嵌入式單片機(jī)在電力實(shí)訓(xùn)中的應(yīng)用

【摘 要】通過對嵌入式單片機(jī)在維修電工中級工實(shí)訓(xùn)考評設(shè)備中的應(yīng)用，將職業(yè)技能培訓(xùn)考評智能化，使得職業(yè)技能培訓(xùn)從過去對實(shí)訓(xùn)成果的評判向職業(yè)技能實(shí)訓(xùn)過程并重轉(zhuǎn)變，為教學(xué)改革助力。

【關(guān)鍵詞】嵌入式 單片機(jī) 中級工 電力實(shí)訓(xùn) 考評

【中圖分類號】 G 【文獻(xiàn)標(biāo)識碼】 A

【文章編號】0450-9889（2015）08C-0185-03

職業(yè)資格認(rèn)證與技能鑒定，是當(dāng)今社會評價勞動者職業(yè)技術(shù)能力高低的重要方法之一，獲得了社會廣泛的認(rèn)可。隨著社會發(fā)展對職業(yè)技能要求的不斷提高，以及“雙證書制”的實(shí)施，職業(yè)技能需求已經(jīng)從單純的技能標(biāo)準(zhǔn)結(jié)果過渡到職業(yè)能力和職業(yè)素質(zhì)培養(yǎng)并重，特別是實(shí)訓(xùn)過程中對職業(yè)素養(yǎng)的培養(yǎng)已成為企事業(yè)單位的迫切需求。但是，以往的職業(yè)技能培訓(xùn)幾乎都是以“考”促“學(xué)”，甚至以“考”代“學(xué)”，以參加某一工種的職業(yè)資格認(rèn)證，通過了相應(yīng)理論、技能考試，成績結(jié)果合格，取得了相應(yīng)工種的職業(yè)資格證書為終結(jié)。這樣的方法使得相當(dāng)一部分學(xué)員為了得證而考證，培訓(xùn)教師和考評員也疲于對技能結(jié)果的重復(fù)性評分，使得職業(yè)技能培訓(xùn)與提高中重要的職業(yè)素質(zhì)培養(yǎng)過程部分被淡忘或忽略掉。而目前社會與企事業(yè)單位希望得到的是具有扎實(shí)職業(yè)技能并擁有綜合職業(yè)素養(yǎng)、全面發(fā)展的創(chuàng)新型勞動技能人才，這就對職業(yè)技能實(shí)訓(xùn)配套的硬件設(shè)備提出了更高的要求。

一、電力實(shí)訓(xùn)存在的問題

電力技能實(shí)訓(xùn)培養(yǎng)與考核時考評員和學(xué)員的工作量都較大，其要求學(xué)員在掌握專業(yè)理論的基礎(chǔ)上，不僅要會按圖接線，還要求學(xué)員能夠具備設(shè)計(jì)一定難度的線路能力，能夠進(jìn)行控制線路的判斷和排故。但是常用的實(shí)訓(xùn)板上元件與接線端子數(shù)量隨著實(shí)訓(xùn)等級的提高成倍地增長，越接近于工程項(xiàng)目實(shí)際，元器件越多，線路越復(fù)雜，產(chǎn)生的故障可能性就越多。下面以電力實(shí)訓(xùn)中常用的電機(jī)拖動電氣控制圖之一的電動機(jī)接觸器聯(lián)鎖正反轉(zhuǎn)控制原理圖為例。

如圖1可見，此電力實(shí)訓(xùn)操作中用到的主要元器件較多，接線端子較多。其中使用到的元器件就有KM交流接觸器、FR熱繼電器、FU螺旋式熔斷器、SB按鈕、XT端子排。其電力實(shí)訓(xùn)操作安裝步驟要求是：首先，正確識讀電路圖，配齊所需元器件并進(jìn)行檢驗(yàn)，選配安裝工具和控制板。其次，繪制布置圖和安裝接線圖，選配主電路導(dǎo)線和截面，根據(jù)接線圖布線。最后，安裝電動機(jī)，連接電動機(jī)及所有電器元件金屬外殼保護(hù)接地線，連接電源、電動機(jī)、控制按鈕等外部連接導(dǎo)線，自檢后交驗(yàn)通電試車。

