自动检测学生接线正确性的实训装置*

◆杨军 杨林对 陈辉 潘健彬 谢文杰

自动检测学生接线正确性的实训装置*

◆杨军 杨林对 陈辉 潘健彬 谢文杰

电工类课程实训时，现在通常是让学生用实训导线将真实部件连接起来，等待教师检查后通电运行。这种教学手段效率低，学生接线有错误而急于通电，常导致部件损坏。由计算机来检测学生接线正确性的实训装置，能在学生有真实动手体验的前提下，自动检测出接线是否正确，避免损坏部件，提升教学效率。本装置已经申请发明专利。

实训装置；接线；自动检测

10.3969/j.issn.1671-489X.2015.24.159

1 引言

高职学生学习的一个重要的技能目标，是学会按照电路图正确接线，进而达到熟练的程度。以笔者所在学校为例，电工基础、电工考证、PLC等课程都有这一技能要求。教学中，学生常出现各种接线错误，若有接线错误仍加电，就很容易导致跳闸、熔断器熔断以及线路和部件损坏，影响正常教学［1］。所以，通常要求由教师检查无误后，才可以通电。但这样一来，学生要等教师有空来检查自己的电路，教学效率就不高，更重要的是会挫伤学生的学习积极性。笔者就见到过有学生等了好几分钟，终于等来教师检查、指出错误，改了再等，教师再检查、指出错误让其改，但学生已经无信心和耐心来练习了。

怎么解决这个问题？一个办法是使用纯计算机的仿真软件，已经有一些软件，如“电工仿真”，能帮助学生提高接线技能。但不少学生练习纯计算机仿真软件后，仍不会真实接线，原因是：

1）操作规则还是与真实接线不同，屏幕上可能是点错了就无反应，点对了就一下将此“线号”的所有线全连接好了；

2）通过点击鼠标在屏幕上“接线”，与使用螺丝刀进行真实接线相比，学生的学习体验大不相同。

那么，有没有一个实训装置，能够让学生有真实接线那样的学习体验，且不用教师来检查纠错，还不会损坏部件呢？这正是本文要介绍的“自动检测学生接线正确性的实训装置”（以下简称“本实训装置”）。其原理可概括为两点：让学生在部件引出的端子上真实接线；用计算机来检测接线的正确性。

2 实现方案

本实训装置分基本型、切换型、总线型。本文主要介绍基本型和切换型。先看基本型，也可称为“空壳部件”型。下面以一个最简单的实例来说明，其结构如图1所示（有对应的图表）。

图1 本实训装置基本型的结构

本实训装置的基本型里面要用到“空壳部件”（或元件、器件，下文统称部件）。“空壳部件”与实际搭建电路用的实训部件外观相同，包括接线端子位置也是相同的；但在空壳部件内部，各个端子间完全电气绝缘。空壳部件各个接线端子的内侧焊接引出一条导线（图1中用实线表示），称为“检测线”。“检测线”在空壳元件内部汇集起来，组成多芯电缆，通到接口板。图1中，4个空壳部件共有8个端子，对应8条导线（“检测线”），分成4根电缆连到接口板。

接口板通常是单片机电路，当然也可以采用现成的数据采集与控制卡，如DMP 401、Labjack系列。与上位机的连接用USB口（当然用并口、串口也可以）。上位机用PC，安装本实训装置的人机界面、控制软件。本实训装置中，若接口板用单片机，并且为单片机配上触摸屏等人机界面，则可以不用上位机，就成为本实训装置的简化版本了。

本实训装置能够检测各类电工、电子实训电路。这里用一个总端子较少的电路“简A电路”为例，介绍其工作原理。“简A电路”的原理图如图2所示（有对应的图表）。

简A电路图中给每个部件两端标了号码0～7，是为了请读者对应接口板I/O端口号，更易理解本文。

表1 接口板仅I/O端口0为输出（高电平）时，各端口的电平

表2 接口板仅I/O端口1为输出（高电平）时，各端口的电平

图2 “简A电路”的原理图

图3 用实训导线将空壳部件连接起来

学生先按照简A电路图原理图的要求，用实训导线在空壳部件的端子上，用螺丝刀等工具，或者插接，进行真实的接线操作，接好的电路如图3（有对应的图表）所示。图中，实线是“检测线”，虚线表示实训导线。

这时实际上形成图4（有对应的图表）所示的电路（为了不显得杂乱，接口板上I/O端口3～6上的检测线未画出）。图4（有对应的图表）反映了用实训导线连接空壳部件后，接口板上各I/O端口间就会具有一定的实际连通关系：通过实训导线，接口板上I/O端口0、4、6连接在一起（对应线号F），I/O端口1、2连接在一起（对应线号H），I/ O端口3、5、7连接在一起（对应线号K）。本文中称这种连通关系为“接线图”。

