或非門下的防盜報警實驗電路設計
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摘要：為增強學生在數字電路學習中對邏輯門的掌握和應用，根據門電路的多樣性、靈活性，采用不同的邏輯門電路可實現相同邏輯功能的特點，模擬防盜報警電路中指示燈閃爍現象，設計了一款基于或非門實現的防盜報警電路。通過設計分析，幫助學生將知識聯系實際生活，激發學生在組合邏輯電路設計中的想象力和創造力，也為后續課程的學習打下良好的基礎。
關鍵詞：或非門；觸發器；方波發生器；防盜報警
引言
在數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，為此，將最簡表達式取兩次非，加一步摩根公式的轉換即可實現。使用與非門實現的典型教學例有：數值比較器、判奇（含1的個數）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。而現有的防盜報警電路都是基于單片機的控制系統來設計的，作為電子信息專業剛入門的學生來說，還不具備單片機知識。為了增強對數字電路中邏輯電路的學習和應用，根據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。從現象出發：終端設備指示燈的閃爍表示報警發生，采用一個LED燈實現。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：當發生入戶盜竊等異常情況時，電路被觸發，驅動方波發生器輸出方波信號，LED燈閃爍；反之，方波發生器不工作，LED燈滅。方波發生器的驅動電路，可以有很多，比如可以使用可控硅、三極管開關電路。但圍繞著數字電路的或非門展開，本電路設計可以在方波發生器前面設置一個雙穩態觸發器，輸出兩個穩定狀態0和1。其中一個狀態，即非法入侵報警狀態令方波發生器開始工作，輸出方波；否則方波發生器不工作，輸出保持不變。根據設計思路，將電路的組成部分分為三部分，系統框圖如圖1所示。
2電路工作原理
（1）雙穩態觸發器觸發器是打開報警電路的關鍵電路。常用的觸發器電路是由兩個或非門交叉組合構成。根據或非門的工作原理，設計如圖2所示，由或非門U1和U2組成一個高電平觸發的雙穩態觸發器。只有輸入信號有效時，輸出狀態才發生轉換。以U1輸入端R為例，當R=1時，根據或門有1出1的規則，然后再取非，得到輸出Q為0。（2）方波發生器常見的方波產生電路采用由555定時器構成的多諧振蕩電路實現，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形振蕩器，用或非門實現，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，其放開對方波發生器的控制，U3和U4組成的方波發生器開始振蕩，它在0狀態停留一段時間后將自動轉入1狀態，在1狀態停留一段時間后又自動轉入0狀態，如此反復，輸出方波。（3）驅動電路在輸出部分采用發光二極管LED來作為報警電路的報警顯示。而LED的驅動電流不能太小，否則亮度不夠，無法正確識別。可在方波發生器與負載LED之間，加入兩個或非門并聯，其作用是起到波形整形和增強負載LED的驅動電流。
3全電路的仿真與實現
全電路的原理圖如圖4所示。在觸發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，當發生盜竊異常狀態下門窗被打開，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組成的方波發生器停止振蕩。方波發生器停止振蕩時，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。非正常狀態下：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。或非門U3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，方波發生器振蕩，輸出方波，LED燈閃爍。4結束語在數字電路中，由于邏輯門電路的狀態只有兩種，所以相同的邏輯功能可以用不同的邏輯門來實現。比如JK觸發器就可以通過不同的連接方式實現D觸發器、T觸發器的轉換；還有與非門向非門、或非門向非門的轉換等。課內可以通過仿真平臺完成幾種不同門電路實現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，激發學生對數字電路知識的學習興趣和想象力，并對電路的設計與創新充滿了探索與求知欲。通過用或非門來實現防盜報警電路，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則掌握后，就可以通過簡單的電路變換，實現想要的電路效果。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。其次，為了讓學生對自己所學專業產生學習興趣，我們教師可以聯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新意識[3]。最后，教師的引導和鼓勵，是學生將知識轉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：廣西水利電力職業技術學院