而更高等級電力培訓(xùn)與考評涉及的電氣控制原理更復(fù)雜，控制線路安裝步驟更多，安裝接線工藝要求更高。而且原實(shí)訓(xùn)與考評接線板還存在工作電壓高、元器件故障多、查線排故時間長等缺點(diǎn)。再加上現(xiàn)實(shí)中師生比資源配比的不合理，傳統(tǒng)的電力實(shí)訓(xùn)考評中考評員的大部分有限的時間都耗費(fèi)在重復(fù)性的查線和幫助學(xué)員板子排故上，就僅夠完成對最終實(shí)訓(xùn)是否成功進(jìn)行判定，而無法騰出更多的時間對技能過程進(jìn)行更全面的職業(yè)素養(yǎng)判定。學(xué)員對于只對實(shí)訓(xùn)最終能否成功的結(jié)果“一考定全盤”頗有微詞，事實(shí)是大部分最終實(shí)現(xiàn)不了控制功能的學(xué)員都僅僅是因?yàn)槟承┚€路的接線錯誤或元器件有故障導(dǎo)致，但其實(shí)訓(xùn)過程的努力與獲得也應(yīng)該得到相應(yīng)的體現(xiàn)。此外，電力中級工實(shí)訓(xùn)中在安全操作規(guī)程規(guī)范，工作前、工作時、工作后工作區(qū)域操作臺、地面的清理，元器件、工具的擺放等職業(yè)素養(yǎng)也應(yīng)該在最終考評成績中應(yīng)有體現(xiàn)。

因此，急需對原有電力實(shí)訓(xùn)硬件設(shè)備進(jìn)行改進(jìn)，使得考評員與實(shí)訓(xùn)板使用者從大量重復(fù)性接線端子的檢查與排故中解脫出來，能用更多的時間和精力去對職業(yè)技能實(shí)踐過程中的職業(yè)素養(yǎng)進(jìn)行培養(yǎng)。而嵌入式單片機(jī)設(shè)計(jì)形成的自動考評評價系統(tǒng)正好能解決此問題，它利用高速的運(yùn)算處理能力和眾多輸出、輸入接口來自動對電力實(shí)訓(xùn)中的實(shí)訓(xùn)板接線和元器件進(jìn)行自查并給出報告顯示。與以往的中級工實(shí)訓(xùn)與考核實(shí)訓(xùn)板相比，它增加了自動查線功能，不光能夠彌補(bǔ)原有設(shè)備的缺點(diǎn)，還能夠通過顯示屏與輸入鍵盤實(shí)現(xiàn)元器件故障自檢、自我考試記錄與提醒等功能。

圖1 電動機(jī)接觸器聯(lián)鎖正反轉(zhuǎn)控制原理圖

二、PIC單片機(jī)的嵌入系統(tǒng)應(yīng)用設(shè)計(jì)

通過對以往傳統(tǒng)的維修電工實(shí)訓(xùn)考評設(shè)備進(jìn)行分析可知，應(yīng)用智能的單片機(jī)嵌入式技術(shù)，可以探索和提出一種新的智能型實(shí)訓(xùn)考評設(shè)備。在原有實(shí)訓(xùn)設(shè)備上進(jìn)行改進(jìn)，讓考評員與學(xué)員從重復(fù)性煩瑣的端子接線和元器件故障排故中解脫出來。讓他們有更多的時間和精力去注重職業(yè)技能與職業(yè)素養(yǎng)過程的考核當(dāng)中去，使得學(xué)員的實(shí)踐技能不僅能做到應(yīng)有的標(biāo)準(zhǔn)，而且還能夠做好，體現(xiàn)出不同等級的職業(yè)技能素養(yǎng)，這樣才能真正全面提高職業(yè)鑒定的含金量，以適應(yīng)社會發(fā)展對職業(yè)技能培訓(xùn)的新要求。本文以PIC單片機(jī)的嵌入系統(tǒng)在電力實(shí)訓(xùn)設(shè)備中應(yīng)用進(jìn)行探索。嵌入系統(tǒng)主要由以下四個部分組成。