图4 用实训导线连接空壳部件后实际形成的电路的原理图

接口板对各I/O端口进行扫描，就能得到一组二进制数，这一组二进制数就可以表示接线图。下面介绍怎样通过扫描建立一组二进制数，来表示图3所对应的接线图。

上位机先将接口板置为I/O端口0为输出高电平，其他I/O端口（端口1～7，都带有下拉电阻）为输入。各端口的电平，高电平记为1，低电平记为0，I/O端口0正在输出高电平，也记为1。各I/O端口的电平都填入表格中，如表1所示（有对应的图表）。

将I/O端口7的电平对应的数值作为二进制数的D 7位，将I/O端口6的电平对应的数值作为二进制数的D 6位……如此依次将各I/O端口的电平对应的数值填入二进制数的各个位，则得到一个二进制数010 100 01 B。它表示接口板上I/O端口0、4、6，通过空壳部件，被实训导线连接在一起，而其他端口都未与这三个端口连接。实际上，这三个端口对应的就是“简A电路”的线号F。

上位机再将接口板置为I/O端口1输出高电平，其他I/O端口（端口0，2～7，都带有下拉电阻）为输入，就会如表2所示（有对应的图表）。

将各I/O端口的电平对应的数值填入二进制数的各个位，则得到一个二进制数000 001 10 B，它表示接口板上I/O端口1、2通过实训导线连接在一起，而其他端都未与这两个端连接。

继续这一测试过程，扫描完成后，共得到8个二进制数。这一组（8个）二进制数构成“简A电路”的01号“判别规则库”，反映了通过实训导线在空壳部件上做出（此种）正确连接时，接口板各端子间的通断关系。有读者会注意到，8个二进制数中有彼此相同的。如010 100 01 B这个数，01号判别规则库里应当有三个，如果只有一个或者两个，就是计算机（包括接口板）工作不正常。

有判别规则库后，就可以让学生使用实训导线在空壳元件上接线。接好后，用前述的扫描测试方法，得到一组（8个）二进制数，本文称它为“学生接线数据组”。显然，对于“简A电路”，“学生接线数据组”的内容如果与01号判别规则库内容相同，则说明学生接线形成的通断关系与图3相同，学生接线是正确的。进行比较的工作由计算机程序完成，此处不赘述。

如果不同，计算机程序就可以分析并且告知学生本次接线结果与正确接线的区别在哪里，及将学生所接线转化成原理图让学生对照。有区别可能是接错，如电压表极性接反了；也可能是另一种正确接线法，如12 V 10 W的灯泡上，6号与7号连接端子互换了，这时只需教师操作，将本“学生考核数据组”存为“简A电路”的02号判别规则库。“简A电路”的所有判别规则库组成“简A电路”的判别规则总库。后继的考核中，只要“学生接线数据组”与“判别规则总库”中任一“判别规则库”内容相同，都可认定学生接线正确。

至此，本实训装置的基本型的原理要点——用空壳元件练习接线、用计算机来检测接线的正确性——已经介绍完。可见，它既有真实接线的学习体验，不用教师来检查纠错，还不会损坏部件，满足了实训教学的需要。

3 功能方面的扩展

本实训装置检测时，不仅比教师快得多，而且不会放过任何接线错误。本实训装置的基本型还可以增加很多功能，为接线学习提供便利。

1）给每个空壳部件的每个端子的旁边装一个指示灯。学生在上位机屏幕上显示的原理图中，用鼠标点一下某个部件的符号，则计算机让此空壳部件各端子处的指示灯都亮，学生就知道此符号所对应的部件实物外形是什么样子，这可以引导学生去学习符号与实物的对应关系；用鼠标点一下原理图中某条连线，则计算机让此线连接到的各端子旁边的指示灯都点亮，学生将这些端子接到一起，就完成了此线号。

2）将某实训导线一端接入电路后，另一端应当接到哪个空壳部件的哪个端子上？除了刚才说的“让此线号各端子处的指示灯全点亮”的方法，还可在本实训装置上加设一个“提示端子”来指引学生。“提示端子”输出脉冲信号，只要用“另一端”碰着本实训装置上的“提示端子”，计算机就可识别出此实训导线已经接入的这一头是属于哪个线号，哪些端子已经接入此线号。各空壳部件端子处的指示灯已经接入此线号的将点亮，待接的则闪烁，指引学生完成此线号。

若某个端子只连接到了本实训装置上的“提示端子”，则计算机可探测出这是哪个空壳部件的哪个端子，并在屏幕上的原理图中高亮、闪烁提示。这样一来，学生就可以知道每个空壳部件和每个端子对应屏幕上的原理图中哪个符号及哪个端。

