数控装备设计理念融入单片机课程教学

翟兆阳 曲雅静 尹明虎 石坤

［摘 要］ “单片机原理及应用”是一门面向应用、具有很强实践性和综合性的课程，如何结合实际控制目标对“单片机原理及应用”课程教学进行创新改革值得深入思考。针对机械设计制造及其自动化、车辆工程等专业，可以结合机械设计相关专业基础知识，将数控装备的结构设计及运动控制融入单片机教学当中，让学生通过“单片机原理及应用”课程的学习，实现了与机械原理、机械设计等专业基础课程的紧密衔接，参与教改班级学生的知识体系得到了进一步完善，综合素质水平得到了进一步提高，为培养兼具数控装备结构设计、自动化检测及控制能力的复合型人才提供了有力的支撑。

［关键词］ 单片机原理及应用；数控装备；结构设计；复合型人才

［基金项目］ 2021年度西安理工大学教育教学改革研究项目“‘两性一度导向下《机械原理课程设计》贯通式教学改革与实践研究”（xjy2117）

［作者简介］ 翟兆阳（1985—），男，河南安阳人，工学博士，西安理工大学机械与精密仪器工程学院讲师，主要从事机械设计与制造技术研究。

［中图分类号］ G642.0 ［文献标识码］ A ［文章编号］ 1674-9324（2023）10-0141-04［收稿日期］ 2022-05-27

“单片机原理及应用”是一门面向应用环节，具有很强实践性和综合性的课程，是为机械设计制造及其自动化、车辆工程等专业设置的专业基础课［1-4］。该课程旨在使学生通过学习单片机的工作原理、硬件结构、程序设计、接口技术及扩展方法，掌握单片机在实际应用中软件系统与硬件系统的设计思想以及设计方法和步骤，使学生具备分析、设计单片机的基本技能［5-7］。结合实验课程教学，增强实践动手能力，培养学生对单片机的分析、设计以及综合开发应用能力，为今后解决相关工程技术问题奠定基础［8］。

一、“单片机原理及应用”课程性质及教学目的

“单片机原理及应用”通过课堂理论教学讲授单片机组成及工作原理、单片机程序设计、中断系统、定时/计数器、接口技术和单片机应用系统的分析设计方法，配合课程实验教学和课外作业训练，使学生掌握单片机的工作原理、应用程序编写和单片机设计的基本方法，培养学生应用所学知识进行单片机系统分析和设计能力，以及综合运用单片机系统软硬件相关知识解决相关工程技术问题的能力［9-10］。

该课程分为课堂教学和实验两部分。课堂教学通过课堂教学使学生掌握单片机的组成与内部结构、存储器组织、指令系统与程序设计、中断系统与定时器/计数器、串口通信、单片机接口技术、系统扩展方法等基本知识，初步掌握通过仿真软件进行单片机系统程序编写、硬件系统设计及综合仿真调试的方法，培养学生单片机系统应用程序分析和编写能力、硬件系统的设计能力，以及根据功能要求进行单片机系统软硬件分析和设计开发能力［11］。实验教学通过实验环节，使学生熟悉单片机系统集成环境软件的使用方法，掌握单片机中断、定时、计数、输入/输出通道接口、串行通信等功能及其实现方法；实验环节采用分组形式，要求学生能够利用所学理论知识，根据要求构建实验系统并安全地进行实验，能够正确采集分析和解释实验数据，并得到合理的结论；培养学生利用所学知识分析问题、解决问题和方案设计的能力，以及团队合作与交流沟通能力［12-13］。

二、融入的数控装备结构及功能

目前单片机系统的应用已经遍布生活和工业各方面，全面实现了乘用车辆、家用电器、医疗仪器、工业设备的智能化检测与控制。“单片机原理及应用”是一门面向应用、具有很强实践性和综合性的课程。如何结合实际控制目标，对“单片机原理及应用”课程教学进行创新改革，值得我们深入思考。针对机械设计制造及其自动化、车辆工程等专业，可以结合机械设计相关专业基础知识以及企业横向课题，将数控装备的结构设计及运动控制融入单片机教学当中［14-16］。让学生通过“单片机原理及应用”课程的学习，实现与机械原理、机械设计等专业基础课程的紧密衔接，旨在培养兼具数控装备结构设计、自动化检测及控制能力的复合型人才。下面结合全自动连接线加工机进行具体讲解说明。

