一体化一教学设计(多篇)

1、 /42环绕型几种：一体化教室布置图前后型是比较常见的一体教室的布置形式，大多数的一体化教室均可采用此种方式。此种方式布局分区明显，前面摆放课桌，方便理论教学，后面摆放实习设备，方便实操训练，在授课时还可交叉进行教学，同时方便课堂管理。环绕型是较具有特色的一体化教室，教师在中间，学生和实习设备分布在四周，此种布置有利于教师和学生的直接交流，方便教学与课堂管理。但对场地的面积要求大，而学生的人数要求少。混合型将实习设备和课桌编在一起，大大节省了一体教室的空间，但由于教师在前面，学生在后面，故在授课时学生的视觉会受到一定的影响，在教室内布置多媒体投影设备可达到较好效果，但课堂管理不如前后型方便。4

2、、加快一体化教材的编写教材，即教科书，是向学生传授知识的主要载体。知识能在多大程度上得以实现，首先取决于教科书的质量。目前各出版社为我们提供的教材依旧是理论、实训分开编写，加之现代科学技术飞速发展，知识的更新亦加快了速度，而部分教材的内容过旧，甚至有些教材的内容与实际严重脱节与滞后，实用性不强，所以开发具有校本特色的、理论和实践有机结合的一体化教材是实施一体化教学的必要保证，在开发教材过程中，立足于专业理论学习和专业实践有机结合，立足于满足学生适应工作岗位的需要和专业技能发展的需要。我认为一体化教材的理论知识和实操知识的比例宜在4：6左右，同常规教材相比，其侧重点要转移到操作技能上来，要求理论

3、知识浅显易懂、简洁明了、可操作性强。在教材的编写过程中，舍弃一些烦琐冗长的理论，突出实用性和可操作性。一体化教材最好采用知识模块化的体系组织编写，即一个课题由若干个知识模块构成，而一个教学模块是由必备的理论知识（应知）和需掌握的技能知识（应会）所组成，其相互关系如下图所示。一体化教材知识结构图5、建立科学的评价体系针对一体化教学模式的特点，教学评价要遵循多样性、适应性、动态性的原则。一是确立多元化的考核目标。二是确定实用性的考核内容。三是采用灵活多样的考核方式。四是建立全方位的考核评价体系。三、一体化教学模式的实践（一）作好一体化教学的教学设计教学设计是运用现代学习与教育心理学、传播学、教学媒

4、体论等相关的理论与技术，来分析教学中的问题和需要设计解决方法、试行解决方法、评价试行结果并在评价基础上改进设计的一个系统过程。其目的是为促进学习和绩效提高，分析、计划、实施、评价、修改是教学设计的主要环节，其工作对象是由教学目标、教师、学生、教学内容、教学媒体、教学手段等构成。教学设计一般包括以下四个基本要素：教学目标，教学内容，教学策略、教学媒体，教学评价。这四个要素从根本上规定了教学设计的基本框架，无论在何种范围内进行教学设计，教学设计者都应当综合考虑这四个基本要素，否则，所形成的教学设计方案将是不全面、不完整的。一体化教学设计也应包括上述四个要素，但突出的是一个教学过程中的教学策略与教学

5、手段、教学媒体等方面。教学设计的模式通常有分析模式、目标模式、过程模式三种，我认为一体化教学采用目标模式的教学效果较好。目标模式又称系统方法模式它是由美国教学设计专家迪克和科里提出的。其强调以教学目标为基点对教学活动进行系统设计，以达成教学目标为基本目的。这一模式的基本程序有九点如下图：目标模式1、确定教学目标。也就是要确定在教学完成时学生能达到何种水平。根据总目标确定教学的行为目标，行为目标应对学生学习活动的预期结果、课程中的重点难点及其他特殊要求有明确规定教学目标应明确学生在学习过程中在哪些方面能做到什么，如知识、技能、情感等等。2、进行教学分析。确定教学目标后，要通过对目标的进一步分析，

6、细化目标确定学生应掌握的各种知识、技能和技巧，并确定掌握某种技能技巧的过程或步骤。细化的目标在职业技术教育中主要包括应知和应会两方面。3、知识起点分析。即分析学生在接受新知识之前应具备的知识程度，准确把握学生的现实发展水平，是教学取得成功的重要基础。学生的现实发展水平主要指学生已有的知识、能力水平，学习准备状态和一般的身心发展特点。4、编写具体操作目标。在完成前三项工作的基础上，教学人员要进一步列出具体的、可供操作的目标，即对已确定的教学目标作进一步分解和细化。5、确定项目达标参考标准。这种参考标准常常通过测验、考评、技能鉴定来体现。其要求以教学目标为依据，设立测验评价的参照标准。这些参照标准

7、的好坏要用目标来衡量，并且测验项目的要求与目标所陈述的行为类型应有关联。6、确定教学策略。为达成预定的目标，教师必须考虑采用何种教学策略和方法来有效实施教学。教学策略包括了教学准备、教学实施、教学评价等部分。设计教学策略应借鉴当前对学习进行研究的成果、对学习过程本质的认识、教材的内容以及学生的特点。7、选择教学材料。这项工作要求教师根据教学需要，合理选择和利用有用的资源，如教学材料、学生学习指南、教师指导书、教学设备、多媒体教学课件等。8、进行形成性评价。在构思了一个完整的教学方案之后，还需要作出一系列评价，以便对方案进行调整和修改。教师或教学设计人员可以从以下三类形成性评价中获得有益的反馈，

