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一种通用型可编程微电脑控制器的设计 |
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来自：鲤城教育信息网（中职教股） 作者：泉州六中 连庆明 发布日期：2006年 双击自动滚屏 |
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摘 要：掌握单片机应用技术的人才在社会上很受欢迎，十分抢手。但由于实验条件的限制,很多职校无法开设单片机应用课程。笔者设计了一种用单片机实现的通用型可编程微电脑控制器，很好地解决了这一矛盾。该项设计已取得了国家实用新型专利。 关键词：新课改；教学手段；单片机应用；自动化控制
当前，新课改在教育领域正如火如荼展开，各种教育新理念、教学新模式、新方法、新手段层出不穷。笔者在多年的职校计算机教学实践中，也在不断探索教学新思路，研究如何取得更好的教学效果。单片机技术在工业自动化控制、仪器仪表等领域具有广泛的应用，掌握单片机应用技术的人才在社会上很受欢迎，十分抢手。很多职校的计算机专业和电子专业也曾开设过单片机应用这门课程。但由于该项技术涉及计算机硬件、软件和电子技术等诸学科，综合性强，要求学校配备相应的实验室，要有单片机仿真系统，学生才有办法做实验，而做实验对于该门课程的学习是不可缺少的。但由于单片机仿真系统价格昂贵，一套要几千元，如果按每两个学生一组做实验，一个班按40个学生计算，一个实验室至少要20套单片机仿真系统，设备投资要在10万元左右，而且电脑还不包括在内。高昂的投入使得很多职校不得不放弃对该门功课的开设。即使勉强开设，由于实验条件不具备，教学效果很差，学生如读天书，不知所云。实验是让学生从理论学习到感性认识的重要手段，对培养学生动手能力和实践技能具有重要作用。不做实验，无异于纸上谈兵，更谈不上良好的教学效果。 一方面，社会对掌握单片机应用技术的人才十分渴求；另一方面，学校由于实验条件不具备而难以开设该门课程。为解决这一矛盾，笔者设计了一种用单片机实现的通用型可编程微电脑控制器。该控制器可取代PLC（可编程控制器），简易直观，价格低廉，一套设备只需300元至500元左右。组建一个单片机应用技术实验室，配备20套该控制器，直流电源（DC24V），文本终端显示器（用于输入和显示单片机的控制参数）以及1个编程器（用于烧写单片机程序代码），一台电脑（用于编写控制程序），总共只需投资2万元左右。这对于任何一个职校来讲都是可以接受的。因此，该项设计对于职校的单片机教学具有重要的意义。 下面简单介绍笔者对该控制器的设计。 一、设计思想： 仿造PLC（可编程控制器）的外观和功能。如图1所示，本控制器的每一路输入端子都可用来检测各种数字开关信号，其电路结构和工作原理完全相同，用户可根据检测要求通过编程任意设置每一路输入的检测功能；本控制器的每一路输出端子都可输出各种数字开关信号，其电路结构和工作原理完全相同，用户可根据控制要求通过编程任意设置每一路输出的控制功能。改变控制对象，只需通过改编单片机程序代码，无需改动电路板上的电子硬件线路，因此可应用于各种机电设备实现自动化控制，其通用性强。 本控制器内部的单片机按照程序设计逻辑，检测输入端的数字开关信号，输出适用于各种设备动作要求的数字开关信号。另外，本控制器配有A/D、D/A端口可实现对模拟量的检测和控制；通信端口则可实现与文本显示终端等人机界面的串行通信。这样，就把单片机与外部设备的接口都做好了，通过这些接口本控制器就可直接连接输入输出设备实现各种检测和控制功能。
一、 电路结构： 本控制器包括输入端子、输出端子、单片机及设于单片机与输入输出端子之间的光耦（光电耦合器）和其他电子元件，还具有通信端口和A/D、D/A端口。本控制器采用PIC系列单片机为核心控制单元。 如图1所示，本控制器上具有两组接线端子，分别位于两侧，呈对称排列，其中一侧为输入侧，另一侧为输出侧。每组接线端子有单排和双排两种规格, 输入侧端子与输出侧端子呈上下或左右对称，其输入侧为电源信号输入端子和数字开关量信号检测输入端子，输出侧为数字开关量信号控制输出端子。 如图2所示，本控制器的每一路输入端子、输出端子均采用光耦隔离，保护单片机不受外界干扰，工作稳定可靠，其电路原理相同，结构参数也相同。其输入侧的每一路X输入端子的输入信号都为数字开关量，可直接连接各种按钮、开关或其它数字输入信号元件；其输出侧的每一路Y输出端子的输出信号都为数字开关量，可直接驱动继电器、固态继电器或其它小电流直流负载，从而连接各种电气执行机构（例如电磁阀、电机、电加热器等）。此外，本控制器的每一路输入端子均有指示灯用来指示输入信号的状态，每一路输出端子也均有指示灯用来指示输出信号的状态，以便用户检查控制动作。 二、 软件编程： 首先在普通电脑上利用记事本编写控制程序，编译后使用编程器将机器代码烧写到单片机中。利用电脑的输入输出指示灯和文本显示终端即可判断控制程序的正确与否，这样既直观又简便。 三、 应用前景： 本控制器具有结构简单、性能可靠、通用性强、经济实用等优点，在工业自动化控制等领域具有良好的市场前景。本控制器可取代PLC，而且价格低廉、安全保密，不仅可应用在职业学校的单片机实验上，还可广泛应用于鞋机、纺织机械、包装机械、建材机械、拉链注塑机械等机电设备中，具有良好的社会效益和经济效益。本控制器的设计笔者已申请获得国家实用新型专利，专利号为ZL：200420027127•4。 最后介绍如何使用该控制器进行单片机应用课程的实验教学工作。 下面以循环灯实验为例，说明整个实验的步骤。如图3所示，实验台上应根据实验要求配备所需的实验设备。 首先让学生在电脑上利用记事本编写以下源程序（假设程序文件名为lamp.asm）。本控制器采用MICROCHIP的PIC系列单片机，以下程序使用PIC系列单片机的指令系统。 org 0020h ;数据查表子程序 read addwf pcl,1 retlw b'00000001' ;1 retlw b'00000010' ;2 retlw b'00000100' ;3 retlw b'00001000' ;4 org 0100h ;主程序 main clrf count lop1 clrwdt movf count,w call read movwf portd ;输出端口 incf count,1 xorlw 04h btfss status,z goto lop1 goto main end 然后使用编译软件将源程序文件“lamp.asm”编译为目标文件“lamp.hex”,接着使用编程器提供的烧录软件将程序代码“lamp.hex”写入到单片机的程序存储器中。 最后将已烧录好程序的单片机插入到本控制器的单片机插座中进行实验调试。本控制器通电后，按照程序逻辑其输出侧的四个指示灯应循环点亮。如果控制功能不符合要求，应检查修改源程序并重新烧录程序代码到单片机直至满足要求。 利用本控制器同样可方便地完成单片机应用课程的其他实验。学生只要编写控制程序，而无需修改硬件电路，既直观又便捷，大大方便了实验教学工作。
总之，职校在单片机教学中，应重视实验课的教学工作，加强学生的实践操作技能，培养学生的动手能力和创新精神，让学生在实践中掌握单片机应用技术，使学生走向社会迅速成长为实用型的专业人才。教学模式、教学手段的创新，其最终目的就是为了达到良好的教学效果。笔者设计的控制器为职校单片机应用课程的实验教学提供了一种经济实用、直观有效的实验设备，值得一试。 |
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