电容器连接线的加工是配套电容器生产的重要工序，连接线的质量直接关系到电容器运行的可靠性和稳定性。目前国内电容器厂家的连接线加工方法主要是靠操作工手持刀具对电缆线进行裁断，并剥离绝缘橡胶。此方式不仅对工人的操作水平要求较高，而且工人劳动强度大，容易出现质量问题，加工效率也较低，是整个电容器生产链条的一个瓶颈。针对这种情况，为了提高产品质量及生产效率，全自动连接线加工机应运而生，该设备是用于剥离电缆线外层绝缘橡胶，并裁断电缆线的自动化设备。

由于电容器连接线的种类较多，线径、绝缘层厚度、连接线长度等加工要求都各不相同。目前国内生产的电缆线加工设备由于加工范围较小，自动化程度较低，无法满足电容器生产厂家的需要。因此，全新研制的全自动连接线加工机填补了国内全自动加工电容器连接线的空白，提高了电容器行业生产的自动化水平。全自动连接线加工机的研制成功，可完成配套电容器生产的重要工序，保证了连接线质量的可靠性和稳定性；避免了工人因使用刀具不慎将手割破的情况，消除了存在的安全隐患；同时大幅提高了加工效率，突破了电容器生产链条的瓶颈。

由于连接线不仅用于电容器行业，同时也大量用于电力行业的其他领域，所以该设备在满足电容器连接线加工的全自动化的基础上，可以向相关行业继续推广［17］。设备大量采用气动元件（气缸、电磁阀、传感器等），配合伺服电机完成动作。控制系统由主控制箱、伺服控制器、变频控制器等组成，自动化程度高，在提高生产效率的同时，可提升企业形象。整个设备主要由放线装置、矫直组件、轴向切刀组件、传送组件、导向组件、纵向切刀组件、收料组件等组成。放线装置配有放线辊，设计载重量不小于200 Kg，放置时能够成卷放置，且放线方式是从外圈向内圈。上料时先将料辊从架子上取下，然后穿入线盘，最后放回料架；矫直组件由多套槽轮组成，上下两排槽轮可调节轴间距，用于铜线电缆的导向与矫直，防止由于电缆线过于弯曲给剥线造成困难，槽轮材质为45号钢；轴向切刀组件由气缸、导轨滑块、导轮、轴向切刀组成。用于剥电缆线中部绝缘橡胶时切轴向直缝隙，轴向切刀進刀量可调，有效避免了刀片深度过浅绝缘橡胶剥离困难，以及刀片深度过深造成的电缆线铜芯损坏及刀片过度磨损等情况，切刀材质为合金工具钢；传送组件由上下两套对称的带轮组成，旋转运动由伺服电机控制，可正反向精确地传送电缆线。两套带轮的夹紧与松开靠气缸及同步机构控制，时刻保持电缆线的同轴性。由于使用了气缸缓冲，使用时噪音低，震动小。气缸压力可调，防止压力过大损坏电缆线，或者压力过小传送时打滑，导向轮材质为45号钢；导向组件由多套不同直径的导向筒组成，根据不同电缆箱直径更换相应导向筒，用于连接切刀组件与传送组件；纵向切刀组件由上下两个刀模组成，装有纵向切刀与裁断刀。纵向切刀负责给电缆线绝缘橡胶切纵向环缝隙，裁断刀负责将电缆线裁成需要的长度。两刀模上下运动由伺服电机控制，纵向切刀与裁断刀可分别运动，进给精确效率高，切刀材质为合金工具钢；收料组件由不锈钢收料槽组成，不锈钢槽有支架支撑，方便收集加工完成的电缆线，收集区分为废料收集与产品收集，产品收集不区分种类；控制组件由触摸屏、按钮开关、悬臂组成。用于控制参数的输入及设备运转的控制，操作简单方便；机架组件由型钢焊接而成，中间设有元件安装板，用于安装控制元件及气动元件；设备外层采用钢化玻璃防护罩，保证操作者和其他人员的人身安全。