3）学生连接时，上位机屏幕将原理图中已经接好的这部分同步着重显示出来：已经接对的高亮显示；接错的部分则闪烁显示。一旦发现会造成短路、烧坏的错误接线，则计算机立即发出警告。这些都能让学生即时得到反馈，有如一位教师在旁边专门指导自己接线。

本实训装置的基本型已经可以满足很多实训需要。例如：很多实训台原本就是将实训用的部件固定在挂箱上，学生用实训导线去插接；电工考证培训中，学习继电器控制电路时，常是已经将每个基本控制电路需用的电器固定在一块底板上，做成实训屏，用螺丝刀等工具接线。本实训装置的基本型就可以做得与这些实训设备有相同外形，便于学习。若需要增加I/O端口时，只需在接口板上增加单片机或者电子开关就可以。

本实训装置的基本型用的是空壳部件，优点是批量生产时成本很低，运行时耗电、材料损耗都很少，无设备和人身危险。但有时也希望学生能够学习判断部件好坏、测量部件特性、真实运行，这时就可采用本实训装置的另一个子类型，叫作“切换型”：改用真实电气部件，增设用来让学生接线的端子（以下简称“学生端子”），以及受接口板控制的多组转换接点（以下称其为“切换控制单元”）。由切换控制单元，将学生接在“学生端子”上的导线要么全部连接到实训部件上，要么全部连接到接口板上（单片机的I/O端口）。图5（有对应的图表）就给出本实训装置的“切换型”的硬件原理。在下面介绍切换型时，请读者注意区分部件本身的端子（或引线）与专门让学生接线的端子。部件本身的端子（或引线）不希望学生碰触到，学生只能在“学生端子”上面测量、接线。

图5 本实训装置的切换型的原理

图5中未画出上位机，也未画出学生所接的线。组装本实训装置时，学生端子的位置应当与部件本身的端子（或引线）引入装置时所经过的面板上的开孔尽量接近，以便让学生感觉部件本身的端子（或引线）是通过导线直接接到学生用的端子上的。图5是用继电器的转换接点来构成切换控制单元，继电器由接口板控制，两个继电器提供8组转换接点，线圈并联，使接点同步动作。8组转换接点，向右是常闭，学生所接的线将全部通过端子连接到实训部件上；向左是常开，学生接线全部被连接到接口板上。真实电路运行时所需的电源也受接口板控制，所以图5的电源用的是受控源的符号。切换原则如下。

1）在自动检测接线正确性的短暂时间里，8组转换接点都是打到左边的，学生的接线全部被连接到接口板，由计算机检测正确性。计算机应当提前提醒学生撤下所有万用表、示波器等仪器，不要手工对电路进行任何测量。

2）自动检测前，也就是学生接线期间，8组转换接点都是切换到右边。通过8组常闭接点，实训部件与学生接线用的端子接通，学生就可在端子上测量部件，判断每个部件好坏；因为学生本来就感觉“部件本身的引线是直接接到学生用的端子上的”，所以增加了切换装置后，学生也不会有什么不习惯。

3）自动检测后，若检测认定接线为正确的话，8组转换接点才会全都切换到左边，接口板使受控源有电能输出，实训电路开始真实运行，学生就可观测运行结果。由于接线正确才允许真实运行，故不会发生跳闸、熔断器熔断以及线路和部件损坏等事故。

4 总结

综上所述，通过引入计算机，本实训装置能在电工类课程的实训学习中让学生保持真实动手体验的前提下，自动检测学生接线正确性，并可以进一步提供提示、指引、同步纠错等功能，让实训教学与考核更加安全、可靠、高效。依照实训需要，适当地选择本实训装置的子类型，就能满足实训需求，明显提升实训教学与考核的水平。本装置已经申请发明专利。■

［1］郑发泰.基于单片机的电气控制线路接线故障诊断系统［J］.现代电子技术，2010（13）:156-158，164.

［2］涂金龙，王晓丽，郭新兰.用于教学的电气实训系统的设计［J］.数字技术与应用，2012（9）:231-232.

［3］孙达夫.维修电工技术:MES模块式教学（活页）［M］.北京:高等教育出版社，2007.

［4］罗勇，薛金水.电路与电工技术［M］.北京:中国人民大学出版社，2014.

TP391.6

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1671-489X（2015）24-0159-04

*项目来源：广东省大学生科技创新培育专项资金资助（项目编号：pdjh2015b0732）。

作者：杨军，广东工程职业技术学院专任教师，讲师，研究方向为电子技术；杨林对、陈辉、潘健彬、谢文杰，广东工程职业技术学院（510520）。