电子类实验控制系统设计

刘文发， 宋亚男， 赵瑞斌， 张 晶

(1.河北医科大学 第二医院影像科，河北 石家庄 050011；2.河北医科大学 第四医院超声科， 河北 石家庄050031；3.河北医科大学 医学影像学院，河北 石家庄 050031)

0 引言

电子类实践教学是电子技术、通信、自动控制等理工类专业的必修课，这些专业的培养目标之一是让学生了解基本元器件的工作原理，进而分析整体电路的工作过程。在实际的工程问题中，常常由于器件、工作环境等多方面因素，使电路的工作状态产生错误、故障，所以要求学生具备一定的故障排查能力及维修能力。实验教学作为培养学生动手能力和创新精神的重要手段，在培养环节中具有举足轻重的作用[1]。但在本科阶段的实验，多以验证性内容为主，采用搭建好的电路模块，进行简单的连线即可进行实验，这样的模式只是让学生根据实验指导书机械地完成实验内容，而缺乏对元件、模块、整体电路原理的深刻理解。只有极少数的实验设备具有故障设置功能，但其实现是通过物理方法人为设置故障或通过模拟开关来控制，故障点设置的隐蔽性不高，导致故障分析的技术含量低，实用性差，无法调动学生的积极性，也不便于教师对仪器的统一设置和恢复[2]。故在实践教学中，为了加强学生对整体电路的分析能力，故障分析以及排除能力，巩固深化理论知识，进而提高学生对工程实践问题的分析能力和解决能力，本文设计制作了一种实验控制系统，用于模拟常见的电路故障[3]。

1 控制电路设计

实验控制系统的设计基于STC89C52单片机，包括故障控制电路、4*4矩阵键盘、红外遥控器、液晶显示和电源电路。要实现电路的故障点控制，首先需要对原有实验电路进行分析，找出可以设置故障点的元件或电路模块，然后将控制系统与这些故障点进行连接。实验时，可通过4*4矩阵键盘实现故障点的选择，对于拥有多组设备的实验室，也可以使用红外遥控器实现多台设备统一设置和恢复。为了提高控制系统的实用性，设置了密码功能，通过密码后才能进入控制系统，当输入错误密码超次后，启动报警系统，进行蜂鸣提示。

1.1 控制系统硬件设计

对于电子电工常见实验电路进行总结分析，发现在实验过程中主要存在三类故障：短路、断路和接触不良。比如，当电容两端超过击穿电压而发生击穿时，电路出现短路故障；当元件由于过流而烧坏时，发生断路故障；当电位器滑片或焊点松动时，会产生接触不良。

故本实验控制系统主要针对这三类常见故障点进行模拟，利用STC89C52单片机功耗低、抗干扰能力强等特点，将其作为微控制器，与故障控制电路等其他模块进行连接，构成的控制系统原理框图如图1所示，其实物图如图2所示。

图2 控制电路实物图

将控制系统与设计好的故障点在原实验装置内部连接好，打开控制系统电源，通过矩阵键盘或者红外遥控器输入密码后，选择不同类型故障点，由单片机向故障控制电路发出指令，对相应的故障点进行控制。之后点击*键，键盘锁定，只有正确输入密码后，才可再次操作控制电路。可以通过LCD1602显示对操作进行提示。

短路设置为故障A，采用继电器常开触点接入元件两端，必要时加入保护电路；断路设置为故障B，采用继电器常闭触点串联到电路中；接触不良设置为故障C，将继电器常闭触点串联入电路中，通过波形发生器产生的高低电平控制三极管的导通和关断，进而控制继电器导通和关断。三类故障的控制系统电路示于图3。

图3 故障控制电路

1.2 控制系统程序设计

控制程序主要由C语言进行编译，主要分为密码部分和控制部分。正确输入密码后，可进入控制部分进行故障选择，故障设置完成后返回密码部分，依靠电路中单向可控硅的“自锁”功能维持电路故障，让学生进行电路故障的排查。由于密码锁定，学生不能进入控制部分，保证了故障设置的可靠性。程序流程图如图4所示。

图4 程序流程图

2 实验过程

2.1 实验材料

山东泰安开发区现代器械厂生产的X线机教学示教箱，是针对医学影像技术专业学习X线机原理和构造而设计的一系列教学设备，包括X线机管电流管电压测量、容量保护实验、旋转阳极启动与延时保护电路、摄影限时电路和灯丝变频电路等。通过模拟X线机各主要部分的电路，让学生学习各个电路模块的工作原理、信号控制流程，进而加深对X线机整机原理的理解。

通过对示教箱电路的详细分析及参数计算，保证在不损坏电路及元件的前提下，引入合适的故障设置点。比如在电容两端设置短路故障，模拟电容的击穿特性；在交直流接触器、继电器这类有触点的元件两端设置接触不良故障，模拟元件因潮湿、氧化、松动造成的接触不良；设置三极管故障，分析信号通路故障；在整流电路或逆变电路中某一个二极管两端设置断路故障，通过波形分析电路模块故障；或在保险管、连接导线两端设置断路故障等等。为了不损坏原有实验箱，保护电阻和保护电容的两端不能设置短路类故障点。

