基于虛實結(jié)合的單片機實驗教學案例設計

汪愛明，石 皓，孟 晨，黃從巍

（中國礦業(yè)大學（北京）機電學院 北京 100083）

單片機是從事機電一體化設計人才必須掌握的一門技術(shù)[1]。單片機課程實踐性強，相關(guān)理論內(nèi)容不易理解與掌握，傳統(tǒng)以實驗箱為核心的實驗課程難以滿足提高學生實踐創(chuàng)新能力的需求，本文以工業(yè)現(xiàn)場案例為基礎，采用虛實結(jié)合的思路，設計單片機實驗教學案例，為提高學生的實踐創(chuàng)新能力提供保障。

1 案例工程背景

綜采刮板輸送機是煤礦工作面核心裝備，負責工作面煤炭運輸，并作為采煤機運行軌道和液壓支架前移支點[2]。鏈條是其關(guān)鍵部件，牽引刮板實現(xiàn)煤炭運輸。由于異物卡頓、過載、磨損、腐蝕等原因，鏈條會發(fā)生斷鏈、跳鏈、堵轉(zhuǎn)、斷刮板等故障[3]。目前，鏈條故障檢測主要依靠人工，無法及時發(fā)現(xiàn)故障，導致維修難度增加，使得生產(chǎn)中斷時間變長。

文獻[4]提出了一種如圖1（p110）所示的鏈條故障傳感裝置，刮板機運行時，刮板2帶動舌板5擺動，舌板上的磁鐵4時而正對、時而偏離霍爾傳感器3，導致傳感器輸出如圖2（p110）所示的脈沖信號。鏈條沒有故障時輸出正常脈沖；斷鏈時，斷鏈側(cè)的霍爾傳感器一直輸出低電平；跳鏈時，脈沖周期會變化；堵轉(zhuǎn)時，兩路同時輸出低電平，且刮板機轉(zhuǎn)速為0；斷刮板時，會丟失對應個數(shù)的脈沖。采用兩個單片機可以同時采集雙路脈沖信號，但在分析時存在時鐘同步難題，且成本高；因此需開發(fā)基于單CPU的刮板輸送機鏈條故障監(jiān)測儀。該監(jiān)測儀是一個應用單片機解決現(xiàn)場問題的典型案例，學生能夠掌握利用單片機開發(fā)測控系統(tǒng)的流程，掌握電路設計、軟件開發(fā)的基本知識以及相關(guān)工具軟件的使用方法，有助于提高學生的學習興趣和實踐創(chuàng)新能力[5-6]。

圖1 舌板接觸式鏈條故障傳感裝置

圖2 輸出脈沖信號（僅展示1路）

2 案例設計

2.1 功能及總體架構(gòu)

基于單CPU的刮板輸送機鏈條故障監(jiān)測儀需要同時采集雙路脈沖信號并進行分析，判斷是否發(fā)生鏈條故障，若發(fā)生故障，需要及時提醒現(xiàn)場人員；此外，還需讀取刮板輸送機控制器輸出鏈輪轉(zhuǎn)速信號，判斷堵轉(zhuǎn)故障。

如圖3所示，以STCSTC15F2K60S2單片機為核心開發(fā)本監(jiān)測儀，利用PCA模塊捕獲兩路脈沖，配合定時器分析脈沖信號，判斷是否發(fā)生斷刮板、跳鏈故障；為了便于程序下載，設計以Max232為核心的ISP在線編程模塊；采用Led燈報警鏈條故障；通過以Max485為核心的通信模塊與刮板輸送機控制器的通信，讀取控制器輸出鏈輪轉(zhuǎn)速信號。

圖3 二次儀表總體方案設計圖

2.2 硬件電路設計

2.2.1 在線編程電路

如圖4所示，單片機P3.0和P3.1分別與Max232芯片的12和11引腳連接；DB9插接件的2、3引腳與Max232的14和13引腳連接，實現(xiàn)單片機輸出的TTL電平與RS232電平的轉(zhuǎn)換，達到與計算機通過RS232串口下載程序的目的。

圖4 STC15F2K60S2單片機最小系統(tǒng)圖

2.2.2 電源模塊

如圖5所示，接線端子CN1接入5V電源，為本裝置供電。F1為一個500mA的自恢復保險絲，D1為二極管，led1為電源指示燈。該電路具有反接保護功能，當輸入電流過大或者電路板短路時，過大的電流將會產(chǎn)生過大的熱量，使保險絲迅速熔斷，切斷電源，保護其他元器件。此外，該電路還具有反接保護功能，若反接，輸出電流將通過二極管與自恢復保險絲構(gòu)成回路，熔斷保險絲，進而保護其他元器件。

圖5 電源電路設計圖

2.2.3 485通信模塊

如圖6所示，STC15F2K60S2單片機的P3.7、P3.6分別連接485芯片的TXD和RXD引腳，P3.5連接通信收發(fā)控制引腳，實現(xiàn)基于RS485的鏈輪速度讀取。

圖6 基于RS485的數(shù)據(jù)上傳模塊

2.2.4 報警模塊

如圖7所示，led2為綠色的led燈，代表鏈條正常；led3、led4、led5、led6、led7均為紅色的led燈，分別表示L斷鏈、R斷鏈、斷刮板、跳鏈和堵轉(zhuǎn)故障。

