实验教学大纲（course syllabus）

*实验名称

（Course Name）

《机电系统设计与实践》课程实验模块

Course experimental module of Electro-Mechanical Systems Design

教学课程代码

（Course Code）

ME429

*课程学时

（Credit Hours）

48

*实验学时

（Class Hours）

14

授课教师

（Lecturer）

苗玉彬、付庄、李彦明等

实验负责教师

(Mentor)

唐静君

实验学生

（Audience）

本科生三年级

授课语言

(Language of Instruction)

中文

*开课院系

（School）

机械与动力工程学院/School of Mechanical Engineering

先修课程基础

（Prerequisite）

《电工与电子技术G类》、《模型、分析与系统控制》、《机械振动》、《测试原理与技术》《动力学》《机器人学》

*实验简介（Description）

该课程以理论学习为基础、系统工程实践及项目实施为导向，通过结合现代工业控制系统，介绍现场机械电子，涉及机器人等机电系统的设计、体系结构、测量控制、开发设计以及工程实践等基本内容，使学生掌握机电系统基本设计和工程实现技术，提高动手能力，课程理论联系实际，突出工程应用。

课程实验以PLC和单片机为主，包括环境信号感知，系统模型与控制方案，系统设计与工程实践等方面，主要涉及低压电器技术、单片机技术、可编程控制器、电机驱动及功率放大、数字信号处理器、以及实现机电系统控制的基本方法。

*实验简介（Description）

The course is based on theoretical learning which is oriented towards system engineering practice and project implementation. Introducing on-site mechanical electronics by combining modern industrial control systems. The basic content such as design of electromechanical systems like robots, architecture, measurement control, development design and engineering practice. Making students to master the basic design and engineering realization method of electro-mechanical systems, enhance the students' hands-on skills, link theory to practice, and highlight the engineering application about the course.

The course experiment is mainly based on PLC and single chip microcomputer, including environmental signal sensing, system model and control scheme, system design and engineering practice which is mainly related to low-voltage electrical technology, single-chip technology, programmable controller, motor drive and power amplifier, digital signal processor, and basic methods for implementing electromechanical system control.

Students' analytical, design, programming and debugging skills will be trained through the course experiment. Learning how to solve electromechanical problems including program design, engineering realization and performance evaluation, etc. Focusing on cultivating students' ability to solve problems using professional skills, independent thinking and innovative design. It will lay a solid foundation for future engineering and technical work, scientific research and development of new technologies.

*实验教学目标(Learning Outcomes)

1. 了解PLC的基本结构和组成，掌握PLC开发流程。（A3，A5）

2. 掌握PLC的梯形图编程，实现开关量的输入输出控制，定时器使用等。（A3，A4，A5，B2，C2，C4）

3. 掌握PLC的模拟量采集，开关量控制，通过调用PID等函数实现闭环控制。（A3，A4，A5，B2，C2，C4）

4. 熟悉单片机的硬件系统，能看懂电路原理图。（A3，A5）

5. 掌握单片机的开发流程，熟悉仿真器的使用。（A3，A5）

6. 熟悉单片机指令系统，能熟练掌握并应用定时、中断功能。（A3，A4，A5，B2，B3，C2，C4）

7. 熟悉并掌握I/O输入输出控制。（A3，A4，A5，B2，C2，C4）

8. 熟悉A/D转换及数字滤波技术，了解模拟量的信号处理，掌握ADC0809的使用。（A3，A4，A5，B2，B3，C2，C4）

9. 掌握单片机模拟量测量及闭环控制原理。（A3，A4，A5，B2，B3，C2，C4）

10. 熟悉51单片机串口功能控制，实现单片机与PC机之间的数据发送和接收。（A3，A4，A5，B2，B3，C2，C4）

*实验项目

 (Experiment items)

*实验项目

 (Experiment items)

