或非門(mén)下的防盜報(bào)警實(shí)驗(yàn)電路設(shè)計(jì)
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摘要：為增強(qiáng)學(xué)生在數(shù)字電路學(xué)習(xí)中對(duì)邏輯門(mén)的掌握和應(yīng)用，根據(jù)門(mén)電路的多樣性、靈活性，采用不同的邏輯門(mén)電路可實(shí)現(xiàn)相同邏輯功能的特點(diǎn)，模擬防盜報(bào)警電路中指示燈閃爍現(xiàn)象，設(shè)計(jì)了一款基于或非門(mén)實(shí)現(xiàn)的防盜報(bào)警電路。通過(guò)設(shè)計(jì)分析，幫助學(xué)生將知識(shí)聯(lián)系實(shí)際生活，激發(fā)學(xué)生在組合邏輯電路設(shè)計(jì)中的想象力和創(chuàng)造力，也為后續(xù)課程的學(xué)習(xí)打下良好的基礎(chǔ)。
關(guān)鍵詞：或非門(mén)；觸發(fā)器；方波發(fā)生器；防盜報(bào)警
引言
在數(shù)字電子技術(shù)課程的學(xué)習(xí)中，組合邏輯電路的分析與設(shè)計(jì)是必須掌握的基本技能。一般情況下，只要根據(jù)設(shè)計(jì)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(dá)式，最后將邏輯表達(dá)式化簡(jiǎn)為最簡(jiǎn)表達(dá)式，即可完成組合邏輯電路設(shè)計(jì)。在平時(shí)的學(xué)習(xí)過(guò)程中，學(xué)生按照上述設(shè)計(jì)步驟，基本上都能夠順利完成組合邏輯電路的設(shè)計(jì)。還有一種常見(jiàn)的附加設(shè)計(jì)要求就是需要用與非門(mén)來(lái)實(shí)現(xiàn)，為此，將最簡(jiǎn)表達(dá)式取兩次非，加一步摩根公式的轉(zhuǎn)換即可實(shí)現(xiàn)。使用與非門(mén)實(shí)現(xiàn)的典型教學(xué)例有：數(shù)值比較器、判奇（含1的個(gè)數(shù)）電路等[1-2]。但這些教學(xué)例，由于沒(méi)有應(yīng)用場(chǎng)景，實(shí)驗(yàn)顯得抽象和枯燥，無(wú)法調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，教學(xué)效果欠佳。
1設(shè)計(jì)思路
防盜報(bào)警電路可以給人以視覺(jué)和聽(tīng)覺(jué)上的滿(mǎn)足，它的應(yīng)用也非常的普遍，學(xué)生對(duì)防盜報(bào)警電路非常感興趣。而現(xiàn)有的防盜報(bào)警電路都是基于單片機(jī)的控制系統(tǒng)來(lái)設(shè)計(jì)的，作為電子信息專(zhuān)業(yè)剛?cè)腴T(mén)的學(xué)生來(lái)說(shuō)，還不具備單片機(jī)知識(shí)。為了增強(qiáng)對(duì)數(shù)字電路中邏輯電路的學(xué)習(xí)和應(yīng)用，根據(jù)報(bào)警電路在報(bào)警時(shí)燈光閃爍的模擬，利用或非門(mén)設(shè)計(jì)一款防盜報(bào)警電路。從現(xiàn)象出發(fā)：終端設(shè)備指示燈的閃爍表示報(bào)警發(fā)生，采用一個(gè)LED燈實(shí)現(xiàn)。燈的閃爍可以設(shè)計(jì)為方波的接入，若方波接入LED的陽(yáng)極，則高電平時(shí)燈亮，低電平時(shí)燈滅；若方波接入LED的陰極，則低電平時(shí)燈亮，高電平時(shí)燈滅。從報(bào)警原因出發(fā)：當(dāng)發(fā)生入戶(hù)盜竊等異常情況時(shí)，電路被觸發(fā)，驅(qū)動(dòng)方波發(fā)生器輸出方波信號(hào)，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(dòng)電路，可以有很多，比如可以使用可控硅、三極管開(kāi)關(guān)電路。但圍繞著數(shù)字電路的或非門(mén)展開(kāi)，本電路設(shè)計(jì)可以在方波發(fā)生器前面設(shè)置一個(gè)雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器，輸出兩個(gè)穩(wěn)定狀態(tài)0和1。其中一個(gè)狀態(tài)，即非法入侵報(bào)警狀態(tài)令方波發(fā)生器開(kāi)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(shè)計(jì)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(kāi)報(bào)警電路的關(guān)鍵電路。