三、装备设计理念融入课程教学

单片机的结构及原理主要讲授51系列单片机的硬件结构，包括单片机的结构、存储器配置、单片机外部引脚及功能和并行输入/输出口。通过教学使学生了解单片机的结构及工作原理，理解振荡器、时钟电路和时序，掌握存储器的配置、可位寻址寄存器以及特殊功能寄存器的特点和用途、4个并行输入/输出口的使用、机器周期的定义及其与时钟周期的关系、复位条件、复位电路和复位状态，建立单片机软硬件协同工作的基本思想，为硬件电路分析和设计打下必要的基础。结合全自动连接线加工机结构介绍单片机系统的组成，系统输入可以连接触摸屏而不仅仅限于按键和开关，系统输出连接的是气动元件电磁阀及电机而不仅仅限于发光二极管。根据引脚、事件、信息的形式抽象地讲授时序概念时，学生理解起来往往比较困难。按照全自动连接线加工机的工作原理，可以将时序理解为放线装置、矫直组件、轴向切刀组件、传送组件、导向组件、纵向切刀组件、收料组件的顺序动作。

单片机的中断系统主要讲授中断的基本概念、51单片机的中断源、中断系统结构和工作原理、中断响应过程、中断的控制方法及中断应用程序的编制。通过教学使学生了解中断在单片机系统中的意义和作用，理解中断响应过程，掌握与中断相关的特殊功能寄存器的功能及其设置方法，以及中断系统应用程序的设计方法，培养根据功能要求进行软硬件方案分析设计的能力。在讲授单片机中断系统的概念时，按照课本中的看报纸、接电话、关煤气等事件进行举例难免让学生理解不够透彻。结合全自动连接线加工机的控制原理，可以将中断理解为在设备正常运行过程中，若遇紧急或者突发情况，操作人员可以迅速按下急停开关暂停设备运行。待操作人员排除异常情况后，方可操作设备继续正常运行。

单片机的定时器/计数器主要讲授51系列单片机定时器/计数器的结构及工作原理、定时器/计数器的工作方式和控制方法、定时器/计数器的编程及应用。通过教学使学生了解单片机定时器/计数器的结构及工作原理，掌握定时器/计数器工作方式及应用、相关特殊功能寄存器的功能及其设置方法，以及定时器/计数器的应用程序编制方法，能利用定时器/计数器并结合中断系统的知识解决单片机应用系统的实际问题。结合全自动连接线加工机结构介绍单片机系统的定时器/计数器工作原理，设备的放线装置、矫直组件、轴向切刀组件、传送组件、导向组件、纵向切刀组件、收料组件按照编制的程序顺序动作，每个组件都有各自独立的启动和停止时间，这个时间就是由定时器控制的。设备计划及实际加工连接线数量的统计则是通过计数器来完成。以此类推，装备设计理念可以融入单片机课程教学的例子非常多，这里就不再逐一介绍。

结语

“单片机原理及应用”课程实行教学改革以来，结合机械设计制造及其自动化、车辆工程等专业的相关基础知识，将数控装备的结构设计及运动控制融入单片机教学当中。让学生通过单片机原理及应用课程的学习，实现了与机械原理、机械设计等专业基础课程的紧密衔接，参与教改班级学生的知识体系得到进一步完善，综合素质水平得到进一步提高，为培养兼具数控装备结构设计、自动化检测及控制能力的复合型人才，提供了有力的支撑。

参考文献

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Integration of Numerical Control Equipment Design Concept into the Course Teaching of Single

Chip Microcomputer

ZHAI Zhao-yang， QU Ya-jing， YIN Ming-hu， SHI Kun

（School of Mechanical and Precision Instrument Engineering， Xian University of Technology， Xian， Shaanxi 710048， China）

Abstract： The course of Principle and Application of Single Chip Microcomputer is an application-oriented， practical and comprehensive course. How to innovate the teaching of this course in combination with the actual control objectives deserves deep thinking. For the majors of mechanical design and manufacturing， automation and vehicle engineering， the structural design and motion control of numerical control equipment can be integrated into the teaching of single chip microcomputer， based on the basic knowledge of mechanical design. Through the study of single chip microcomputer principle and application， students can realize the connection with professional basic courses such as mechanical principle and mechanical design. The knowledge system of students participating in the teaching reform class and their comprehensive quality level have been further improved. The reform provides a strong support for cultivating compound talents with the ability of numerical control equipment structure design， and automatic detection and control.

Key words： Principle and Application of Single Chip Microcomputer; numerical control equipment; structural design; compound talents