或非門下的防盜報警實驗電路設計
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摘要：為增強學生在數(shù)字電路學習中對邏輯門的掌握和應用，根據(jù)門電路的多樣性、靈活性，采用不同的邏輯門電路可實現(xiàn)相同邏輯功能的特點，模擬防盜報警電路中指示燈閃爍現(xiàn)象，設計了一款基于或非門實現(xiàn)的防盜報警電路。通過設計分析，幫助學生將知識聯(lián)系實際生活，激發(fā)學生在組合邏輯電路設計中的想象力和創(chuàng)造力，也為后續(xù)課程的學習打下良好的基礎。
關鍵詞：或非門；觸發(fā)器；方波發(fā)生器；防盜報警
引言
在數(shù)字電子技術課程的學習中，組合邏輯電路的分析與設計是必須掌握的基本技能。一般情況下，只要根據(jù)設計要求，先確定輸入與輸出變量，再列真值表，由真值表列邏輯表達式，最后將邏輯表達式化簡為最簡表達式，即可完成組合邏輯電路設計。在平時的學習過程中，學生按照上述設計步驟，基本上都能夠順利完成組合邏輯電路的設計。還有一種常見的附加設計要求就是需要用與非門來實現(xiàn)，為此，將最簡表達式取兩次非，加一步摩根公式的轉(zhuǎn)換即可實現(xiàn)。使用與非門實現(xiàn)的典型教學例有：數(shù)值比較器、判奇（含1的個數(shù)）電路等[1-2]。但這些教學例，由于沒有應用場景，實驗顯得抽象和枯燥，無法調(diào)動學生的學習興趣，教學效果欠佳。
1設計思路
防盜報警電路可以給人以視覺和聽覺上的滿足，它的應用也非常的普遍，學生對防盜報警電路非常感興趣。而現(xiàn)有的防盜報警電路都是基于單片機的控制系統(tǒng)來設計的，作為電子信息專業(yè)剛?cè)腴T的學生來說，還不具備單片機知識。為了增強對數(shù)字電路中邏輯電路的學習和應用，根據(jù)報警電路在報警時燈光閃爍的模擬，利用或非門設計一款防盜報警電路。從現(xiàn)象出發(fā)：終端設備指示燈的閃爍表示報警發(fā)生，采用一個LED燈實現(xiàn)。燈的閃爍可以設計為方波的接入，若方波接入LED的陽極，則高電平時燈亮，低電平時燈滅；若方波接入LED的陰極，則低電平時燈亮，高電平時燈滅。從報警原因出發(fā)：當發(fā)生入戶盜竊等異常情況時，電路被觸發(fā)，驅(qū)動方波發(fā)生器輸出方波信號，LED燈閃爍；反之，方波發(fā)生器不工作，LED燈滅。方波發(fā)生器的驅(qū)動電路，可以有很多，比如可以使用可控硅、三極管開關電路。但圍繞著數(shù)字電路的或非門展開，本電路設計可以在方波發(fā)生器前面設置一個雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器，輸出兩個穩(wěn)定狀態(tài)0和1。其中一個狀態(tài)，即非法入侵報警狀態(tài)令方波發(fā)生器開始工作，輸出方波；否則方波發(fā)生器不工作，輸出保持不變。根據(jù)設計思路，將電路的組成部分分為三部分，系統(tǒng)框圖如圖1所示。
2電路工作原理
（1）雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器觸發(fā)器是打開報警電路的關鍵電路。常用的觸發(fā)器電路是由兩個或非門交叉組合構成。根據(jù)或非門的工作原理，設計如圖2所示，由或非門U1和U2組成一個高電平觸發(fā)的雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器。只有輸入信號有效時，輸出狀態(tài)才發(fā)生轉(zhuǎn)換。以U1輸入端R為例，當R=1時，根據(jù)或門有1出1的規(guī)則，然后再取非，得到輸出Q為0。（2）方波發(fā)生器常見的方波產(chǎn)生電路采用由555定時器構成的多諧振蕩電路實現(xiàn)，它一般是為時序邏輯電路提供CP信號的。