8、即个体的评价、小组评价和学科评价。9、修正教学。根据形成性评价所得到的资料，可以发现教学中的不足之处，从而修正教学方案。这一模式的基本特点是强调教学目标的基点作用，设计过程系统性强，具体的设计步骤环环相扣，易于操作。一体化教学在进行教学设计时，要充分考虑学校和学生的实际情况，灵活运用上述设计流程，特别是在开发和选择教学材料时，一旦现实达不到教学要求的条件，作为教学设计人员，要有应急措施。（二）加强一体化教学的课堂管理课堂管理是指教师为了保证课堂教学的秩序和效果，协调课堂中的人与事、时间与空间等各种因素及其关系的过程。搞好课堂管理不仅是课堂教学顺利进行的基本保证，而且是提高课堂教学质量的有效途径

9、。同常规教学的课堂一样，一体化教学必须要制定相应的课堂规则，“没有规矩，不成方圆”。一体化教学由于运用了多种教学手法，动用了许多教学设备，所以一体化教学管理比常规的课堂管理要困难得多。特别是一体化教学有实践和生产的参入，故其管理的内容也比常规课堂管理要丰富得多，比较明显的是多了设备的管理和安全操作的管理。一般一体化教室应在明显位置挂置“一体化教室管理制度”、“设备安全管理制度”、“设备安全操作规程”、“突发事件处理流程”等规章制度，并在学生进入一体化教室之前进行适当的安全知识教育，帮助其树立安全概念，防止出现不必要的安全问题。一体化教学的课堂管理还应把学生管理结合起来，在学生分组的同时，应指定

10、一个小组长，协助教师进行教学管理。教师要指导小组长在上课前检查教学工具、设备、材料，上课中注意小组内学生操作的安全，下课后组织学生做好工具、材料的整理，做好设备的维护，并打扫一体化教室的卫生。这样一方面使学生掌握技能知识，另一方面提高学生的管理能力、沟通能力、协调能力。此外，一体教学由于有实践的教学环节，教师在学生自我训练时，一定要巡视，有针对性的指导，对个别不遵守纪律的学生要耐心教导，引导其步入正规。每上完一个教学模块时，要学生写学习心得，教师可以利用学习心得进一步了解学生，同时也了解自己的教学情况，以便调整自己的教学方法与授课技巧。（三）学会一体化教学的授课方式一体化教学的授课方法贯穿于整

11、个授课过程之中，包括讲解示范操作、指导操作练习、参观、填写学习日志等。一化教师要学会各种授课方法并灵活运用，具体来讲，在运用上述方法时要注意以下一些方面：1、讲解讲解中，教师语言应有逻辑性、针对性、和指示性。在讲解过程中要能正确运用概念进行判断和推理，并借助于教学设备，阐述工作原理、设备结构。并指出在使用操作设备、加工产品时，哪些必须这样做，哪些必须那样做，必须注意哪些问题，必须避免哪些可能出现的问题、错误，否则，会影响产品质量，甚至还会造成生产事故。讲解时要注意使用教学语言艺术，教学语言艺术是教师最主要的教学手段，其要求教师的语言清晰简练，准确生动，特别讲解操作动作时，应注意使用的语言应坚决

12、果断，切勿模棱两可。讲解时的板书不宜太多，只需把重点关键词语写出，必要时配以图表讲解，以增强教学的直观感。2、示范操作示范操作即是演示教学法，其利用各种实物挂图、模型、设备进行操作示范，让学生对所学知识、技能从感性上得到认识。一般分为操作的演示、直观教具的演示和产品的展示，其中演示又分为慢速演示、分解演示、重点演示三种。教师在进行演示时，最好边演示边讲解，因为只演示不讲解，达不到预期的效果。故在演示时，要讲清动作的特点和关键，以及如何防止出现错误。3、指导操作练习在一体化教学中，有一个重要环节是要学生自己动手练习，教师应运用专业理论知识反复地、多样地进行实际指导，在训练学生自己动手操作时，有三

13、个循序渐进的过程，即基本操作训练、综合操作训练、独立操作训练。在这三个过程中，教师应勤巡视，一方面解答学生提出的问题，一方面观察学生的实际操作情况，同时也要预防学生在操作过程中出现的安全问题。必要时指导教师还需再次进行示范操作，此时指导教师一定要耐心辅导，仔细讲解与示范。4、学习日志上完每个教学单元或教学模块，要求学生写出自己的学习日志。通过学习日志，一方面教师可以了解学生的学习情况，对学生不足之处应重点补充。另一方面通过写日志，促使学生在学习和操作过程中多思考，多观察，多探索。填写学习日志，不仅有利于提高学生的专业技能、技巧，而且能锻炼学生的观察能力和分析能力，使思想觉悟和写作能力都不断提高

