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1、南京机电职业技术学院毕 业 设 计(论 文) 题目 数字式电容测量仪的设计 系部 电子工程系 专业 电子测量技术与仪器姓名 周 桥 学号 G 指导教师 郁 镭 2013年 04 月 28 日摘 要随着社会物质财富的日益增长，安全防盗已成为社会问题。而锁自古以来就是把守门户的铁将军，人们对它要求甚高，既要安全可靠地防盗，又要使用方便，这也是制锁者长期以来研制的主题。目前国内，大部分人使用的还是传统的机械锁。然而，眼下假冒伪劣的机械锁泛滥成灾，互开率非常之高。所谓互开率，是各种锁具的一个技术质量标准，也就是1把钥匙能开几把锁的比率。经国家工商局、国家内贸局、中国消协等部门对锁具市场的调查，发现个别
2、产品的互开率居然超标26倍。机械锁的这些弊端为一种新型的锁-电子密码锁，提供了发展的空间。本密码锁的主控芯片采用价格实惠而且容易购买的STC89C52芯片。密码输入采用矩阵键盘，密码显示采用LCD显示屏。系统能完成密码输入、正确开锁、错误提示这些基本的密码锁的功能。因此没使用编程器，用C语言实现系统的软件部分。此设计具有安全性高、价格低廉便于实现等优点。关键词:电子密码锁 STC89C52 矩阵键盘目 录摘 要I目 录III第一章 引言1第二章 系统方案设计32.1测量部分的系统方案设计32.2利用单片机进行编程翻译32.3利用译码器进行翻译3第三章 单元电路设计及原理43.1电容测量电路及原
3、理43.1.1多谐振荡电路及工作原理43.1.2单稳态触发电路图及工作原理53.1.3显示电路设计73.1.4滤波器工作电路图及原理73.2模拟信号的处理以及数字化显示8第四章系统参数设定与测试结果104.1 系统参数设定104.2 测试结果10第五章设计结论与谢词11参考文献12附录1 元器件清单13 第一章 引言随着社会物质财富的日益增长，安全防盗已成为社会问题。如何实现防盗和安全这一问题也变的尤其的突出，传统的机械锁由于其构造的简单，被撬的事件屡见不鲜，而锁自古以来就是把门户的将军，人们对其要求比较高，不仅能够安全的防盗，而且还要使用方便，这是制锁者长期以来研制的主题。而当今社会由于计算
4、机的迅猛发展，数字电子技术已经进入人们生活的各个领域，在国内外，电子产品的更新可谓如雨后的春笋层出不群，更多的电子产品也越来越多的应用于安全防范领域。有需求就必有发展，不同种类的锁也应运而生，有密码锁、磁性锁、电子锁、激光锁、声控锁等等，它们的实现在传统钥匙的基础上加了一组或多组密码，不同声音，不同磁场，不同声波，不同光束光波，不同图像（如指纹、眼底视网膜等）来控制锁的开启。电子密码锁由于其保密性高，使用灵活性好，安全系数高，受到了广大用户的亲呢。电子密码锁是一种通过密码输入来控制电路或是芯片工作，从而控制机械开关的闭合，完成开锁、闭锁任务的电子产品。它的种类很多，有简易的电路产品，也有基于芯
5、片的性价比较高的产品。现在应用较广的电子密码锁是以芯片为核心，通过编程来实现的。其性能和安全性已大大超过了机械锁。其特点如下：1) 保密性好，编码量多。随机开锁成功率几乎为零。2) 密码可变，用户可以随时更改密码，防止密码被盗，同时也可以避免因人员的更替而使锁的密级下降。3) 密码输入错误红灯亮，正确绿灯亮。4) 无活动零件，不会磨损，寿命长。5) 使用灵活性好，不像机械锁必须佩带钥匙才能开锁。6) 电子密码锁操作简单易行，一学即会。随着电子元件的进一步发展，电子密码锁也出现了很多的种类，功能日益强大，使用更加方便，安全保密性更强，由以前的单密码输入发展到现在的，密码加感应元件，实现了真正的电
6、子加密，用户只有密码或电子钥匙中的一样，是打不开锁的，随着电子元件的发展及人们对保密性需求的提高出现了越来越多的电子密码锁。电子锁是采取电子电路控制，以电磁铁或者卫星电机和锁体作为执行装置的机电一体化锁具，相比传统的机械锁具，电子锁不使用金属钥匙，保密性、精度都有很大提高。本系统由单片机系统、矩阵键盘、LCD显示组成。本系统成本低廉，功能实用。第二章系统方案设计2.1测量部分的系统方案设计恒压充电法测量：用一个电阻和电容串联，用恒压源对电容进行充电，然后根据电容充电的曲线超过某个固定电压所需要的时间，利用曲线拟合的方法测量。测量所使用的原始公式是：C=。可见电容的值和电压以及时间呈微分关系。用
