数字式电容测量仪的设计.doc

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 摘摘 要要 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 关键词关键词 电子密码锁 STC89C52 矩阵键盘 III 目目 录录 摘摘 要要 I 目目 录录 III 第一章第一章 引引言言 1 第二章第二章 系统系统方方案案设设计计 3 2 1 测量部分的系统方案设计 3 2 2 利用单片机进行编程翻译 3 2 3 利用译码器进行翻译 3 第三章第三章 单元电路设单元电路设计计及及原理原理 4 3 1 电容测量电路及原理 4 3 1 1 多谐振荡电路及工作原理 4 3 1 2 单稳态触发电路图及工作原理 5 3 1 3 显示电路设计 7 3 1 4 滤波器工作电路图及原理 7 3 2 模拟信号的处理以及数字化显示 8 第四章系统参数第四章系统参数设设定与测试结果定与测试结果 10 4 14 1 系统参系统参数数设定设定 10 4 24 2 测试测试结结果果 10 第五章第五章设设计计结结论与谢词论与谢词 11 参考参考文文献献 12 附录附录 1 元元器器件清单件清单 13 1 第一章第一章 引言引言 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系统方案设计 2 12 1 测量部分的系统方案设计测量部分的系统方案设计 恒压充电法测量 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 C 可见电容的值和电压以及时间呈 u f d di 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 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 tiq u q c ti 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 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 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 CRR f 43 1 21 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 x 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 2 0 v 0 v 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 22 2 利用单片机进行编程翻译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 32 3 利用译码器进行翻译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 4 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 13 1 电容值测量电路及原理电容值测量电路及原理 3 1 13 1 1 多谐振荡器电路图及工作原理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 1 555 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 当上升到时 c v 3 2Vcc 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 0 v 2 R c v 当下降到时 翻转为高电平 电容器充放电所需时间为 c v 3 Vcc 0 v ln2 CRtpl 2 CR27 0 当放电结束时 T 截止 将通过 向电容器 C 充电 由上升 cc V1R 2 R c v 3 Vcc 到所需的时间为 Cln2 0 7C 3 2Vcc 21 RRtpH 21 RR 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 3 2Vcc 出端就得到一个周期性的矩形波 其振荡频率为 C2R R 43 1 1 21 pHpL tt f 3 1 23 1 2 单稳态触发器电路图及工作原理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 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 3 1 Vcc v 后 Q 0 7 0 T 导通 电容通过放电三极管放电 使 0 保持低电平不变 0 v c v 0 v 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 x c 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 c v 3 2Vcc 0 v 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 x c 0 v 电路只有一种稳定状态 0 0 v 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 3 1 Vcc v 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 x c x c 0 v 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 3 2Vcc 0 v 放电 电路返回到稳压状态 0 v 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 c v 3 2Vcc 的脉宽 0 v w t Xxw RCnRCt1 131 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 33 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 w t 0 v 出来的信号与被测量的呈线性关系 x C 3 1 43 1 4 滤波器工作电路图及原理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电容 图中的 x C 8 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 9 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 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 10 第四章系统参数设定与测试结果系统参数设定与测试结果 4 1 系统参数设定系统参数设定 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 RCxln3 1 1RC 计算可得 被测电阻在 100pF 100uF 内产生的脉宽为 0 000047s 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 Xxw RCnRCt1 131 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应的规格详见附录 4 24 2 测试结果测试结果 电容值电容值测量值测量值误差误差 470 uF442 uF10 2 100 uF111 uF11 10 uF10 3 uF3 180p193 p7 22 5p5 5 p10 11 第五章设计结论以及谢词设计结论以及谢词 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 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