1、i 南京機電職業技術學院畢 業 設 計( 論 文) 題目數字式電容測量儀的設計系部電子工程系專業 電子測量技術與儀器姓名周 橋學號g1010314 指導教師郁鐳2013 年04 月28 日摘 要隨著社會物質財富的日益增長，安全防盜已成為社會問題。而鎖自古以來就是把守門戶的鐵將軍， 人們對它要求甚高， 既要安全可靠地防盜， 又要使用方便，這也是制鎖者長期以來研制的主題。目前國內，大部分人使用的還是傳統的機械鎖。然而，眼下假冒偽劣的機械鎖泛濫成災，互開率非常之高。所謂互開率，是各種鎖具的一個技術質量標準，也就是1 把鑰匙能開幾把鎖的比率。經國家工商局、國家內貿局、中國消協等部門對鎖具市場的調查，發

2、現個別產品的互開率居然超標 26 倍。機械鎖的這些弊端為一種新型的鎖- 電子密碼鎖，提供了發展的空間。本密碼鎖的主控芯片采用價格實惠而且容易購買的stc89c52芯片。密碼輸入采用矩陣鍵盤，密碼顯示采用lcd顯示屏。系統能完成密碼輸入、正確開鎖、錯誤提示這些基本的密碼鎖的功能。因此沒使用編程器，用c語言實現系統的軟件部分。此設計具有安全性高、價格低廉便于實現等優點。關鍵詞 :電子密碼鎖stc89c52矩陣鍵盤iii 目 錄摘 要. i目 錄. iii第一章 引言 . 1第二章 系統方案設計 . 32.1 測量部分的系統方案設計 . 32.2 利用單片機進行編程翻譯 . 32.3 利用譯碼器進行

3、翻譯 . 3第三章 單元電路設計及原理 . 43.1 電容測量電路及原理 . 43.1.1多諧振蕩電路及工作原理 . 43.1.2單穩態觸發電路圖及工作原理 . 53.1.3顯示電路設計 . 73.1.4濾波器工作電路圖及原理 . 73.2 模擬信號的處理以及數字化顯示 . 8第四章系統參數設定與測試結果. 104.1 系統參數設定 . 104.2 測試結果 . 10第五章設計結論與謝詞 . 11參考文獻 . 12附錄 1 元器件清單 . 131 第一章 引言隨著社會物質財富的日益增長，安全防盜已成為社會問題。如何實現防盜和安全這一問題也變的尤其的突出，傳統的機械鎖由于其構造的簡單，被撬的事件

4、屢見不鮮，而鎖自古以來就是把門戶的將軍，人們對其要求比較高，不僅能夠安全的防盜，而且還要使用方便，這是制鎖者長期以來研制的主題。而當今社會由于計算機的迅猛發展，數字電子技術已經進入人們生活的各個領域，在國內外，電子產品的更新可謂如雨后的春筍層出不群，更多的電子產品也越來越多的應用于安全防范領域。 有需求就必有發展， 不同種類的鎖也應運而生，有密碼鎖、磁性鎖、電子鎖、激光鎖、聲控鎖等等，它們的實現在傳統鑰匙的基礎上加了一組或多組密碼，不同聲音，不同磁場，不同聲波，不同光束光波，不同圖像（如指紋、 眼底視網膜等） 來控制鎖的開啟。 電子密碼鎖由于其保密性高，使用靈活性好，安全系數高，受到了廣大用戶

5、的親呢。電子密碼鎖是一種通過密碼輸入來控制電路或是芯片工作，從而控制機械開關的閉合，完成開鎖、閉鎖任務的電子產品。它的種類很多，有簡易的電路產品，也有基于芯片的性價比較高的產品。現在應用較廣的電子密碼鎖是以芯片為核心，通過編程來實現的。其性能和安全性已大大超過了機械鎖。其特點如下：1) 保密性好，編碼量多。隨機開鎖成功率幾乎為零。2) 密碼可變，用戶可以隨時更改密碼，防止密碼被盜，同時也可以避免因人員的更替而使鎖的密級下降。3) 密碼輸入錯誤紅燈亮，正確綠燈亮。4) 無活動零件，不會磨損，壽命長。5) 使用靈活性好，不像機械鎖必須佩帶鑰匙才能開鎖。6) 電子密碼鎖操作簡單易行，一學即會。隨著電

6、子元件的進一步發展，電子密碼鎖也出現了很多的種類，功能日益強大，使用更加方便，安全保密性更強，由以前的單密碼輸入發展到現在的，密碼加感應元件，實現了真正的電子加密，用戶只有密碼或電子鑰匙中的一樣，是打不開鎖的，隨著電子元件的發展及人們對保密性需求的提高出現了越來越多的電子密碼鎖。2 電子鎖是采取電子電路控制，以電磁鐵或者衛星電機和鎖體作為執行裝置的機電一體化鎖具，相比傳統的機械鎖具，電子鎖不使用金屬鑰匙，保密性、精度都有很大提高。本系統由單片機系統、矩陣鍵盤、lcd顯示組成。本系統成本低廉，功能實用。3 第二章 系統方案設計2.1 測量部分的系統方案設計恒壓充電法測量：用一個電阻和電容串聯，用

