工匠精神融入城轨信号专业实训教学探究——步进电机自动控制实训设计

商林

（武汉交通职业学院，湖北 武汉 430065）

0 引 言

党和国家在《关于深化教育体制机制改革的意见》《国家职业教育改革实施方案》中提出要创新人才培养方式、培养“德技并修”的高技能型人才。日常教学中教师要探索一条专业教育与德育彼此联系，有机结合的方式，搭建“德技并修”育人实践平台。实践教学是日常教学重要环节之一，它既可以培养学生的技能，也是培养学生一丝不苟的工匠精神的主要途径。

在上单片机技术实训课程中，由于任教的是城轨信号订单班的学生，课堂中重在培养学生的动手能力，所以要设计好实训内容来提高学生动手能力，并培养订单生的工匠精神。学生在上单片机课程时已经会使用STC12系列单片机，能进行简单的编程。根据教学内容选择了光敏传感器模块、28BYJ-48步进电机，要求实现的功能为：（1）能通过按键来选择控制系统是工作在自动模式还是手动模式，默认是自动模式；（2）如果控制系统工作在自动模式要求光照强时电机正转4圈即停止转动，光照弱时电机反转4圈即停止转动；（3）如果是手动模式，可以手动控制电机正转、反转、停止。

1 器件选择和工作原理分析

由于分析电路工作原理是高职学生的弱项，本实训直接购买了光敏电阻传感器模块和28BYJ-48步进电机。光敏电阻传感器模块有4个引脚，分别是VCC、GND、AO、DO，本次实训先使用DO数字输出引脚，充分发挥高职学生喜欢动手的特点，接好电源线和GND，模块的电源灯LED1点亮，把光敏电阻对准光源，光敏电阻传感器模块的状态灯LED2点亮，用万用表测量DO引脚电压为4.97 V，如果测量电压只有3 V左右，要调节光敏电阻传感器模块上的滑变，直到DO输出5 V左右；遮挡住光敏电阻，LED2灯灭，万用表测量DO引脚是0 V。28BYJ-48步进电机直接使用了ULN2003芯片驱动模块，采用的是4相5线5 V供电。28BYJ-48电机是4相8拍，参数表中的减速比为1：64，即转子转64圈，最终输出轴才会转一圈，步距角是5.625度，即1个脉冲信号转子转5.625度，64个信号转360度。本实训采用的是4相4拍制，需要2 048个节拍输出轴才转过一圈，如果采用是4相8拍要64×64=4 096个节拍输出轴才转一圈。系统工作原结构图如图1所示，光敏模块DO接STC12的P10，K1、K2、K3、K4分别接在STC12的P30、P31、P32、P33，ULN2003驱动板接P20、P21、P22、P23。其中K1是自动、手动模式切换按键，K2是正转按键，K3是反转按键，K4是停止按键。

图1 系统工作原结构图

2 电机旋转状态分析

本次实训使用的是4相4拍，只要4位数据就能完成，分别是P20、P21、P22、P23四个I/O口。定义了4个位变量，分别对应电机的A、B、C、D四相。

停止函数为：

上次实训已经完成了按键和LCD1602的知识训练，本次实训不深入讲解。由于电机在自动状态下只能转4圈，要定义变量记住电机的旋转方向，变量分别是unsigned char kai_max=1,guan_max=1；

3 整体功能实现

3.1 自动状态下光强控制

光线较强时，光敏模块输出为高电平，电机要正转，但是要控制电机转的方向，因此使用了组合条件，要同时满足(guangmin_DO ==1)&&(guan_max==1)，电机才会正转。电机转四圈的计算由DJ_quanshu去控制电机正转函数FWD()执行的次数，FWD()函数包括有4个脉冲：

当电机正转四圈后，要为反转和光线一直是强光做准备，电机转了四圈后，即使是光照强电机也不能转动，可修改电机旋转方向变量guan_max=0，kai_max=1完成。分析代码，电机转完四圈后，guan_max的值为0，电机正转的条件(guangmin_DO ==1)&&(guan_max==1)为假，故电机不转，但反转条件之一kai_max为1，即为反转做好了准备。此kai_max,guan_max变量为互斥的关系。

3.2 自动状态下光弱控制

光线较弱时，光敏模块输出为低电平，电机要反转，但是要控制电机转的方向，因此使用了组合条件要同时满足(guangmin_DO ==0)&&(kai_max==1)，电机才会反转，电机转的脉冲数见正转分析。关键代码为：

当电机反转四圈后，要为正转和光线一直是弱光做准备，即使是弱光电机也不能转动，可修改电机旋转方向变量guan_max=1，kai_max=0。分析代码，电机转转完四圈后，kai_max的值为0，电机反转条件(guangmin_DO==0)&&(kai_max==1)为假，故电机不转，但正转条件之一guan_max为1，即为正转做好准备。

3.3 手动控制模式

手动模式中调用键盘扫描函数，如果K2键按下，zheng_flag置1，如果K3键按下，fan_flag置1，在正反转过程中再调用键盘扫描函数，如果K4键按下，ting_flag置1，并调用电机停转函数，下面以正转为例分析：

当满足正转条件，进入电机正转循环，一直调用FWD()函数，电机正转。在FWD()后调用了键盘扫描函数，只要K4键按下，ting_flag被置1并且调用电机停止转动函数，电机停止转动，代码最后把zheng_flag清0了，改变了电机正转的条件，如果其它条件没有改变，电机暂时不会正转。电机的反转和停止旋转的过程分析同电机的正转分析。

3.4 自动和手动模式选择

实训设计了自动和手动模式转换，默认为自动模式，按K1键进行自动、手动模式切换。程序中定义了变量Auto_Flag，初值为1，Auto_Flag==1条件成立，控制系统执行自动模式。在执行自动模式中，调用键盘扫描函数，检测是不是有K1按下，如果检测到K1按下，把Auto_Flag取反，取反后Auto_Flag为0，Auto_Flag==1不成立，不执行自动模式，但Auto_Flag==0是成立的，进入手动模式的代码。在手动模式过程中同样调用键盘扫描函数，检测K1是否按下，如果检测到K1按下，把Auto_Flag置1，手动执行Auto_Flag==0条件不成立，自动模式条件成立，系统进入自动模式。

4 实训效果测试

按图1连接好模块，把光敏电阻对着光源，可以观察到光敏模块上输出状态指示的绿灯点亮，电机正转四圈后停止转动，遮挡住光源，光敏模块上输出状态指示灯灭，电机反转四圈后停止转动。任意时刻按下K4键，电机停止转动，再按下K2键，电机正转，正转过程中，按下K4键电机停止转动，按下K3键电机反转，反转过程中按下K4键，电机停止转运。经过测试，满足引言中提出的实验要求，达到了实训目的。

5 结 论

为了培养城轨信号专业现代学徒制订单班学生逻辑思维能力和工匠精神，设计了基于STC12单片机控制电机的实训，要求控制系统能通过按键切换成自动、手动模式。工作在自动模式时，光照强时，电机正转四圈，光照弱时电机反转四圈，并能切换到手动工作模式。工作在手动模式时，通过按键控制电机的正转、反转，能随时停止电机转动，并能切换到自动工作模式，光照的强弱、电机的状态能在LCD1602屏上显示。通过实训锻炼了订单生逻辑思维能力，提高了提手能力；实训过程中注重培养学生一丝不苟的实训态度，下课后通过实训室6S管理培养学生的劳动意识，通过设计该实训培养了订单生的工匠精神。