14、。教师要仔细阅读学生的学习日志，并做出批改，必要时可以找个别学生谈话，帮助学生解决学习中的疑难问题。同时教师要通过学习日志了解自己的教学方法是否得当，是否符合当前学生的实际情况。（四）注意一体化教学化的教学过程在具体的教学目标确定后，我们就要为每一个教学单元精心设计教学过程。传统的教学过程以教师为中心，采用“讲听”、“讲练”的方式开展教学，其具体的流程是复习提问、导入新课、新课讲授、课堂练习、总结巩固、布置作业。而一体化教学打破传统的授课方式，以学生为中心开展教学，教师只是教学的组织者，为学生提供优良的学习环境与条件，指导学生设法解决有关知识问题，让学生在解决问题的过程中掌握知识，同时积累经验

15、教训，其教学过程的开始不是介绍有关概念定义，而是常常从实际的例子导入。以设备控制基础中“三相异步电动机的双重互锁正反转控制线路”的一体化教学为例，其教学过程常常采用的步骤包括：1、明确学习和训练的目的与要求；2、掌握进行该教学单元实际操作的工具、仪表的使用方法；3、在设备上找到该教学单元所包括的各低压电器，了解控制系统的组成；4、结合多媒体课件和理论指导，拆装各低压电器，学习其结构；5、结合多媒体课件和教具的演示，学习系统的工作原理；6、由教师提出不同的控制要求，学习控制电路的设计、安装及调试；7、由教师设置不同的故障，学习对该控制系统进行故障诊断的方法和手段；8、根据故障现象，拆下相关低压电

16、器，进行修理作业或更改线路，掌握机床电控维修工艺；9、完成学习日志，开展专题讨论并进行总结；10、进行考核。总之，我认为中等职业教育采用一体化教学有助于改善目前中等职业教育所面临的各式各样问题的有效教学方法，我相信只要我们全体中职教师共同努力、不断探索就能够作到：改善课堂的教学环境，改善目前职业学校学生普通厌学的现象，就能够提高学生的学习兴趣和专业课的教学质量，从而大大提高学生的专业技能，拓宽学生的就业面，促进学校的建设和发展。真正为中华腾飞做出我们中职教师应尽的责任。第5篇：机电一体化教学平台设计正文机电一体化实验教学平台设计第一章绪论现如今，随着教学方法的进步，以及科技的发展，实验教学平台

17、已经进入校园。PLC教学用的试验箱，单片机教学用的开发板等等，都是实验教学平台。而机电一体化教学平台相对来学涉及的学科范围广，难度大，成本高，所以其普及率也相对较低，但是其对对机电一体化的教学却有着非常重要的意义。该平台采用了高度的教学开放式布局设计,可以根据实验教学的要求进行不同的组合,能够完成多项综合性实验。对平台总体方案以及微机数控车床机械系统的设计予以介绍,重点是进给系统和自动回转刀架。单片机控制系统采用功能型模块化设计方案,配置灵活,适应面广。该平台采用创新型的设计方法,软硬件系统从底层高度开放,可完成多个综合性实验教学项目;有效地改善我国机电专业的实验教学条件,显著提高教学效果,得

18、到国内许多高校的肯定。平台外观布局如图所示。图平台机电一体化实验教学平台设计机电一体化实验教学平台采用开放式平台结构，可以完成本科教学多门课程的综合性、设计性和创新性实验，也可支撑专业课程设计或毕业设计。实验平台的控制系统基于MCS-51系列的8位单片机，可控两个移动轴；伺服进给系统由步进电机驱动电源、二相混合式步进电机、无间隙减速齿轮箱、精密滚珠丝杠副和移动导轨副构成，最终控制卧式车床或X-Y平面工作台的运动；步进电机的尾部装有圆光栅编码器，系统采用半闭环控制。硬件的模块化组合：硬件电路根据功能设计，采用模块化结构，使用者可以自由选择，组合连接，以实现不同的功能要求。软件的高度开放性：使用者

19、选择的硬件连接后，可以根据实验的要求，自己编制源程序代码，嵌入到系统程序中，完成指定的任务；既可采用单片机仿真插头，连接PC机在线调试，也可固化程序脱机运行；平台系统的底层汇编程序，包括相关的子程序，全部对外开放，可以选择使用。机电一体化实验教学平台设计第二章系统总体方案设计根据机电一体化系统设计、数控技术、单片机原理及其应用主干课程的实验教学要求,平台确定采用模块化设计,具有很强的针对性和通用性。各模块既可单独完成某门课程的实验,也可互相配合完成复杂的机电一体化综合性创新实验。平台在总体方案设计时充分考虑教学的开放性要求,在硬件和软件系统从最底层开放,供学生自主实验。系统主要特色如下:由于教

20、学功能要求,所以总体布局与普通工业产品有很大不同,最大特点是控制系统不能封闭,而是以面板形式充分展开,其外形总体尺寸大小应考虑一个实验小组的人数,一般在57人。电气系统的模板配置应该考虑到强弱电的分开,避免干扰的发生;此外强电模板要尽量减少裸露接头,提高安全性。机械系统部件的选择;应能充分代表当前机电产品的典型应用,教学难度适中;由于教学需要充分且详细的图纸资料讨论,所以应该是作者科研开发的产品,有自主知识产权。平台由机械系统、控制系统、PC机等部分组成。机械系统包括数控车床、X-Y工作台、自动回转刀架等。PC机通过仿真器和控制系统相连接,学生可以在PC机上编制相应的源程序,通过仿真器完成在线

