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1、单片机硬件实习任务书2010.6.282010.7.2一、课程的性质与目的硬件实习是计算机应用专业最重要的一个实践性内容。 其目的和作用是使学生能将已学过的模拟电路、数字电路、微机原理与接口技术、EDA以及单片机等知识综合运用于电子系统的设计中，从而培养学生对电子系统的设计能力，这是在所有实践性课程中最具活力，最能培养学生的自主学习、实践能力，最能培养学生创新思维的实践课程之一。二、课程的基本要求模拟电路方面：要求掌握放大器、电压比较器、稳压二极管、晶体三极管等模拟电路设计和使用。单片机方面：要求掌握单片机应用系统的构建和使用，掌握单片机的编程方法，调试方法，特别是用C51高级语言编程和调试的
2、方法。三、本次硬件实习开设的设计题目及学时安排1 设计题目 基于89C2051绝缘监视器设计 2 设计背景工业现场的高压开关柜的动力电缆中有一种是橡胶绝缘铠装(最外层金属网)电缆，中间是三相交流电绝缘导线，周围是橡胶绝缘层，如图1所示。为了监测橡胶绝缘的绝缘程度，在橡胶绝缘层中加一个监视线。所谓绝缘电阻是指最外层金属网和监视线之间的电阻，正常应在3K5K之间，若5K，表示监视线断线，而3K，表示监视线与铠装层之间的绝缘橡胶老化，绝缘电阻下降，应当报警。可见，监视线与铠装层之间等效为一个电阻。绝缘监视器的功能就是监视橡胶电缆的绝缘电阻，一旦绝缘电阻下降到3K，或断线，或绝缘电阻超过5K就报警。
3、3 设计内容及目标3.1 设计内容（1）根据任务书附录2给出的绝缘监视器硬件电路原理图，用Protel 99SE绘制绝缘监视器原理图和PCB图。绝缘监视器的外形尺寸为9065mm。除外接插座J1、J2的PCB封装要用户自建库外，其他元件的PCB封装均可以选用Protel 99SE现自带的PCB封装。J1、J2的PCB封装的焊盘尺寸为：圆焊盘：外径：100mil（毫英寸），内径：60mil（毫英寸）。焊盘间距：150mil（毫英寸）。（2）根据任务书附录3给出的绝缘监视器仿真原理图，用Proteus 7.5电子设计仿真系统绘制绝缘监视器Proteus仿真原理图。（3）在Keil uVision3
4、 开发环境下，设计基于89C2051的绝缘监视器应用源程序（后缀为,asm和.c的源文件），通过编译和调试，产生.hex十六进制程序（可在proteus下控制51单片机仿真模型运行的程序）。（4）在Proteus 7.5电子设计仿真环境下，将绝缘监视器的89C2051单片机.hex文件装载到89C2051仿真模型的Program file对话框中，仿真运行，利用Proteus的示波器模型虚拟显示绝缘监视器的频率输出是否满足当绝缘电阻值在3K，5K之间变化时，输出200Hz方波频率；绝缘电阻值5K时，输出方波1000Hz方波频率。（5）在Medwin 3.9 单片机开发环境下，用Insight硬
5、仿真器真实仿真绝缘监视器样机电路板，仿真运行基于89C2051的绝缘监视器应用源程序，绝缘监视器样机电路板的频率输出接真实示波器。当旋转代表绝缘电阻的电位器时，观察示波器屏幕频率波形是否满足当绝缘电阻值在3K，5K之间变化时，输出200Hz方波频率；绝缘电阻值5K时，输出方波1000Hz方波频率。（6）将调试好的基于89C2051的绝缘监视器应用源程序烧写到89C2051单片机的内嵌EEPROM中，插到绝缘监视器样机电路板的89C2051的插座上，脱离仿真器上电复位运行。观察示波器屏幕频率波形是否满足当绝缘电阻值在3K，5K之间变化时，输出200Hz方波频率；绝缘电阻值5K时，输出方波1000
