电子线路故障检修实训装置设计

杭州市萧山区高级技工学校 魏金灵

电子线路故障检修实训装置设计

杭州市萧山区高级技工学校 魏金灵

传统的电子线路故障检修实训装置，多采用分立元件搭建的电路板进行训练，学生考核的依据是能否出现正确的电路现象，若学生只排除了部分故障，教师较难给出成绩。学生学习的难度较大，学习积极性不高，甚至产生畏难情绪。本文设计的电子线路故障检修实训装置，可以练习电子线路的故障排除方法，掌握常用的电子线路检修的基本技能。装置中设有触摸屏模块，学生能通过屏幕中的帮助指南自主学习故障检修，从而减少了教师的授课量，并且增加了学生学习的主动性。

电子电路；故障检修；实训设备；Atmega128

1 引言

随着科技的飞速发展,各种电子设备在各行各业和人们的日常生活当中得到了广泛的应用,而在其使用过程中受到各种因素的影响,难免会发生故障,影响正常的生产、生活、科研、学习等。因此,加强电子电路常见故障排除方法的研究具有十分重要的现实意义。

电子线路故障检修实训装置(以下简称故障检修装置)可作为维修电工、无线电调试工职业技能训练教学设备,可以练习电子线路的故障排除方法,掌握常用电子线路检修的基本技能。也以作为技能鉴定考核设备,相比普通的故障检修设备,其具有操作简单、方便等优点。设计采用集中管理控制,减少在技能考核中的人为因素。

2 系统方案

2.1 系统总体构成

电子线路故障检修实训系统由上位机和若干台故障检修装置组成,如图1所示。每个组成单元的功能如下:

图1 实训故障检修系统构成

(1)上位机:负责教师端的数据发送,将教师设定的故障信息发送到故障装置中。

(2)故障装置:负责将上位机发来的故障命令设置成对应的故障点,同时也负责将学生的排除故障的信息返回给上位机。

(3)无线模块:组建一个无线网络,实现上位机与故障装置之间、故障装置与故障装置之间的信息的传递。

2.2 装置结构组成

故障检修装置由无线模块、MCU(微处理器)控制模块、触摸屏HMI模块、继电器控制模块以及单元电路板等模块组成,如图2所示。

图2 故障检修装置构成

下面简单介绍每个组成模块的功能:

(1)MCU控制模块:MCU控制模通过接受无线模块或者触摸屏HMI模块的信息,控制继电器模块将故障点下发到单元电路板中。

(2)触摸屏HMI模块:触摸屏HMI模块负责训练学生排故,在屏幕中设置有训练模式,通过点击触摸屏上的设置故障按钮,就能在单元电路设置故障。另外在触摸屏中设置有帮助指南画面,可以帮助学生自主学习单元电路板电路,提高学习兴趣,增强同学的学习兴趣。

(3)继电器控制模块:继电器控制模块负责执行MCU发送来的故障信息,设置对应电路板的故障点。

(4)无线模块:无线模块负责将故障检修装置同上位机和其他故障检修装置连接起来,读出上位机发来的信息传递给MCU,或者将MCU的发送信息发送到上位机或者其他装置。

(5)单元电路板:故障检修装置一共有5块单元电路板,分别是:串联稳压电源、调光灯、晶体管时间继电器、基于LM324的信号发生器、简易数字电容表。这些单元电路板都是模拟电路和数字电路最常见的电路,学生比较容易接受,利用继电器将电路中的导线断路或者短路,就能设置故障点。

3 系统功能设计

故障箱设有三种工作模式,其中模式一是固定训练模式和模式二是随机故障点训练模式,都是由各个故障箱的触摸屏控制端进行设定,第三种模式是考核模式,是由教师端通过无线局域网络控制。

(1)模式一是固定模式,在该故障箱的控制系统内设有一定数量的故障组,并且是针对各单元电路故障点固定设置,所以学者可以选择针对某一故障训练,有针对性的熟练某一知识点。

(2)模式二是随机模式,在该故障箱的控制系统随机设有一定数量的故障组,每一故障组的故障点是随机提供的,没有确定性,所以这种模式是在模式一的基础上设置的,难度相对提高,要对各个单元电路原理熟悉,以及熟练掌握故障检修方法。

(3)模式三是考核模式,这种模式是学生在训练期间看不到的,此模式作为考核鉴定,是教师端通过无线局域网络集中控制的,有电源管理、故障设置管理以及成绩统计管理等功能。

4 硬件设计

4.1 控制系统设计

该系统以ATmega128L单片机为核心器件,其模块的工作原理是:单片机读取无线模块和触摸屏的信息,将设置故障指令下发到继电器模块,设置故障点。其中单片机需要一定的外接电路才能正常工作即单片机最小系统,主要包括ATmega128L单片机、复位电路和时钟电路。

4.2 触摸屏HMl模块

触摸屏HMI模块是故障检测装置的人机交互界面,学生通过点击触摸屏的按键,就能简单、方便的设置电路故障点。触摸屏模块的选取也决定了故障检测装置的是否易于操作。

4.3 继电器控制模块

4.3.1 I/O端口拓展电路

由于单片机输入输出接口的数量有限,为了达到对40个故障点的设置,必须对单片机的输入输出接口数量进行扩展。扩展电路采用5片具有串入并出功能的芯片74LS595级联来实现,只要占用单片机3个I/O口,即可完成对40路输出的独立控制。

4.3.2 继电器驱动电路

由于I/O拓展芯片74LS595的驱动能力有限,不能直接用来驱动继电器,所以我们采用大电流负载芯片ULN2803驱动继电器。拓展芯片74LS595输出的电平经过光耦隔离后,驱动ULN2803,负载驱动芯片驱动继电器线圈,继电器的触点接入单元电路板的支路中,当继电器触点得电触点闭合,该路接通;当继电器线圈失电时触点断开,单元电路板出现故障,

4.4 单元电路板电路设计分析

故障检修装置一共有5块单元电路板,分别是:串联稳压电源、调光灯、晶体管时间继电器、基于LM324的信号发生器、简易数字电容表。这5个电路既有模拟电路又有数字电路,其中调光灯电路和简易数字电容表现象比较易于观察,而串联稳压电源电路则是模电的基础电路,由此看出选取的单元电路都是很有代表性的。

4.5 电源模块设计

根据设计需求,故障检测装置可两部分组成,分别为控制电路供电电源和单元电路板供电电源。

5 软件设计

程序编写采用的是模块编程的思路,包括主程序、系统参数设定子程序、模块初始化子程序、通信子程序、I/O拓展子程序等模块,其软件流程图如图3所示。

图3 系统软件流程图

触摸屏采用了迪文DUGS串口屏,这种串口触摸屏配置简单,不需要在屏幕上编写程序,只要配置触控画面即可,画面结构包括用户登陆、训练模式选择、帮助模式三级页面,如图4所示。