（一）元器件的選擇。原中級工實(shí)訓(xùn)板元器件中傳統(tǒng)的自動控制元器件的工作電壓為380V，已大大超過人體安全電壓數(shù)倍，這對學(xué)員的自主學(xué)習(xí)產(chǎn)生了較大的安全威脅。新的實(shí)訓(xùn)設(shè)備從安全與經(jīng)濟(jì)實(shí)用角度權(quán)衡考慮，元器件的工作電壓選擇為直流24V，增加單片機(jī)定時器、晶體管、可控硅等低壓電子元器件。原實(shí)訓(xùn)板開關(guān)存在大量機(jī)械式主開關(guān)、輔助開關(guān)及按鈕，故障率較高，新的實(shí)訓(xùn)設(shè)備元器件考慮采用無損電子開關(guān)低壓三極管來替代原機(jī)械式開關(guān)。

同時，原實(shí)訓(xùn)板無故障自檢與排故功能，這需要在新實(shí)驗(yàn)板中通過端子排接頭的引入，利用單片機(jī)的編程功能可以實(shí)現(xiàn)。此外，還需要有時間記錄與定時功能、學(xué)號錄入與成績記錄功能、控制線路考核與評分功能。而這些功能的實(shí)現(xiàn)，無疑選擇成熟的單片機(jī)的應(yīng)用嵌入為最佳。

（二）控制器的選擇。美國微芯公司生產(chǎn)的PIC單片機(jī)產(chǎn)品豐富，片內(nèi)資源靈活多樣，抗干擾能力強(qiáng)，安全可靠，廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制領(lǐng)域。它是一種用來開發(fā)和控制外圍設(shè)備的集成電路，功耗較小，速度快，采用精簡指令集，單指令周期，不同型號間兼容性較好，價格也較合理。

采用PIC的8位單片機(jī)18F4520能夠滿足上述要求，它擁有40MHZ的工作頻率，可完全滿足實(shí)訓(xùn)板的實(shí)時性要求。它擁有36個可復(fù)用的IO口，可靜態(tài)或動態(tài)的測試或代替控制線路的端子或開關(guān)。它擁有32K的閃存程序存儲器以及256字節(jié)的EEPROM，再加上單字節(jié)指令技術(shù)，可以存儲超大的控制線路邏輯判斷程序以及存儲非易失性的學(xué)號成績等數(shù)據(jù)。它擁有多達(dá)13路采樣精度為10位的AD轉(zhuǎn)換通道，可以對輸入電壓、電流，線路的短路、斷開直接進(jìn)行采樣判斷。此外，它還擁有4個定時器、2個比較器、1個捕捉比較PWN模塊、1個串行通信模塊、1個并行PSP通信模塊等，留給了實(shí)訓(xùn)板裝置極大的擴(kuò)展空間。

（三）硬件的構(gòu)成。本實(shí)訓(xùn)板嵌入式裝置應(yīng)采用18f4520單片機(jī)為核心，以帶背光1602字符型液晶模塊作為顯示媒介的設(shè)備。輸入按鍵模塊采用4*3矩陣鍵盤模塊，DS1302芯片作為時鐘記錄，此外還有提示考試開始和結(jié)束的蜂鳴器。

單片機(jī)18f4520最小運(yùn)行系統(tǒng)如圖2所示。

顯示部分采用常用的能顯示2行，每行16個漢字的LCD1602模塊。它通過PIC單片機(jī)的RA2、RA3、RA5引腳分別連接到LCD顯示模塊的RS、RW、EN控制端，同時單片機(jī)的RD7-RD0的八個引腳分別連接到LCD顯示模塊的DB7-DB0作為數(shù)據(jù)傳輸線。LCD1602顯示模塊的引腳接線如圖3所示。

圖2 單片機(jī)18f4520運(yùn)行接線原理圖

圖3 LCD1602顯示模塊接線原理圖

實(shí)時時鐘芯片采用美國DALLAS公司的DS1302芯片，具有主后備電源，可以在單片機(jī)斷電后由后備電池繼續(xù)給實(shí)時時鐘供電，這就使得準(zhǔn)確記錄學(xué)生考試的起停時間、考試成績成為可能。它分別對應(yīng)的是單片機(jī)引腳的RE0、RE1、RE2連接到時鐘芯片的RST復(fù)位線、IO數(shù)據(jù)線、SCLK串行時鐘線即可。DS1302時鐘芯片引腳圖如圖4所示。