圖7 故障報警模塊電路設計圖

2.3 軟件設計

利用STC15F2K60S2的PCA模塊的脈沖捕獲功能實現(xiàn)跳鏈和斷刮板檢測，利用定時器實現(xiàn)斷鏈檢測，利用485通信讀取鏈輪轉(zhuǎn)速判斷是否發(fā)生堵轉(zhuǎn)。采用Keil C51軟件編寫程序，包括：主程序、基于PCA的跳鏈和斷刮板檢測程序、基于定時器斷鏈檢測程序和基于鏈輪轉(zhuǎn)速的堵轉(zhuǎn)檢測程序。

2.3.1 主程序

如圖8所示，首先對定時器0、定時器1、串口以及PCA模塊進行初始化，并開啟總中斷；然后，在while死循環(huán)中判斷雙側(cè)鏈條斷鏈的標志位是否同時為1，若滿足條件則向刮板輸送機控制器發(fā)送讀取鏈輪轉(zhuǎn)速信號，采用中斷方式接受數(shù)據(jù)并在中斷服務子程序中依據(jù)鏈輪轉(zhuǎn)速是否等于0判斷堵轉(zhuǎn)故障。

圖8 主程序流程圖

2.3.2 基于PCA的跳鏈和斷刮板檢測程序

STC15F2K60S2的3個PCA模塊分別是CCP0、CCP1、CCP2，對應的管腳分別為P1.1、P1.0、P3.7；本設計的雙路脈沖接入P1.0和P1.1。如圖9所示，當輸入脈沖正跳變時，進入PCA中斷服務子程序，對系統(tǒng)時鐘進行計數(shù)，計算相鄰兩次發(fā)生正跳變計數(shù)值之差，即可得到脈沖寬度length1和length2，將length1-length2的值與設定閥值比較，即可判斷跳鏈和斷刮板故障。閾值1為刮板輸送機正常運行時的允許偏差最大值，理想應為0，實際會大于0，但不會太大，因此可取一個較小數(shù)值。取鏈條無故障情況下正常脈沖計數(shù)寬度平均值length，將閾值2設為0.25length，閾值3設為length。

圖9 PCA中斷函數(shù)流程圖

2.3.3 基于定時器的斷鏈檢測程序

以斷左鏈判斷為例，將定時器T0定時為50毫秒，如圖10所示；若超過1秒，即定時器進入中斷20次，系統(tǒng)未進入PCA中斷清除定時器計數(shù)值，判定為斷鏈故障。中斷子程序中通過t0判斷左鏈是否斷。右鏈斷鏈類似，利用定時器T1。

圖10 定時器0中斷函數(shù)流程圖

2.3.4 基于鏈輪轉(zhuǎn)速的堵轉(zhuǎn)檢測程序

由于定時器0和1被占用，因此選擇定時器2為波特率發(fā)生器，與刮板輸送機控制器通信，讀取鏈輪轉(zhuǎn)速。當主程序發(fā)送讀取鏈輪轉(zhuǎn)速指令后，采用中斷方式接受轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)，并判斷是否堵轉(zhuǎn)。如圖11所示，接收到鏈輪轉(zhuǎn)速，長時間捕捉不到左鏈和右鏈的脈沖信號，即flag1和flag2為1時，表明鏈條停止運行，若鏈輪轉(zhuǎn)速為零，則發(fā)生了堵轉(zhuǎn)。

圖11 接收數(shù)據(jù)中斷函數(shù)流程圖

3 案例實施

3.1 軟硬件準備

實驗需配備如下軟硬件：Altium Designer 6.0，繪制電路原理圖和PCB；Keil Vision 4，編寫編譯程序；STC-ISP在線編程軟件，下載程序到單片機；CH341SER，USB轉(zhuǎn)串口驅(qū)動；Proteus Pro 8.13，開展仿真實驗。

3.2 實施過程

第一步，參考圖12，在Proteus中采用STC15W4K32S4代替STC15F2K60S2，U1用于模擬雙路脈沖，利用該單片機定時器對P0.0和P0.1不斷翻轉(zhuǎn)取反輸出模擬雙路脈沖；U2用于模擬本監(jiān)測儀，采集并分析雙路脈沖信號。第二步，參考2.3節(jié)，利用Keil Vision編寫各軟件模塊；結(jié)合第一步設計的仿真電路進行調(diào)試，實現(xiàn)預期功能。第三步，參考2.2節(jié)，利用Altium Designer繪制監(jiān)測儀電路圖及PCB。第四步，將設計的程序下載到監(jiān)測儀樣機，實驗驗證預期功能；如圖13所示，實驗時，采用STC15F2K60S2單片機輸出如圖2所示的模擬雙路脈沖，利用示波器實時測量該脈沖。

圖12 基于Proteus的案例模擬實驗電路示意圖

圖13 實驗現(xiàn)場

3.3 成績評價

上述4個步驟分別對應4個任務，學時分別設置為1個、2個、2個和1個；從完成速度和效果兩方面進行打分，4個任務的完成速度總分分別為10分、10分、10分和10分，完成速度總分分別為10分、20分、20分和10分；綜合每個任務實驗過程中的各個環(huán)節(jié)進行評價與考核。總評成績由實驗環(huán)節(jié)成績和實驗報告成績兩部分組成，各100分。

4 結(jié)語

基于虛實結(jié)合的單片機實驗教學案例以實際工程應用為背景，匯聚了單片機I/O、PCA、定時器、中斷等模塊知識點以及相關(guān)軟件的使用，使學生形成使用單片機開發(fā)測控系統(tǒng)的能力；與基于單片機開發(fā)板的傳統(tǒng)實驗教學方式相比，該方式能夠更好地調(diào)動學生的積極性，提高學生的參與程度，鍛煉其動手實踐能力。