7、恒壓源對電容進行充電，然后根據電容充電的曲線超過某個固定電壓所需要的時間，利用曲線擬合的方法測量。測量所使用的原始公式是：c=ufddi。可見電容的值和電壓以及時間呈微分關系。用這種方法測量，時間和容值是非線性的。因此測量難度高，精度低，并且難以實現數字化。恒流充電法測量：用恒流源對電容充電，此時電容的量程和充電時間是成正比的，所以可以利用ad或者比較功能同某個固定電壓比較。來實現電容測量。測量所用的原始公式是c=tiquq. 所以 u=cti。恒流源的電流大小是已知的，時間和電壓也可以測量出來，由上面的公式即可求得電容的大小。使用這種方法來測量。精度較上一種方法有所提高，且便于操作和實現。但

8、要使用恒流源，恒流源的設計要求很高，且達不到測量所需要的精度要求，因此這種方法也不適用。用脈沖計數法測量電容：由 555 定時器兩個電阻以及一個電容，構成的多諧振蕩電路，產生較為穩定的振蕩頻率計算的公式為：crrf)(43.121，這個頻率可以自己選擇電阻和電容的值確定。再由一個555 定時器和一個電阻以及一個電容cx構成單穩態觸發器，并將以上述多諧振蕩電路產生的振蕩信號20v 濾波成為穩定的輸出電壓0v 。此方法測量比較精確， 并且容易調節所測量電容值的范圍（只需要調節構成單穩態催發器的電阻的大小即可）。綜合上述的三種方法，我所選擇的是第三種方法2.2 利用單片機進行編程翻譯將測量得出的電壓

9、信號值，輸出事先編好程序的單片機當中，應用單片機將電壓信號翻譯出來送入led數碼顯示管中，顯示出對應的數據，選用的單片機可以為凌陽單片機。該方法顯示出的數據精確。而且設計、操作都很簡單且功能易于擴展，但要用到單片機， 因此設計成本將大大提高很不經濟，且測量環境要求較高。2.3 利用譯碼器進行翻譯將測量出的結果輸入譯碼器當中，利用譯碼器將電信號翻譯， 然后輸入到 led數碼顯示管中，最后顯示出對應的數據。選擇的譯碼器可以為7448 譯碼器。該方法所用到的器材較為便宜，且做成的成品便攜。但顯示不是非常精確，并且功能會很單一。4 第三章單元電路設計及原理此方案主要分為兩個反面：1. 電容量的測量，最

10、后得出來的結果是最后輸出電壓信號。 2. 將輸出來的電壓信號經翻譯成為數字信號，由數碼管顯示出來。總原理方框圖3.1 電容值測量電路及原理3.1.1 多諧振蕩器電路圖及工作原理555 定時器構成一個多諧振蕩器，其電路圖如圖2-1-1 所示：5 圖 2-1-1 555 定時器構成多諧振蕩器其電路工作原理是：接通電源后，電容c被充電，當cv 上升到32vcc時，使0v 為低電平，同時放電三極管t 導通，此時電容 c通過2r 和 t放電，cv 下降。當cv 下降到3vcc時，0v 翻轉為高電平。電容器充放電所需時間為：crtpl2ln2 cr27 .0當放電結束時， t 截止，ccv將通過1r、2r

11、 向電容器 c充電，cv 由3vcc上升到32vcc所需的時間為：)(21rrtphcln20.7)(21rrc 當上升到32vcc時，電路又翻轉為低電平。如此周而復始，于是，在電路的輸出端就得到一個周期性的矩形波。其振蕩頻率為：)c2r(r43. 1121phplttf3.1.2單穩態觸發器電路圖及工作原理 555 定時器構成一個單穩態觸發器，其電路圖如圖2-1-2 （a）所示，其簡化電路如圖 2-1-2 （b）所示：6 圖 2-1-2 （a）555 定時器構成單穩態觸發器圖 2-1-2 （b）555定時器構成單穩態觸發器的簡化電路其工作原理是：沒有觸發信號時v1處于高電平（31vccv）

12、，如果接通電源后q=0 7 v =0，t導通，電容通過放電三極管放電，使cv =0，0v 保持低電平不變。如果電源接通后 q=1 ， 放電三極管 t就會截止，電源通過電阻 r向電容xc 充電，當cv上升到32vcc時，由于 r=0 ，s=1鎖存器置 0，0v 為低電平。此時放電三極管t 導通，電容xc 放電，0v 保持低電平不變。因此，電路通電后在沒有觸發信號時，電路只有一種穩定狀態0v =0。若觸發輸入端施加觸發信號（31vccv） ，電路的輸出狀態由低電平跳變為高電平， 電路進入暫穩態， 放電三極管 t 截止。此后電容xc 充電，當xc 充電至0v =32vcc時，電路的輸出端電壓0v 由

