数字式电容测量仪的设计

I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G1010314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III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......................................................................................................131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。2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。3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=ufddi。可见电容的值和电压以及时间呈微分关系。用这种方法测量，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=tiquq..所以U=cti。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为：CRRf)(43.121，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Cx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20v滤波成为稳定的输出电压0v。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，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。4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：5图2-1-1555定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cv上升到32Vcc时，使0v为低电平，同时放电三极管T导通，此时电容C通过2R和T放电，cv下降。当cv下降到3Vcc时，0v翻转为高电平。电容器充放电所需时间为：CRtpl2ln2≈CR27.0当放电结束时，T截止，ccV将通过1R、2R向电容器C充电，cv由3Vcc上升到32Vcc所需的时间为：)(21RRtpHCln2≈0.7)(21RRC当上升到32Vcc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：)C2R(R43.1121pHpLttf3.1.2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：6图2-1-2（a）555定时器构成单稳态触发器图2-1-2（b）555