21、连机调试。平台总体构成见图。机电一体化实验教学平台设计图系统框图2微机数控车床机械系统设计微机数控机床是典型的机电一体化产品,在几门主干课程中都是重要的教学对象。作者二十多年来一直在从事这方面产品的研究开发工作。积累了大量的经验和技术资料,这为平台的研制提供了保障。主要设计工作是将纵向和横向进给系统改成用微机控制的、能独立运动的进给伺服系统;将手动刀架换成自动回转刀架。总体设计方案的确定总体设计方案应考虑车床数控系统的运动方式、进给伺服系统的类型、数控系统CPU的选择,以及进给传动方式和执行机构的选择等。主要如下:(1)普通车床数控化改造后,数控系统应设计成连续控制型。车床经数控化改造后属于经

22、济型数控机床,应简化结构,降低成本。因此,进给伺服系统采用步进电动机的开环控制系统。根据数控系统的经济性要求,结合本科教学课目,决定选用MCS-51系列的8位单片机作为数控系统的CPU。根据系统的功能要求，需要进行存储器扩展、键盘与显示、I/O接口电路等设计;还要选择步进电动机的驱动电源以及主轴电动机的交流变频器4机电一体化实验教学平台设计等。纵、横向的进给传动应选用摩擦力小、传动效率高的滚珠丝杠螺母副;为了消除传动间隙提高传动刚度,滚珠丝杠的螺母应有预紧机构。由于采用步进电动机,为了圆整脉冲当量,往往需要减速机构,并且应有消间隙措施。选择四工位的立式自动回转刀架,采用单片机进行控制机械系统主

23、要的改造设计主传动系统的改造设计对普通车床进行数控化改造时,需要在加工中自动变换主运动转速,可用24挡的多速电动机代替原有的单速主电动机;当多速电动机不能满足要求时,可用交流变频器实现无级变速。系统中,当采用有级变速时,可选用YD系列715kW变级多速三相异步电动机，实现24挡变速；当采用无级变速时,应加装交流变频器,型号为:F1000-G0075T3B,适配715kW电动机，生产厂家为烟台惠丰电子有限公司。安装电动卡盘为了提高加工效率,工件的夹紧与松开采用电动卡盘,选用呼和浩特机床附件总厂生产的KD型电动三爪自定心卡盘。卡盘的夹紧与松开由数控系统发信控制。(3)换装自动回转刀架为了提高加工精

24、度,实现一次装夹完成多道工序,将车床原有的手动刀架换成自动回转刀架;实现自动换刀需要配置相应的电路,由数控系统完成。(4)螺纹编码器的安装方案数控车床加工螺纹时,需要配置主轴脉冲发生器,作为车床主轴位置信号的反馈元件,它与车床主轴同步转动。这里,改造后的车床能够加工的最大螺纹导程是24mm,Z向的进给脉冲当量是0101mm/脉冲,选择螺纹编码器的型号为ZLF-1200Z-05V0-15-CT,生产厂家为长春光机数显技术有限公司。机电一体化实验教学平台设计第三章系统详细设计X-Y数控工作台是许多机电一体化设备的基本部件，如数控车床的纵-横向进刀机构、数控铣床和数控钻床的X-Y工作台、激光加工设备

25、的工作台、电子元件表面贴装设备等。因此，选择X-Y数控工作台作为机电综合课程设计的内容，对于机电一体化专业的教学具有普遍意义。模块化的X-Y数控工作台，通常由导轨座、移动滑块、工作平台、滚珠丝杠螺母副以及伺服电动机等部件构成。其外观形式如图所示。其中，伺服电动机作为执行元件用来驱动滚珠丝杠，滚珠丝杠的螺母带动滑块和工作平台在导轨上运动，完成工作台在X、Y方向的直线移动。导轨副、滚珠丝杠螺母副和伺服电动机等均已标准化，由专门厂家生产，设计时只需根据工作载荷选取即可。控制系统根据需要，可以选用标准的工业控制计算机，也可以设计专用的微机控制系统。图X-Y数控工作台外形机电一体化实验教学平台设计1机械

26、传动部件的选择（1）导轨副的选用要设计的X-Y工作台是用来配套轻型的立式数控铣床，需要承受的载荷不大，但脉冲当量小、定位精度高，因此，决定选用直线滚动导轨副。它具有摩擦系数小、不易爬行、传动效率高、结构紧凑、安装预紧方便等优点。（2）丝杠螺母副的选用伺服电动机的旋转运动需要通过丝杠螺母副转换成直线运动，要满足的脉冲当量和的定位精度，滑动丝杠副无能为力，只有选用滚珠丝杠副才能达到。滚珠丝杠副的传动精度高、动态响应快、运转平稳、寿命长、效率高，预紧后可消除反向间隙。（3）减速装置的选用选择了步进电动机和滚珠丝杠副以后为了圆整脉冲当量，放大电动机的输出转矩，降低运动部件折算到电动机转轴上的转动惯量，