這里我們參考反相器構成的環(huán)形振蕩器，用或非門實現(xiàn)，如圖3所示，當前端送來的控制電壓Vc為高電平時，或非門U3輸出低電平，或非門U4輸出高電平，U3和U4組成的方波發(fā)生器停止振蕩；反之，當控制電壓Vc為低電平時，其放開對方波發(fā)生器的控制，U3和U4組成的方波發(fā)生器開始振蕩，它在0狀態(tài)停留一段時間后將自動轉(zhuǎn)入1狀態(tài)，在1狀態(tài)停留一段時間后又自動轉(zhuǎn)入0狀態(tài)，如此反復，輸出方波。（3）驅(qū)動電路在輸出部分采用發(fā)光二極管LED來作為報警電路的報警顯示。而LED的驅(qū)動電流不能太小，否則亮度不夠，無法正確識別?？稍诜讲òl(fā)生器與負載LED之間，加入兩個或非門并聯(lián)，其作用是起到波形整形和增強負載LED的驅(qū)動電流。
3全電路的仿真與實現(xiàn)
全電路的原理圖如圖4所示。在觸發(fā)器的前端設置信號源電路，其中開關L用于模擬安裝于門窗間的防盜裝置，當發(fā)生盜竊異常狀態(tài)下門窗被打開，用開關L打開表示。開關L閉合屬于正常狀態(tài)下：當接通電源時，+5V電源對電容C1充電，使電阻R2的上端獲得短暫高電平，使或非門U2輸出低電平，或非門U1輸出高電平。或非門U1所輸出的高電平送至或非門U3的一個輸入端，使或非門U3輸出低電平，或非門U4輸高電平，或非門U3和U4組成的方波發(fā)生器停止振蕩。方波發(fā)生器停止振蕩時，或非門U5和U6輸出低電平，用于模擬報警的LED燈不亮，表示當前為正常狀態(tài)。非正常狀態(tài)下：若有外人從窗戶入侵，開關L被打開，或非門U1的輸入端獲得高電平，或非門U1輸出低電平；或非門U1所輸出的低電平，傳送至或非門U3的一個輸入端，相當于放開對或非門U3的控制?；蚍情TU3和U4、電阻R3和電容C2組成的方波振蕩器開始振蕩，或非門U3輸出高電平，或非門U4輸出低電平，電容C2放電；又通過R3反饋高電平至U3，隨后U3輸出低電平，U4輸出高電平，電容C2充電。如此反復，方波發(fā)生器振蕩，輸出方波，LED燈閃爍。4結束語在數(shù)字電路中，由于邏輯門電路的狀態(tài)只有兩種，所以相同的邏輯功能可以用不同的邏輯門來實現(xiàn)。比如JK觸發(fā)器就可以通過不同的連接方式實現(xiàn)D觸發(fā)器、T觸發(fā)器的轉(zhuǎn)換；還有與非門向非門、或非門向非門的轉(zhuǎn)換等。課內(nèi)可以通過仿真平臺完成幾種不同門電路實現(xiàn)相同邏輯功能的電路對比，可以增強學生對邏輯電路知識的掌握，激發(fā)學生對數(shù)字電路知識的學習興趣和想象力，并對電路的設計與創(chuàng)新充滿了探索與求知欲。通過用或非門來實現(xiàn)防盜報警電路，為組合邏輯電路的設計提供一個方向。學生只要對邏輯門電路本身的運算規(guī)則掌握后，就可以通過簡單的電路變換，實現(xiàn)想要的電路效果。這樣的技巧簡單易懂，又可靈活多變，實驗結果可借助仿真平臺或面包板實現(xiàn)。其次，為了讓學生對自己所學專業(yè)產(chǎn)生學習興趣，我們教師可以聯(lián)系生活實際為學生舉例，鼓勵學生對電子電路進行改進和設計，提高自身的動手能力和創(chuàng)新意識[3]。最后，教師的引導和鼓勵，是學生將知識轉(zhuǎn)化為實踐的一種催化劑，從而確保課堂教學的有效性。
參考文獻
[1]王毓銀.數(shù)字電路邏輯設計（第三版）學習指導書[M].高等教育出版社,2018.
[2]孫津平.數(shù)字電子技術[M].西安電子科技大學出版社,2017.
[3]周立豐.如何提高中職電工電子實訓教學的有效性[J].科學咨詢（科技.管理），2020(02):127-128.
作者：幸敏 陸世鵬 單位：廣西水利電力職業(yè)技術學院