6、Hz方波频率。3.2 设计目标（1）设计一个绝缘监视器硬件电路，若监视的绝缘电阻在3K，5K之间时，输出频率为200Hz，表示绝缘电阻正常；若绝缘电阻5K时，输出频率为1000Hz，表示绝缘电阻异常。（2）当调试完成后，将应用程序通过烧写器烧写到89C2051的内嵌EEPROM中，脱离仿真器，检验绝缘监视器的工作状态是否达到设计指标。4 绝缘监视器工作原理 工作原理框图如图2所示。被测电阻作为分压的分压电阻，产生分压Vr，与被测电阻成正比。被测电阻越高，Vr越大，反之亦然。分压电阻接在电压比较器1的正相端。而电压比较器1的反相器接一个稳压基准VE1。若Rx=3k时，电压比较器1输出高电平，光耦
7、输出保持高电平，不会产生高到低的INT0/信号。若Rx=3K，且Rx=5K时，VRVE2，电压比较器2输出翻转至高电平，通过光耦2产生高到低的下降沿，产生INT1/中断请求，单片机响应INT1/中断，利用P1.3输出1000Hz方波，表示绝缘电阻异常！由此可见，利用电压比较器正、反相两端输入电压比较，产生电压比较器输出电平翻转的特性，将被测电阻的两个阈值3K和5K通过分压器，分别产生电压比较器1和电压比较器2的两个翻转阈值电压VE1和VE2。当 Rx5K时，使电压比较器2输出电平从低到高有效翻转。绝缘监视器的输入为电阻，输出为频率。该传感器将绝缘电阻转换为频率供给数集采集系统采集处理，对橡胶电
8、缆的绝缘电阻故障发出报警信号或直接跳闸供电开关实施保护，提醒现场工作人员更换电缆，否则电缆绝缘电阻故障带电传送电能，可能造成电路短路等电力故障发生。这两种有效翻转电平通过光耦极产生高到低的下降沿，作为单片机 INT0/ 和 INT1/的下降沿触发中断请求。 5 特点与选择依据本硬件实习包括两种实验方案：一种为A/D转换器来测量电阻值方案，另一种为利用电压比较器来测量电阻阈值方案。两种实验方案的比较如表1所示。可见，应选用利用电压比较器来测量电阻阈值方案。表1 测试电阻的两种方案比较比较项目A/D转换器来测量电阻值方案利用电压比较器来测量电阻阈值方案编程难度复杂简单成本较贵较便宜实用性较差较好涉
9、及知识点一般较多四、进度安排时间星期一星期二星期三星期四星期五上午8：0011：30上网查找上述下列芯片产品手册，获得引脚符号图：(1)89C2051单片机引脚符号图(2)看门狗MAX813L引脚符号图完成下列PCB设计：(1) 新建绝缘监视器PCB文件，绘制绝缘监视器双面板PCB外形轮廓线和禁止布线轮廓线，尺寸：9065mm(2)将生成的原理图网络表调入PCB图(3)布局元件封装图模块化设计绝缘监视器C51程序：(1)初始化程序(2)主程序设计。(3)中断服务程序。编译与调试C51程序。(1)在Proteus仿真环境下，设计绝缘监视器仿真原理图。(2)Keil C51与Proteus联调。观
10、察示波器频率输出。(3)最终产生.hex文件。在Medwin单片机开发环境下，硬件调试绝缘监视器的C51模块化程序。旋转电位器，改变绝缘电阻，测试频率输出波形，记录试验结果。下午1：305：00(1)用Protel 99 SE新建用户原理图库文件，新建89C2051、MAX813L符号元件(2) 新建用户原理图文件，绘制绝缘监视器原理图。在布局好绝缘监视器PCB图文件元件的基础上，完成下列PCB设计：(1)自动布线(2)手工修改布线，完成绝缘监视器PCB设计。在Keil C51开发环境下，编译与调试C51程序。在Proteus仿真环境下，调试绝缘监视器仿真原理图，改变电位器阻值，模拟绝缘电阻的