27、可能需要减速装置，且应有消间隙机构。为此本例决定采用无间隙齿轮传动减速箱（4）伺服电动机的选用任务书规定的脉冲当量尚未达到，定位精度也未达到微米级，空载最快移动速度也只有3000mm/min。因此，本设计不必采用高档次的伺服电动机，如交流伺服电动机或直流伺服电动机等，可以选用性能好一些的步进电动机，如混合式步进电动机，以降低成本，提高性/价比。（5）检测装置的选用选用步进电动机作为伺服电动机后，可选开环控制也可选闭环控制。任务书所给的精度对于步进电动机来说还是偏高的，为了确保电动机在运转过程中不受切削负载和电网的影响而失步，决定采用半闭环控制，拟在电动机的尾部转轴上安装增量式旋转编码器，用以检

28、测电动机的转角与转速。增量式旋转编码器的分辨率应与步进电动机的步距角相匹配。考虑到X、Y两个方向的加工范围相同，承受的工作载荷相差不大，为了减少设计工作量，X、Y两个坐标的导轨副、丝杠螺母副、减速装置、伺服电动机以及检测装置拟采用相同的型号与规格。2控制系统的设计（1）设计的X-Y工作台准备用在数控铣床上，其控制系统应该具有单坐标定位、两坐标直线插补与圆弧插补的基本功能，所以控制系统应该设计成连续控制型。（2）对于步进电动机的半闭环控制，选用MCS-51系列的8位单片机*作为控制7机电一体化实验教学平台设计系统的CPU,应该能够满足任务书给定的相关指标。要设计一台完整的控制系统，在选择CPU之

29、后，还需要扩展程序存储器、数据存储器、键盘与显示电路、I/O接口电路、D/A转换电路、串行接口电路等。(4)选择合适的驱动电源，与步进电动机配套使用。数控车床为了能在工件的一次装夹中完成多工序加工,缩短辅助时间,必须带有自动回转刀架。自动回转刀架是一个非常有代表性的机电一体化部件,在机械结构上有蜗杆蜗轮副、螺杆螺母副、端齿盘等典型部件。为了保证可靠工作,还要选择恰当的刀位检测和合理的定位结构。刀架的换刀是由计算机控制系统检测和控制的,然后驱动继电器电路来实现。其工作过程是典型的计算机弱电、继电器强电、机械系统的控制过程。(1)总体结构设计普通的三相异步电动机因转速太快,不能直接驱动刀架进行换刀

30、,必须经过适当的减速。根据立式转位刀架的结构特点,采用蜗杆-蜗轮副减速是最佳选择。蜗杆-蜗轮副传动可以改变运动方向,获得较大的传动比,保证传动精度和平稳性,并且具有自锁功能,还可以实现整个装置的小型化。(2)上刀体锁紧与定位机构的设计由于刀具直接安装在上刀体上,所以上刀体要承受全部的切削力,其锁紧与定位的精度将直接影响工件的加工精度。系统的上刀体的锁紧与定位机构选用端面齿盘,将上刀体和下刀体的配合面加工成梯形端面齿。当刀架处于锁紧状态时,上下端面齿相互啮合,这时上刀体不能绕刀架的中心轴转动;换刀时电动机正转,抬起机构使上刀体抬起,等上下端面齿脱开后,上刀体才可以绕刀架中心轴转动,完成转位动作。

31、(3)刀架抬起机构的设计图自动回转刀架的传动机构示意图机电一体化实验教学平台设计图自动回转刀架要使上、下刀体的两个端面齿脱离,就必须设计合适的机构使上刀体抬起。这里选用螺杆螺母副,在上刀体内部加工出内螺纹,当电动机通过蜗杆-蜗轮带动螺杆绕中心轴转动时,作为螺母的上刀体要么转动,要么上下移动。当刀架处于锁紧状态时,上刀体与下刀体的端面齿相互啮合,因为这时上刀体不能与螺杆一起转动,所以螺杆的转动会使上刀体向上移动。当端面齿脱离啮合后,上刀体就与螺杆一同转动。设计螺杆时要求选择适当的螺距,以便当螺杆转动一定角度时,使得上刀体与下刀体的端面齿能够完全脱离啮合状态。图3为自动回转刀架的工作原理示意图。在

32、机电一体化系统课程设计时,自动回转刀架的设计也作为一个教学班的题目。机电一体化实验教学平台设计控制系统按照功能划分,有CPU模块、电源模块、步进电机驱动模块、LCD显示模块、键盘及LED显示模块、继电器控制模块、变频器控制模块、通信模块等。学生可以针对不同实验的要求,自主选择,组合连接,充分发挥学生的主动设计能力。控制系统所有的元器件都以展板的形式布置,学生可以直观了解每一个元器件的结构、接口电路设计原理,从而对机电一体化系统有感性的认识和深入的了解。CPU模块以MCS-51系列的*八位单片机为核心,扩展片外RAM及ROM存储器;扩展并行I/O口8255经步进电机驱动模块控制步进电机等;扩展8

