的設(shè)置故障按鈕,就能在單元電路設(shè)置故障。另外在觸摸屏中設(shè)置有幫助指南畫面,可以幫助學(xué)生自主學(xué)習(xí)單元電路板電路,提高學(xué)習(xí)興趣,增強同學(xué)的學(xué)習(xí)興趣。

(3)繼電器控制模塊:繼電器控制模塊負責(zé)執(zhí)行MCU發(fā)送來的故障信息,設(shè)置對應(yīng)電路板的故障點。

(4)無線模塊:無線模塊負責(zé)將故障檢修裝置同上位機和其他故障檢修裝置連接起來,讀出上位機發(fā)來的信息傳遞給MCU,或者將MCU的發(fā)送信息發(fā)送到上位機或者其他裝置。

(5)單元電路板:故障檢修裝置一共有5塊單元電路板,分別是:串聯(lián)穩(wěn)壓電源、調(diào)光燈、晶體管時間繼電器、基于LM324的信號發(fā)生器、簡易數(shù)字電容表。這些單元電路板都是模擬電路和數(shù)字電路最常見的電路,學(xué)生比較容易接受,利用繼電器將電路中的導(dǎo)線斷路或者短路,就能設(shè)置故障點。

3 系統(tǒng)功能設(shè)計

故障箱設(shè)有三種工作模式,其中模式一是固定訓(xùn)練模式和模式二是隨機故障點訓(xùn)練模式,都是由各個故障箱的觸摸屏控制端進行設(shè)定,第三種模式是考核模式,是由教師端通過無線局域網(wǎng)絡(luò)控制。

(1)模式一是固定模式,在該故障箱的控制系統(tǒng)內(nèi)設(shè)有一定數(shù)量的故障組,并且是針對各單元電路故障點固定設(shè)置,所以學(xué)者可以選擇針對某一故障訓(xùn)練,有針對性的熟練某一知識點。

(2)模式二是隨機模式,在該故障箱的控制系統(tǒng)隨機設(shè)有一定數(shù)量的故障組,每一故障組的故障點是隨機提供的,沒有確定性,所以這種模式是在模式一的基礎(chǔ)上設(shè)置的,難度相對提高,要對各個單元電路原理熟悉,以及熟練掌握故障檢修方法。

(3)模式三是考核模式,這種模式是學(xué)生在訓(xùn)練期間看不到的,此模式作為考核鑒定,是教師端通過無線局域網(wǎng)絡(luò)集中控制的,有電源管理、故障設(shè)置管理以及成績統(tǒng)計管理等功能。

4 硬件設(shè)計

4.1 控制系統(tǒng)設(shè)計

該系統(tǒng)以ATmega128L單片機為核心器件,其模塊的工作原理是:單片機讀取無線模塊和觸摸屏的信息,將設(shè)置故障指令下發(fā)到繼電器模塊,設(shè)置故障點。其中單片機需要一定的外接電路才能正常工作即單片機最小系統(tǒng),主要包括ATmega128L單片機、復(fù)位電路和時鐘電路。

4.2 觸摸屏HMl模塊

觸摸屏HMI模塊是故障檢測裝置的人機交互界面,學(xué)生通過點擊觸摸屏的按鍵,就能簡單、方便的設(shè)置電路故障點。觸摸屏模塊的選取也決定了故障檢測裝置的是否易于操作。

4.3 繼電器控制模塊

4.3.1 I/O端口拓展電路

由于單片機輸入輸出接口的數(shù)量有限,為了達到對40個故障點的設(shè)置,必須對單片機的輸入輸出接口數(shù)量進行擴展。擴展電路采用5片具有串入并出功能的芯片74LS595級聯(lián)來實現(xiàn),只要占用單片機3個I/O口,即可完成對40路輸出的獨立控制。

4.3.2 繼電器驅(qū)動電路

由于I/O拓展芯片74LS595的驅(qū)動能力有限,不能直接用來驅(qū)動繼電器,所以我們采用大電流負載芯片ULN2803驅(qū)動繼電器。拓展芯片74LS595輸出的電平經(jīng)過光耦隔離后,驅(qū)動ULN2803,負載驅(qū)動芯片驅(qū)動繼電器線圈,繼電器的觸點接入單元電路板的支路中,當(dāng)繼電器觸點得電觸點閉合,該路接通;當(dāng)繼電器線圈失電時觸點斷開,單元電路板出現(xiàn)故障,

4.4 單元電路板電路設(shè)計分析

故障檢修裝置一共有5塊單元電路板,分別是:串聯(lián)穩(wěn)壓電源、調(diào)光燈、晶體管時間繼電器、基于LM324的信號發(fā)生器、簡易數(shù)字電容表。這5個電路既有模擬電路又有數(shù)字電路,其中調(diào)光燈電路和簡易數(shù)字電容表現(xiàn)象比較易于觀察,而串聯(lián)穩(wěn)壓電源電路則是模電的基礎(chǔ)電路,由此看出選取的單元電路都是很有代表性的。

4.5 電源模塊設(shè)計

根據(jù)設(shè)計需求,故障檢測裝置可兩部分組成,分別為控制電路供電電源和單元電路板供電電源。

5 軟件設(shè)計

程序編寫采用的是模塊編程的思路,包括主程序、系統(tǒng)參數(shù)設(shè)定子程序、模塊初始化子程序、通信子程序、I/O拓展子程序等模塊,其軟件流程圖如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)軟件流程圖

觸摸屏采用了迪文DUGS串口屏,這種串口觸摸屏配置簡單,不需要在屏幕上編寫程序,只要配置觸控畫面即可,畫面結(jié)構(gòu)包括用戶登陸、訓(xùn)練模式選擇、幫助模式三級頁面,如圖4所示。