将本文设计的实验控制系统与示教箱连接在一起，设置了三种不同类型的故障点，如图5所示。

图5 控制系统与示教箱连接

2.2 实验实施

实验过程中，首先让学生对正常无故障的电路进行参数测量和波形测试，通过这一步的学习掌握元件特性、模块功能，进而对实现对整体电路功能的分析。

接下来进行故障设置以及排查，教师通过控制系统进行统一的故障点设置，然后使用密码功能锁定控制，让学生对电路的故障进行分析。

排查方法应首先根据电路的故障表现，用眼看、耳听、鼻闻和手触的方式进行初步判断，接下来借助量表进行故障排查。如图6所示，应遵循先找出故障模块，再排查故障元件的顺序[4]。对于电路模块功能的排查，可现用用示波器观察输出波形，与正常波形进行对比，判断该模块是否正常工作，再进一步确定是短路还是断路故障，这种方法对于整流电路、滤波电路等更实用。在排查元件故障时可使用：电阻值测量检查法、电压测量检测法和电流测量检测法等，逐步缩小故障范围，最终确定故障原因。需要注意，用欧姆档测量出的电阻值为零，通常为短路类故障，一般会导致电流变大，可能造成电路过流损坏。同一类元件的故障类型可能不尽相同，比如电阻老化时，有少数出现阻值减小的情况，而多数电阻的阻值会变大。

图6 故障排查思路

在故障排查中，要注重信号控制流程，当某一个元件发生故障时，并不止在这一个点产生影响，而是对后续的电路产生连锁反应。比如当整流电路中的二极管损坏后，使电解电容工作在交流电中，如果反向漏电流较大，就可能致使电容发热而短路损坏。所以在故障排查中，不仅要根据实验现象找出故障点，还要根据信号控制流程进一步查找故障产生的原因，这就对学生的电路分析能力提出了更高的要求。

2.3 实验评价

故障排查类实验的评价，需要教师根据每个组的排查情况对实验组的操作进行指导和评分，并在实验结束后进行统一的故障分析和讲解，最后通过一键恢复功能还原所有仪器。

经过故障排查实验，不仅可以让学生熟悉多种典型故障的现象和解决办法，还可以更深刻地理解元件在电路中的作用，以及电路模块的工作原理，这些实际动手能力的提高都对整机的故障排查能力的提高有很大帮助。而实验经验的积累，又为培养学生的工程实践能力和创新能力打下良好的基础。

传统的故障排查实验中，教师的工作量非常大，在实验前需要逐台设置故障，在实验后还需逐台检查仪器并恢复故障。通过本文设计的单片机控制系统进行故障排查实验，可以将教师从繁琐的重复工作中解脱出来，通过遥控就可对所有实验仪器进行统一控制，实验完成后再一键恢复就可还原所有设备，大大减轻了教师的工作量，为故障排查类实验从选做内容变成必修内容铺设了便捷通道。

在实验过程中，除了预先设置好的故障之外，不可避免地会出现由于学生操作不当带来的自然故障，如电源连接不当；电容短路、开路造成的过流损坏；各种干扰引起的故障等，此类故障种类丰富，具有很强的随机性，会对实验操作带来很大的影响，如教师一键恢复后电路仍不能正常工作，则考虑自然故障，需进一步对实验箱进行排查恢复，对学生的动手能力是一个很好的提升机会。

3 结语

在电工、电子类实验中增加电路故障排查的内容，无论对提高学生的电路分析能力，还是综合运用知识，解决实际问题的工程能力都大有裨益。鉴于目前国内的电子电工类实验教学多以正向验证型和设计型内容为主，而设置电路故障让学生进行排查的实验并不多见，将本文设计的实验控制系统，与现有的实验设备相连接，增加故障排查的实验内容，为学生设计出丰富多样的工程问题，提高学生解决实际电子电路问题的能力。同时，使用本控制系统可以在不增加新设备的前提下，只需进行必要的参数计算和设计，就可将故障排查实验引入到现有仪器设备中，使其得到合理的开发利用，提高现有资源的综合利用水平，实现实验室资源价值最大化。

以上只是电子电路中的典型故障，后续还可继续探索更多的故障种类，如芯片的引脚故障，电源故障，或测量仪表故障等等，使可控的故障种类更加丰富。同时，还可进一步使用无线网络连接故障控制系统，通过上位机控制故障的选择与恢复，更加便于操作与管理[5]。

除了上述在实验室中的故障控制之外，本系统具有广泛的自动控制功能，只要进行合理设计，连入不同的终端系统，就可应用于工业生产，或是日常生活中。比如在机械零件生产线上安装传感器，探测产出的零件质量，一旦发现有坏件出现，就通过控制系统触发断路故障暂停生产线，直至修复故障后可再次开启，避免连续产出坏件。只要设计合理，电路故障控制系统可以实现广泛的应用价值。