33、279控制键盘及LED显示模块;D/A和A/D转换电路分别采用芯片*和*,同时外接电压表,方便观察模拟量的输入、输出。LCD显示模块由320240点阵式液晶板和液晶控制器*组成,CPU通过*控制液晶面板的显示。变频器模块和继电器控制模块分别控制电机的无级调速和通断。通信模块集成RS-232标准串行接口和USB接口,完成与外部通信。控制系统原理如图所示。图控制系统原理图机电一体化实验教学平台设计根据实验教学的要求,设计控制系统的硬件电路时主要考虑以下功能:(1)接收键盘数据,控制LED显示;接收操作面板的开关与按钮信号。(2)接收车床限位开关信号;接收螺纹编码器信号。(3)接收电动卡盘夹紧信号与

34、电动刀架刀位信号;控制X、Z向步进电动机的驱动器。(4)控制主轴的正转、反转与停止;控制多速电动机,实现主轴有级变速。(5)控制冷却泵启动/停止;控制电动卡盘的夹紧与松开。控制电动刀架的自动选刀;与PC机的串行通信。平台中X向步进电动机的型号为110*,Z向步进电动机的型号为130*。两台电动机的驱动电源可用同一型号,选用科林数控科技有限责任公司生产的五相混合式调频调压型步进驱动器,型号为BD5A。本设计CPU模块选择单片机作为主控制器，单片机是一种集成的电路芯块采用了超大规模技术把具有运算能力(如算术运算、逻辑运算、数据传送、中断处理)的微处理器(CPU)，随机存取数据存储器(RAM),只读

35、程序存储器(ROM),输入输出电路(I/O口)，可能还包括定时计数器，串行通信口(SCI)，显示驱动电路(LCD或LED驱动电路)，脉宽调制电路(PWM)，模拟多路转换及A/D转换器等电路集成到一块单片机上，构成一个最小然而很完善的计算机系统。这些电路能在软件的控制下准确快速的完成程序设计者事先规定的任务。总的而言单片机的特点可以归纳为以下几个方面：集成度高、存储容量大、外部扩展能力强、控制功能强、低电压、低功耗、性能价格比高、可靠性高这几个方面。单片机按内部数据通道的宽度，可分为4位、8位、16位及32位单片机。它们被应用在不同领域里，8位单片机由于功能强大，被广泛的应用在工业控制、智能接口

36、、仪表仪器等各个领域。8位单片机在中、小规模应用场合仍占主流地位，代表了单片机的发展方向，在单片机应用领域发挥越来越大的作用。随着移动通讯、网络技术、多媒体技术等高科技产品进入家庭，32位单片机应用得到了长足发展。纵观单片机的发展过11机电一体化实验教学平台设计程，可以预示单片机的发展趋势：1、微型单片化2、低功耗CMOS3、与多品种共存4、可靠性和应用水平越来越高单片机有着微处理器所不具备的功能，它可以独立地完成现代工业控制所要求的智能化控制功能这就是单片机的最大特点。然而单片机又不同于单板机，芯片在没有开发前，它只是具备功能极强的超大规模集成电路，如果赋予它特定的程序，它便是一个最小的、完

37、整的微机控制系统。它与单板机或个人电脑有着本质的区别，单片机属于芯片级应用，需要用户了解单片机芯片的结构和指令系统以及其它集成电路应用技术和系统设计所需要的理论和技术，用这样特定的芯片设计应用程序，从而使芯片具备特定的智能。（2）简介*是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K在系统可编程Flash存储器。使用Atmel公司高密度非易失性存储器技术制造，与工业80C51产品指令和引脚完全兼容。片上Flash允许程序存储器在系统可编程，亦适于常规编程器。在单芯片上，拥有灵巧的8位CPU和在系统可编程Flash，*2为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案。*具有以下标准功能：

38、8k字节Flash，256字节RAM，32位I/O口线，看门狗定时器，2个数据指针，三个16位定时器/计数器，一个6向量2级中断结构，全双工串行口，片内晶振及时钟电路。另外，*可降至0Hz静态逻辑操作，可选择节电模式、空闲模式。空闲模式下，CPU停止工作，允许RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工作。掉电保护方式下，RAM内容被保存，振荡器被冻结，单片机一切工作停止，直到下一个中断或硬件复位为止。其引脚图，如图所示机电一体化实验教学平台设计图*的引脚图它一共有40个引脚，引脚又分为四类。其中有四个电源引脚，用来接入单片机的工作电源。工作电源又分主电源、备用电源和编程电源。还有两个时钟引脚XT

39、AL1、XTAL2。还有由P0口、P1口、P2口、P3口的所有引脚构成的单片机的输入/输出（lO）引脚。最后一种是控制引脚，控制引脚有四条，部分引脚具有复位功能。综上所述，单片机的引脚特点是：1、2、单片机多功能，少引脚，使得引脚复用现象较多。单片机具有四种总线形式：P0和P2组成的16位地址地址总线;P0分时复用为8位数据总线；ALE、PSEN、RST、EA和P3口的INTO、INT1、TO、T1、WR、RD以及P1口的T2、T2EX组成控制总线；而P3口的RXD、TXD组成串行通信总线。89C52单片机的主要功能与MCS-51单片机产品兼容8K字节在系统可编程Flash存储器1000次擦写