圖4 DS1302時鐘模塊接線原理圖

作為人機(jī)對話最常用的部分，鍵盤是一個系統(tǒng)中的重要組成部分。一般鍵盤可以分為兩類，一類是靜態(tài)鍵盤，也稱為獨(dú)立式鍵盤，接口線的數(shù)量與按鍵數(shù)相當(dāng)。另一種是動態(tài)鍵盤，也叫做矩陣式鍵盤，可以采用較少的接口線而實(shí)現(xiàn)較多的按鍵數(shù)量。因本實(shí)訓(xùn)板的接線端子較多，為了省下更多的接口資源給接線端子，本按鍵部分采用矩陣式鍵盤。采用連接單片機(jī)7根線即可實(shí)現(xiàn)學(xué)員考號及密碼0-9數(shù)字的輸入、刪除以及確認(rèn)按鈕，其原理接線圖如圖5所示。

圖5 矩陣式鍵盤接線原理圖

（四）系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)。為了能多利用別人已經(jīng)編好的函數(shù)集，編譯時采用廣受好評的C18函數(shù)集工具。系統(tǒng)程序總體由單片機(jī)18f4520初始化、LCD1602顯示模塊初始化、DS1302時鐘芯片初始化和主程序四部分組成。

程序要能夠?qū)崿F(xiàn)實(shí)訓(xùn)板開機(jī)后的自檢，學(xué)員考號的錄入，排故故障的隨機(jī)設(shè)置，考試時間的計(jì)時，考試的結(jié)果評定及記錄等功能。故程序的流程圖如圖6所示。

圖6 程序設(shè)計(jì)流程圖

單片機(jī)18f4520初始化包括設(shè)置系統(tǒng)晶振的工作模式和工作頻率，輸入輸出引腳的方向和狀態(tài)定義，定時器模塊的設(shè)置等。LCD1602顯示模塊初始化包括控制引腳的和數(shù)據(jù)引腳的定義，LCD工作模式設(shè)置，清屏和光標(biāo)顯示等。DS1302時鐘芯片初始化包括時鐘數(shù)據(jù)線引腳定義、時間設(shè)置、讀寫時序函數(shù)設(shè)置等。

綜上所述，通過對傳統(tǒng)維修電工實(shí)訓(xùn)板采用工業(yè)級的單片機(jī)嵌入式應(yīng)用改造，新的實(shí)訓(xùn)考評系統(tǒng)具有能耗低、壽命長、維護(hù)率低和可移動性好等優(yōu)點(diǎn)，使用常見的9v層疊電池即可長期工作。同時更重要的是能夠明顯地降低實(shí)踐培訓(xùn)考核的勞動強(qiáng)度，減少安全風(fēng)險和元件的故障率，使得學(xué)員自己能夠在安全的環(huán)境下自我測評?？荚u的程序與標(biāo)準(zhǔn)可規(guī)范的固化在單片機(jī)內(nèi)，將使得實(shí)訓(xùn)與考評更加科學(xué)標(biāo)準(zhǔn)化。學(xué)員和考評員都可以將以往對實(shí)踐結(jié)果的考評重心轉(zhuǎn)移到對實(shí)踐過程的考評上來，從以往單純的技能鑒定延伸到對過程職業(yè)素養(yǎng)的體現(xiàn)上來，從以往單純的量化考核到具體素質(zhì)細(xì)節(jié)的質(zhì)的考核上來。下一步，將在低功耗、低維護(hù)率和智能化的基礎(chǔ)上嘗試增加超外差、ZigBee等無線通信方式與上位機(jī)進(jìn)行連接，以實(shí)現(xiàn)考評實(shí)訓(xùn)工作的智能化管理與控制，全面提升培訓(xùn)考評的硬件水平。本文僅對學(xué)員學(xué)習(xí)智能電網(wǎng)技術(shù)課程之前先修的電力實(shí)訓(xùn)技能培訓(xùn)考核的一種設(shè)備進(jìn)行單片機(jī)嵌入式應(yīng)用做出探索與設(shè)計(jì)，僅當(dāng)拋磚引玉。只有探索和開發(fā)出更多的智能化職業(yè)實(shí)訓(xùn)與考評設(shè)備，我們職業(yè)技能的改革與發(fā)展才能得到更有效的硬件保障，我國的職業(yè)教育水平才能實(shí)現(xiàn)質(zhì)的飛躍。

【基金項(xiàng)目】2014年度廣西高等教育教學(xué)改革工程項(xiàng)目（2014JGB364）

【作者簡介】滕開良，男，廣西南寧人，廣西電力職業(yè)技術(shù)學(xué)院講師，工程師，技師，碩士。