7、这种方法测量，时间和容值是非线性的。因此测量难度高，精度低，并且难以实现数字化。恒流充电法测量：用恒流源对电容充电，此时电容的量程和充电时间是成正比的，所以可以利用AD或者比较功能同某个固定电压比较。来实现电容测量。测量所用的原始公式是C=.所以U=。恒流源的电流大小是已知的，时间和电压也可以测量出来，由上面的公式即可求得电容的大小。使用这种方法来测量。精度较上一种方法有所提高，且便于操作和实现。但要使用恒流源，恒流源的设计要求很高，且达不到测量所需要的精度要求，因此这种方法也不适用。用脉冲计数法测量电容：由555定时器两个电阻以及一个电容，构成的多谐振荡电路，产生较为稳定的振荡频率计算的公式
8、为：，这个频率可以自己选择电阻和电容的值确定。再由一个555定时器和一个电阻以及一个电容C构成单稳态触发器，并将以上述多谐振荡电路产生的振荡信号滤波成为稳定的输出电压。此方法测量比较精确，并且容易调节所测量电容值的范围（只需要调节构成单稳态催发器的电阻的大小即可）。 综合上述的三种方法，我所选择的是第三种方法2.2利用单片机进行编程翻译将测量得出的电压信号值，输出事先编好程序的单片机当中，应用单片机将电压信号翻译出来送入LED数码显示管中，显示出对应的数据，选用的单片机可以为凌阳单片机。该方法显示出的数据精确。而且设计、操作都很简单且功能易于扩展，但要用到单片机，因此设计成本将大大提高很不经济
9、，且测量环境要求较高。2.3利用译码器进行翻译 将测量出的结果输入译码器当中，利用译码器将电信号翻译，然后输入到LED数码显示管中，最后显示出对应的数据。选择的译码器可以为7448译码器。该方法所用到的器材较为便宜，且做成的成品便携。但显示不是非常精确，并且功能会很单一。第三章 单元电路设计及原理此方案主要分为两个反面：1.电容量的测量，最后得出来的结果是最后输出电压信号。2.将输出来的电压信号经翻译成为数字信号，由数码管显示出来。总原理方框图3.1电容值测量电路及原理3.1.1 多谐振荡器电路图及工作原理555 定时器构成一个多谐振荡器，其电路图如图2-1-1 所示：图2-1-1 555 定
10、时器构成多谐振荡器 其电路工作原理是：接通电源后，电容C被充电，当上升到时，使为低电平，同时放电三极管T导通，此时电容C通过和T放电，下降。当下降到时，翻转为高电平。电容器充放电所需时间为：ln2当放电结束时，T截止，将通过、向电容器C充电，由上升到所需的时间为：Cln20.7C当上升到时，电路又翻转为低电平。如此周而复始，于是，在电路的输出端就得到一个周期性的矩形波。其振荡频率为：3.1.2单稳态触发器电路图及工作原理 555 定时器构成一个单稳态触发器，其电路图如图2-1-2（a）所示，其简化电路如图2-1-2（b）所示：图2-1-2（a）555定时器构成单稳态触发器图2-1-2（b）55
11、5定时器构成单稳态触发器的简化电路 其工作原理是：没有触发信号时V1处于高电平（），如果接通电源后Q=0 =0，T导通，电容通过放电三极管放电，使=0，保持低电平不变。如果电源接通后Q=1，放电三极管T就会截止，电源通过电阻R向电容充电，当上升到时，由于R=0，S=1锁存器置0，为低电平。此时放电三极管T导通，电容放电，保持低电平不变。因此，电路通电后在没有触发信号时，电路只有一种稳定状态=0。若触发输入端施加触发信号（），电路的输出状态由低电平跳变为高电平，电路进入暂稳态，放电三极管T截止。此后电容充电，当充电至=时，电路的输出端电压由高电平翻转为低电平，同时T导通，由于电容放电，电路返回到
12、稳压状态。如果忽略T的饱和降压，则从零电平上升到的时间，即为输出电压的脉宽 通常R的取值在几百欧到几兆欧之间，电容的取值为几百皮法到几百微法。这种电路产生的脉冲宽度可以从几个微秒到几分钟，精度可以达到0.1%。这样就可以保证测量时的精度，也可以保证测量的范围能够达到100pF-100uF。3.1.3 滤波器工作电路图及原理利用LM741与电容，电阻组成阻容有源滤波器。其电路结构如图所示：LM741组成的阻容滤波器其工作原理是LM741可以对占空比为的信号进行平滑滤波，使最后产生出来的信号与被测量的呈线性关系。3.1.4 滤波器工作电路图及原理测试部分所用的总的电路图如图所示。图中的即是被测量的