40、周期全静态操作：0Hz33Hz13机电一体化实验教学平台设计三级加密程序存储器32个可编程I/O口线三个16位定时器/计数器八个中断源全双工UART串行通道低功耗空闲和掉电模式掉电后中断可唤醒看门狗定时器双数据指针掉电标识符直流稳压电源是一种将220V工频交流电转换成稳压输出的直流电压的装置，它需要变压、整流、滤波、稳压四个环节才能完成。直流稳压电源方框图图直流稳压电源的方框图其中：电源变压器：是降压变压器，它将电网220V交流电压变换成符合需要的交流电压，并送给整流电路，变压器的变比由变压器的副边电压确定。整流电路：利用单向导电元件，把50Hz的正弦交流电变换成脉动的直流电机电一体化实验教学

41、平台设计滤波电路：可以将整流电路输出电压中的交流成分大部分加以滤除，从而得到比较平滑的直流电压。（4）稳压电路：稳压电路的功能是使输出的直流电压稳定，不随交流电网电压和负载的变化而变化。总的设计原理图如图所示图稳压电路原理图步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元件。在非超载的情况下，电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数，而不受负载变化的影响，即给电机加一个脉冲信号，电机则转过一个步距角。这一线性关系的存在，加上步进电机只有周期性的误差而无累积误差等特点。使得在速度、位置等控制领域用步进电机来控制变的非常的简单。虽然步进电机已被广泛地应用，但步进电机并不能象普通的

42、直流电机，交流电机在常规下使用。它必须由双环形脉冲信号、功率驱动电路等组成控制系统方可使用。因此用好步进电机却非易事，它涉及到机械、电机、电子及计算机等许多专业知识。机电一体化实验教学平台设计该步进电机为一四相步进电机，采用单极性直流电源供电。只要对步进电机的各相绕组按合适的时序通电，就能使步进电机步进转动。图1是该四相反应式步进电机工作原理示意图。图四相步进电机步进示意图开始时，开关SB接通电源，SA、SC、SD断开，B相磁极和转子0、3号齿对齐，同时，转子的1、4号齿就和C、D相绕组磁极产生错齿，2、5号齿就和D、A相绕组磁极产生错齿。当开关SC接通电源，SB、SA、SD断开时，由于C相绕

43、组的磁力线和1、4号齿之间磁力线的作用，使转子转动，1、4号齿和C相绕组的磁极对齐。而0、3号齿和A、B相绕组产生错齿，2、5号齿就和A、D相绕组磁极产生错齿。依次类推，A、B、C、D四相绕组轮流供电，则转子会沿着A、B、C、D方向转动。四相步进电机按照通电顺序的不同，可分为单四拍、双四拍、八拍三种工作方式。单四拍与双四拍的步距角相等，但单四拍的转动力矩小。八拍工作方式的步距角是单四拍与双四拍的一半，因此，八拍工作方式既可以保持较高的转动力矩又可以提高控制精度。单四拍、双四拍与八拍工作方式的电源通电时序与波形分别如图、b、c所示：机电一体化实验教学平台设计51单片机驱动步进电机的方法通常高压斩

44、波恒流驱动电路如图示。这种电路与单电压限流型及高低压驱动相比,步进电机绕阻电流波形的前后沿陡,无顶部下凹的现象,并且在高频大负载时仍具有较宽的平顶（不下凹）,绕阻负载电流也较为恒定,起动和运行的频率特性都有明显的提高。绕阻单相通电的电流波形如图2a所示。但是,在实际驱动电路的测试中,采用多相通电（步进电机带载运动）时,由于步进电机绕阻电流顶部的锯齿波形波动频率较低（效率一般为几kHz到十几kHz,与步进电机型号、驱动电压、驱动电流有关）,故电磁噪声较大。同时,由于运行中步进电机各相绕阻的电感不可避免会发生瞬时变化,以及它们的互感作用,各相绕阻电流会产生局部过冲现象。对于三相步进电机按三相六拍驱

45、动时,其绕阻电流波形如图2b所示，出现23个过冲现象。对于大功率步进电机,这种过冲电流是极其有害的,它使步进电机绕阻异常发热,驱动力矩不够,系统极有可能发生振荡。图高压斩波恒流驱动原理机电一体化实验教学平台设计图绕组电流波形图要消除这种电磁噪声及步进电机绕阻电流局部过冲现象,一般可采用MOSFET场控晶体管,允许将斩波频率提高到超声波段,并采用FWM技术使各相斩波频率相同来消除差拍噪声。在设计应用中,斩波频率一般应比由环形分配器或单片机输出的步进驱动脉冲频率高10倍以上。在后级功率驱动中,如果采用大功率晶体管开关管来设计,由于它们的工作频率较低,一般最高的频率仅有106Hz,且它们所要求的驱动

46、功率也较大,驱动线路也较复杂。在晶体管的安全工作区如果选择裕量较小,通常要发生二次击穿MOSFET是一种单极控制器件,其开关频率远比达林顿功率管和大功率三极管高，最高可达109Hz。并且,MOSFET的输入阻抗很高,具有自关断能力，电流放大倍数大，无二次击穿问题，这*T安全工作区宽,可设计较大的功率。在后级功率放大电路中,采用MOSFET设计大功率步进电机驱动电源是一个理想的选择。设计MOSFET的驱动线路,通常采用MOSFET专用驱动器件,其原理简图如图3所示。前极采用高速光电隔离,后极采用NPN和PNP三极管互补输出,提高了MOSFET驱动电路的快速性。机电一体化实验教学平台设计图MOSF