13、高電平翻轉為低電平， 同時 t 導通，由于電容0v 放電，電路返回到穩壓狀態。如果忽略 t 的飽和降壓，則cv 從零電平上升到32vcc的時間，即為輸出電壓0v的脈寬wtxxwrcnrct1.131通常 r 的取值在幾百歐到幾兆歐之間，電容的取值為幾百皮法到幾百微法。這種電路產生的脈沖寬度可以從幾個微秒到幾分鐘，精度可以達到 0.1%。這樣就可以保證測量時的精度，也可以保證測量的范圍能夠達到100pf-100uf。3.1.3 濾波器工作電路圖及原理利用lm741與電容，電阻組成阻容有源濾波器。其電路結構如圖所示：lm741組成的阻容濾波器其工作原理是lm741可以對占空比為wt 的信號0v 進

14、行平滑濾波，使最后產生出來的信號與被測量的xc 呈線性關系。3.1.4 濾波器工作電路圖及原理測試部分所用的總的電路圖如圖所示。圖中的xc 即是被測量的電容。圖中的電源是測量電路使用的電源，其值為15-18 伏特之間。8 測量電路總圖3.2 模擬信號的處理以及數字化顯示在這個環節中，直接采用將信號送入7448譯碼器中進行翻譯，并將翻譯成的 bcd 碼送入 led數碼管中，顯示出來。其電路結構如下圖所示：圖 2-2-1 bcd- 七段顯示譯碼器7448的邏輯圖圖中給出bcd- 七段顯示譯碼器7448 的邏輯圖。如果不考慮邏輯圖中由g1-g4組成的附加控制電路的影響 （即 g3和 g4的輸出為高電

15、平）， 則 ya-yg9 與 a3.a2.a1.a0 之間的邏輯關系為：根據bcd- 七段顯示譯碼器的邏輯關系式和邏輯圖可列出真值表如表2-2led數碼管的構造和顯示原理：led數碼管分為共陽極與共陰極兩種，如圖2-2-2 （a）所示，內部結構如圖 2-2-2（b） （c）所示。a-g 代表七個筆段的驅動端， 亦稱筆段電極。dp是小數點。第 3 腳與第 8 腳內部連通，+代表公共陽極，- 代表公共陰極。對于共陽極 led數碼管，將 8 只發光二極管的陽極短接后作為公共陽極。其工作特點是：當筆段電極接低電平，公共陽極接高電平時可以發光。共陰極 led數碼管則與之相反， 他是將發光二極管的陰極短接

16、后作為公共陰極。當驅動信號為高電平，-端接低電平時才能法光。led數碼管的特點：1：能在低電壓、小電流條件下驅動發光，能與cmos、ttl電路兼容。2：發光相應時間極短（ 0.1us） ，高頻特性好，亮度高。3：體積小、重量輕、抗沖擊性好。4：壽命長，使用壽命在10 萬小時以上，甚至可以達到100萬小時。5：成本低。10 第四章 系統參數設定與測試結果4.1 系統參數設定系統的參數決定了系統測量的范圍在觸發器中，本設計在單穩態觸發器中的電阻值取為47千歐，由公式：tw=rcxln31.1rc 計 算 可 得 。 被 測 電 阻 在100pf-100uf內 產 生 的 脈 寬 為0.000047

17、s-0.47s 。所以多諧振蕩器產生的信號振蕩頻率應該小于2hz。即?2hz 取多諧振蕩器中的電阻值r1=r2=150 千歐。再由公式：xxwrcnrct1. 131計算可得多諧振蕩器中電容可以取為1.5uf。在數字顯示電路中， 因為是使用了 7448 譯碼器譯碼，則相應的led數碼管選為共陰極數碼管。其他元器件的取值以及相應的規格詳見附錄4.2 測試結果電容值測量值誤差470 uf 442 uf 10.2% 100 uf 111 uf 11% 10 uf 10.3 uf 3% 180p 193 p 7.22% 5p 5.5 p 10% 11 第五章 設計結論以及謝詞設計結論：本設計主要用于1

18、00pf-100uf 電容器的測量。設計中應用了單穩態觸發器，多諧振蕩器，濾波器，譯碼器，led數碼管顯示器等等。測量比較精確，顯示速度快，能適應多種環境下的電容測量。謝詞：此次畢業設計中，我投入了最大的熱情和精力，從設計電路圖，選擇元器件，使用 ewb 仿真電路，其過程中出現了不少的問題，我沒有氣餒，沒有退縮，積極查閱資料并且一遍又一遍的重復實踐，直到我期望的結果實現。事實也證明我的努力沒有白費，認真嚴謹的實習態度給我帶來了成功的喜悅！通過這次電子系統設計，我掌握了設計一個數字電路的基本方法和基本步驟，實際解決了設計中出現的問題，增強了尋找問題、解決問題的能力。此次設計的成功不僅幫助我更好的掌握書本知識，尤其重要的是增強了我的自信，培養了我的獨立思考的能力！通過這次的電子設計，我感覺有很大的收獲：首先，通過學習使自己對課本上的知識可以應用于實際，使理論與實際相結合，加深自己對課本知識的更好理解，同時實習也鍛煉了我個人的動手能力：能夠充分利用書籍和網絡資源查閱資料，增強了許多課外的知識。能對protel99和 ewb等仿真軟件操作，能