13、电容。图中的电源是测量电路使用的电源，其值为15-18伏特之间。测量电路总图3.2模拟信号的处理以及数字化显示在这个环节中，直接采用将信号送入7448译码器中进行翻译，并将翻译成的BCD码送入LED数码管中，显示出来。其电路结构如下图所示：图2-2-1 BCD-七段显示译码器7448的逻辑图图中给出BCD-七段显示译码器7448的逻辑图。如果不考虑逻辑图中由G1-G4组成的附加控制电路的影响（即G3和G4的输出为高电平），则Ya-Yg与A3.A2.A1.A0之间的逻辑关系为：根据BCD-七段显示译码器的逻辑关系式和逻辑图可列出真值表如表2-2LED数码管的构造和显示原理：LED数码管分为共阳极
14、与共阴极两种，如图2-2-2（a）所示，内部结构如图2-2-2（b）（c）所示。a-g代表七个笔段的驱动端，亦称笔段电极。DP是小数点。第3脚与第8脚内部连通，+代表公共阳极，-代表公共阴极。对于共阳极LED数码管，将8只发光二极管的阳极短接后作为公共阳极。其工作特点是：当笔段电极接低电平，公共阳极接高电平时可以发光。共阴极LED数码管则与之相反，他是将发光二极管的阴极短接后作为公共阴极。当驱动信号为高电平，-端接低电平时才能法光。LED数码管的特点：1：能在低电压、小电流条件下驱动发光，能与CMOS、TTL电路兼容。2：发光相应时间极短（0.1us），高频特性好，亮度高。3：体积小、重量轻、
15、抗冲击性好。4：寿命长，使用寿命在10万小时以上，甚至可以达到100万小时。5：成本低。第四章系统参数设定与测试结果4.1系统参数设定系统的参数决定了系统测量的范围在触发器中，本设计在单稳态触发器中的电阻值取为47千欧，由公式：tw=RCxln31.1RC计算可得。被测电阻在100pF-100uF内产生的脉宽为0.s-0.47s。所以多谐振荡器产生的信号振荡频率应该小于2Hz。即2Hz取多谐振荡器中的电阻值R1=R2=150千欧。再由公式： 计算可得多谐振荡器中电容可以取为1.5uF。在数字显示电路中，因为是使用了7448译码器译码，则相应的LED数码管选为共阴极数码管。其他元器件的取值以及相
16、应的规格详见附录4.2测试结果电容值测量值误差470 uF442 uF10.2%100 uF111 uF11%10 uF10.3 uF3%180p193 p7.22%5p5.5 p10%第五章设计结论以及谢词设计结论：本设计主要用于100pF-100uF电容器的测量。设计中应用了单稳态触发器，多谐振荡器，滤波器，译码器，LED数码管显示器等等。测量比较精确，显示速度快，能适应多种环境下的电容测量。谢词：此次毕业设计中，我投入了最大的热情和精力，从设计电路图，选择元器件，使用EWB仿真电路，其过程中出现了不少的问题，我没有气馁，没有退缩，积极查阅资料并且一遍又一遍的重复实践，直到我期望的结果实现
17、。事实也证明我的努力没有白费，认真严谨的实习态度给我带来了成功的喜悦！通过这次电子系统设计，我掌握了设计一个数字电路的基本方法和基本步骤，实际解决了设计中出现的问题，增强了寻找问题、解决问题的能力。此次设计的成功不仅帮助我更好的掌握书本知识，尤其重要的是增强了我的自信，培养了我的独立思考的能力！通过这次的电子设计，我感觉有很大的收获：首先，通过学习使自己对课本上的知识可以应用于实际，使理论与实际相结合，加深自己对课本知识的更好理解，同时实习也锻炼了我个人的动手能力：能够充分利用书籍和网络资源查阅资料，增强了许多课外的知识。能对protel99和EWB等仿真软件操作，能达到学以致用。对我们学生来
18、说，理论与实践同样重要。在这过程中，当我遇到些不能解决的问题时，我及时查阅资料以及向同学请教，使我们少走弯路，顺利完成毕业设计。同时对此次设计帮助过我的老师以及同学，我对你们表示感谢，谢谢你们！参考文献1. 张永枫 单片机应用实训教程.第一版.北京:清华大学出版社,20082. 陈明荧 单片机课程设计实训教材.第一版.北京:清华大学出版社,20043. 周航慈 单片机程序设计基础.第一版.北京:北航大学出版社,19974. 谢淑如 Protel PCB 99 SE电路板设计.第一版.北京:清华大学出版社,20015. 先锋工作室 .单片机程序设计实例.第一版.北京:清华大学出版社,20036. 阎 石 数字电子技术基础.第一版.北京:高等教育出版社,20057. 谢嘉奎 电子线路.第一版.北京:高等教育出版社,20059. 李伯成 基于MCS-51单片机的嵌入式系统设计.第一版.北京:电子工业出 版社,2004附录1 元器件清单序号名称、型号及规格数量（个）1555定时器22LM741放大器13共阴极LED数码管447448译码器45R（150k）26R(47k)17R(200k)38C(1.5uF)79C(0.01uF)210C(50uF)211SW-PB4