47、ET专用器件的原理简图MOSFET的开关频率由时钟信号CP触发PWM控制器来实现,各相开关频率受同一时钟信号控制,从而达到了各相的同频斩波。(PWM+MOSFET),步进电机驱动电路原理如图4所示:由环形分配器或单片机输出的步进电机步进脉冲信号进入PWM控制器,经PWM控制器处理后分成两路:一路送入上开关管T1,使T1导通;一路送入下开关管T2,使T2导通。R4为电流检测电阻。当步进电机绕阻达到额定值时,其电流值通过电流/电压转换,输出一控制电压进入PWM控制器。PWM控制器输出一调宽脉冲改变上开关管的开通时间,从而达到绕阻恒流的目的。另外,PWM控制器可对步进电机绕阻电流上升速率作检测，从而

48、防止绕阻电流过冲现象。在图4中,由R1、D2、C1组成的阻容滤波网络保护T1管,由R2、D3、C2组成的阻容滤波网络保护T2管，放电回路中D1、D4必须选用快恢复续流二极管，适当选择R3可使步进电机绕阻电流下降沿变陡。这种电路在实际测试中,波形非常好，其波形如图2c所示。在实际使用中,PWM控制器还有半电流控制端CY,使步进电机在静止时以半电流锁定，以减少发热,降低功耗。19机电一体化实验教学平台设计图步进电机驱动电路原理图上述驱动电源在对C650及落地车床的经济型数控改造中,应用一年多情况良好。Z向步进电机选用LB180（静力矩40Nm）,相电流调至23A,X向步进电机选用LB150（静力矩

49、20Nm），相电流调至18A，在X向未采用滚珠丝杆情况下（无该规格的滚珠丝杆）,空载运行实测能保持0101mm的步距精度。在加工铸钢件时,吃刀深度18mm时也不丢步。在三班制工作时,性能也保持相当稳定。可见,（PWM+MOSFET）是一种优良的大功率步进电机驱动电源。液晶（LiquidCrystal）是一种高分子材料，因为其特殊的物理、化学、光学特性，20世纪中叶开始广泛应用在轻薄型显示器上。液晶显示器(LiquidCrystalDisplay,LCD)的主要原理是以电流刺激液晶分子产生点、线、面并配合背部灯管构成画面。本次设计采用的是DMF液晶显示器，日本OPTREX公司生产的DMF液晶是一

50、款性能不错的液晶显示模块。它的分辨率是320*240；显示效果为蓝底白字；背光为20机电一体化实验教学平台设计CCFL背光，且为双电压的模块。原装的DMF价格较高，维修困难，国内公司相继开发出兼容屏。其中广泛被国内厂家选用的替代屏是杭州清达光电技术有限公司生产的HG系列屏，大大降低了中华企业对日本显示器件的依赖性。图DMF时序图表1：DMF引脚说明21机电一体化实验教学平台设计工作原理主电路是给异步电动机提供调压调频电源的电力变换部分，变频器的主电路大体上可分为两类：电压型是将电压源的直流变换为交流的变频器，直流回路的滤波是电容。电流型是将电流源的直流变换为交流的变频器，其直流回路滤波是电感。

51、它由三部分构成，将工频电源变换为直流功率的“整流器”，吸收在变流器和逆变器产生的电压脉动的“平波回路”，以及将直流功率变换为交流功率的“逆变器”。整流器最近大量使用的是二极管的变流器，它把工频电源变换为直流电源。也可用两组晶体管变流器构成可逆变流器，由于其功率方向可逆，可以进行再生运转。平波回路在整流器整流后的直流电压中，含有电源6倍频率的脉动电压，此外逆变器产生的脉动电流也使直流电压变动。为了抑制电压波动，采用电感和电容吸收脉动电压（电流）。装置容量小时，如果电源和主电路构成器件有余量，可以省去电感采用简单的平波回路。逆变器同整流器相反，逆变器是将直流功率变换为所要求频率的交流功率，以所确定

52、的时间使6个开关器件导通、关断就可以得到3相交流输出。以电压型pwm逆变器为例示出开关时间和电压波形。控制电路是给异步电动机供电（电压、频率可调）的主电路提供控制信号的回路，它有频率、电压的“运算电路”，主电路的“电压、电流检测电路”，电动机的“速度检测电路”，将运算电路的控制信号进行放大的“驱动电路”，以及逆变器和电动机的“保护电路”组成。（1）运算电路：将外部的速度、转矩等指令同检测电路的电流、电压信号进行比较运算，决定逆变器的输出电压、频率。（2）电压、电流检测电路：与主回路电位隔离检测电压、电流等。（3）驱动电路：驱动主电路器件的电路。它与控制电路隔离使主电路器件导通、22机电一体化实验教学平台设计关断。（4）速度检测电路:以装在异步电动机轴机上的速度检测器（tg、plg等）的信号为速度信号，送入运算回路，根据指令和运算可使电动机按指令速度运转。（5）保护电路：检测主电路的电压、电流等，当发生过载或过电压等异常时，为了防止逆变器和异步电动机损坏，使逆变器停止工作或抑制电压、电流值。变频器的选择由于本设计中变频器的作用是驱动三相异步电动机，其