11、变化，观察虚拟示波器频率输出。分组答辩。第18周五、实习时间： 2010 年 06 月28日到 2010 年 07 月 2 日通信 教研室 指导教师： 张小鸣 _六、实习报告要求1、打印在A4纸上；2、 报告装订顺序依次为封面、任务书、目录、正文四部分（总页数不少于10页）；3、目录单独成一页；（用word自动生成）4、 正文部分要有页面页脚；5、 正文从第一页计起；正文中各内容层次依次如：1 1.1 1.1.1的格式,不允许写成第几章、第几节字样；6、 正文中应包括以下内容： 前言； 课题设计 结论 参考文献注：以上具体格式见附录七、实验成绩的考核与评定办法采取平时考核与调试考核相结合的办法
12、。平时考核包括准备情况、出勤情况等；调试考核包括调试结果验收和实习报告等。（注：封面样张） 学号： 常州大学硬 件 实 习 报 告题 目： 学 生： 学院（系）： 专 业 班 级： 指导教师： （注：正文内容安排）1、前言1.1课题的背景、目的和意义1.2课题的现状与发展趋势1.3课题欲解决哪一方面的问题2、课题设计2.1方案的原理、特点与选择依据2.2系统详细设计（系统硬件设计和系统软件设计。要求用Protel绘制硬件电路原理图、画出程序流程图及写出程序清单、对开发关键技术要加以分析说明）3、结论（对运行情况所作的分析以及设计、调试过程中遇到的问题和解决的办法及对该设计的展望）参考文献（居中
13、，宋体，小四，加粗）附录1（具体格式）：一、总体要求：1、 纸型：A4；2、页面设置：左、右、下边距为2.5厘米，上边距为2.8厘米，页眉和页脚均为2.0厘米；3、行间距：固定值18磅，段前距和段后距均为0磅；4、西文、数字等符号均采用Times New Roman字体。二、正文要求：1、标题（宋体 四号 粗体） 1.1标题（宋体 粗体 小四号）1.1.1标题（宋体 粗体 小四号）（1）标题（宋体 粗体 小四号）标题（宋体 粗体 小四号）内容（宋体 小四号）参考文献（宋体 小四号 粗体 居中）内容: （楷体GB2312 小四号）：三、参考文献要求：1、引用文献必须注明出处，参考文献只选主要的，
14、并放在文末。2、标注采用顺序编码制，按文中出现的先后顺序编号。例：引用一篇文献资料：1；引用两篇或两篇以上文献资料：4，5；6-9；3、具体举例（1）期刊序号作者.文献题名J.刊名，年，卷（期）：起止页码1王英杰，高益民.高等教育的国际化J.清华大学教育研究，2000，（2）：13-162Hoy K L.Effect of Reaction Pathway on Emulsion Polymer StructureJ.J Coat Technol,1979,51(651):27-41 （2）论著序号作者.文献题名M.出版地：出版者，出版年.起止页码1毛利锐，沈灌群.中国教育通史M.济南：山东教
15、育出版社，1988.20-222Borko H,Bernier C L.Indexing concepts and methods.New York:Academic Pr,1978.261-263（3）学位论文序号作者.题名博士（硕士）学位论文.保存地：保存单位，授予年1金琼.欠秩回路及欠秩机器人机构的分析D.南京：东南大学，2000四、页眉页脚要求：页眉：常州大学硬件实习报告（宋体、小四、加粗、居中）页脚：第 页 共 页（宋体、五号、加粗、居中）附录2 Protel 99SE设计参考图绝缘监视器电路原理图（查看图形文件：DZJS20100622_1.emf）附录3 Proteus7.5 设计参考图绝缘监视器仿真原理图（查看图形文件：DZJS20100622_2.emf）8