项目序号

实验项目名称

实验学时

实验类型

小组人数

主要实验设备

1

PLC交通信号灯控制实验

2

综合

1-2

西门子s7-200PLC，电控柜，交通灯板，计算机

内容与

要求

交通灯实验板上提供了2个自锁按钮和2个自恢复按钮以及12个信号灯（东西向和南北向各6个灯，分别为红色、绿色、黄色）。要求如下：

1. 按照控制要求，自行连接硬件电路。
2. 实现按钮开关量输入控制，开关量输出控制红绿灯亮灭。
3. 通过定时时间控制灯亮灭，模拟实现正常的交通灯模式。
4. 自行设计一个或若干个按钮功能，实现交通灯的控制及模式切换。白天：正常情况下的交通灯模式；夜间：4个方向黄灯闪烁。要求分别用自锁按钮和自恢复按钮实现交通灯工作模式的切换。

项目序号

实验项目名称

实验学时

实验类型

小组人数

主要实验设备

2

PLC水温控制实验

2

基本

1-2

西门子s7-200PLC，电控柜，电热水壶，热电阻，热电偶，计算机

内容与

要求

1. 用PLC实现水壶温度的闭环控制。通过PLC编程，控制水壶温度达到任意设定值。
2. 按照控制要求，自行连接硬件电路。
3. 测量传感器可以选用热电阻或者热电偶。
4. 可以自行选择PID控制或者简单的分段控制模式，要求最终的水温控制误差在±1℃ 以内。

项目序号

实验项目名称

实验学时

实验类型

小组人数

主要实验设备

3

单片机数字时钟实验

2

综合

1-2

单片机控制板，单片机仿真器，计算机

内容与

要求

四位数码管分别显示“1”“2”“3”“4”。

1. 读BCD拨码盘，显示在对应的数码管上。

2. 用定时器T1，产生50ms或20ms定时中断，编程实现数字时钟，显示分钟和秒钟（用十进制显示）。

3. 加入按键功能，自行设定按键功能，在时钟基础上增加暂停、继续、清零等功能操作。

项目序号

实验项目名称

实验学时

实验类型

小组人数

主要实验设备

4

单片机室温测量实验

2

综合

1-2

单片机控制板，单片机仿真器，计算机

内容与

要求

1. 用2位数码管实时显示0809采集室温得到的数字量（十六进制）。

2. 将数字量转换成实际的温度值（十进制），显示在数码管上（整数或带一位小数）。

3．为使数据采集平稳可靠，可考虑加入数字滤波。

项目序号

实验项目名称

实验学时

实验类型

小组人数

主要实验设备

5

单片机水温控制实验

4

综合

1-2

单片机控制板，单片机仿真器，计算机，电控箱，热电阻或热电偶，电水壶

内容与

要求

1. 用单片机控制水壶温度。测量传感器可用热电阻或者热电偶，通过编程，控制水温达到设定值。要求最终的误差在±1℃ 以内。
2. 按照控制要求，自行连接硬件电路，自行设计控制方案。
3. 数码管左边2位显示水温设定值（通过拨码盘设定），右边2位显示水温实测值。（用十进制数表示）

项目序号

实验项目名称

实验学时

实验类型

小组人数

主要实验设备

6

51单片机与PC机通讯实验

2

综合

1-2

单片机控制板，单片机仿真器，计算机，

内容与

要求

1. 设定单片机串口为工作模式1，波特率为9600，数据位8位，不含奇偶校验位，包含1位起始位、1位停止位；
2. 从单片机发送字符串“I（空格）Love（空格）China！（回车）”，PC机上的串口调试助手进行显示，每3秒钟发送一次，时间间隔可以用定时器实现。
3. 从PC机上的串口调试助手发送4字节16进制数到单片机，单片机接收到数据后将每个字节的低4位数字显示在数码管上，同时将接收到的4字节数据求和，并将结果回传给PC机。

*考核方式

(Grading)

每个实验项目按20分计算成绩。实验总成绩以各必修实验项目的学时数加权平均值计算，实验成绩在课程期末成绩中占20%。各实验项目的20分成绩构成包括：

1. 实验预习    5分

2. 实验态度认真，独立完成实验内容，试验结果正确，善于观察提出问题，思路有创新  10分

3. 实验报告项目齐全，文字、图表清晰，认真完成实验分析与讨论  5分

*实验指导教材或参考资料

(Textbooks & Other Materials)

1. 实验指导书
2. 《机电控制技术》，杨汝清，张伟军，科学出版社，2013
3. 《单片机初级教程——单片机基础》，何立民，北京航空航天大学出版社，2012

备注

（Notes）