常用的觸發(fā)器電路是由兩個(gè)或非門(mén)交叉組合構(gòu)成。根據(jù)或非門(mén)的工作原理，設(shè)計(jì)如圖2所示，由或非門(mén)U1和U2組成一個(gè)高電平觸發(fā)的雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器。只有輸入信號(hào)有效時(shí)，輸出狀態(tài)才發(fā)生轉(zhuǎn)換。以U1輸入端R為例，當(dāng)R=1時(shí)，根據(jù)或門(mén)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(jiàn)的方波產(chǎn)生電路采用由555定時(shí)器構(gòu)成的多諧振蕩電路實(shí)現(xiàn)，它一般是為時(shí)序邏輯電路提供CP信號(hào)的。這里我們參考反相器構(gòu)成的環(huán)形振蕩器，用或非門(mén)實(shí)現(xiàn)，如圖3所示，當(dāng)前端送來(lái)的控制電壓Vc為高電平時(shí)，或非門(mén)U3輸出低電平，或非門(mén)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(dāng)控制電壓Vc為低電平時(shí)，其放開(kāi)對(duì)方波發(fā)生器的控制，U3和U4組成的方波發(fā)生器開(kāi)始振蕩，它在0狀態(tài)停留一段時(shí)間后將自動(dòng)轉(zhuǎn)入1狀態(tài)，在1狀態(tài)停留一段時(shí)間后又自動(dòng)轉(zhuǎn)入0狀態(tài)，如此反復(fù)，輸出方波。（3）驅(qū)動(dòng)電路在輸出部分采用發(fā)光二極管LED來(lái)作為報(bào)警電路的報(bào)警顯示。而LED的驅(qū)動(dòng)電流不能太小，否則亮度不夠，無(wú)法正確識(shí)別?？稍诜讲òl(fā)生器與負(fù)載LED之間，加入兩個(gè)或非門(mén)并聯(lián)，其作用是起到波形整形和增強(qiáng)負(fù)載LED的驅(qū)動(dòng)電流。
3全電路的仿真與實(shí)現(xiàn)
全電路的原理圖如圖4所示。在觸發(fā)器的前端設(shè)置信號(hào)源電路，其中開(kāi)關(guān)L用于模擬安裝于門(mén)窗間的防盜裝置，當(dāng)發(fā)生盜竊異常狀態(tài)下門(mén)窗被打開(kāi)，用開(kāi)關(guān)L打開(kāi)表示。開(kāi)關(guān)L閉合屬于正常狀態(tài)下：當(dāng)接通電源時(shí)，+5V電源對(duì)電容C1充電，使電阻R2的上端獲得短暫高電平，使或非門(mén)U2輸出低電平，或非門(mén)U1輸出高電平?；蚍情T(mén)U1所輸出的高電平送至或非門(mén)U3的一個(gè)輸入端，使或非門(mén)U3輸出低電平，或非門(mén)U4輸高電平，或非門(mén)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(shí)，或非門(mén)U5和U6輸出低電平，用于模擬報(bào)警的LED燈不亮，表示當(dāng)前為正常狀態(tài)。非正常狀態(tài)下：若有外人從窗戶(hù)入侵，開(kāi)關(guān)L被打開(kāi)，或非門(mén)U1的輸入端獲得高電平，或非門(mén)U1輸出低電平；或非門(mén)U1所輸出的低電平，傳送至或非門(mén)U3的一個(gè)輸入端，相當(dāng)于放開(kāi)對(duì)或非門(mén)U3的控制。或非門(mén)U3和U4、電阻R3和電容C2組成的方波振蕩器開(kāi)始振蕩，或非門(mén)U3輸出高電平，或非門(mén)U4輸出低電平，電容C2放電；又通過(guò)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(fù)，方波發(fā)生器振蕩，輸出方波，LED燈閃爍。4結(jié)束語(yǔ)在數(shù)字電路中，由于邏輯門(mén)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(mén)來(lái)實(shí)現(xiàn)。比如JK觸發(fā)器就可以通過(guò)不同的連接方式實(shí)現(xiàn)D觸發(fā)器、T觸發(fā)器的轉(zhuǎn)換；還有與非門(mén)向非門(mén)、或非門(mén)向非門(mén)的轉(zhuǎn)換等。課內(nèi)可以通過(guò)仿真平臺(tái)完成幾種不同門(mén)電路實(shí)現(xiàn)相同邏輯功能的電路對(duì)比，可以增強(qiáng)學(xué)生對(duì)邏輯電路知識(shí)的掌握，激發(fā)學(xué)生對(duì)數(shù)字電路知識(shí)的學(xué)習(xí)興趣和想象力，并對(duì)電路的設(shè)計(jì)與創(chuàng)新充滿(mǎn)了探索與求知欲。通過(guò)用或非門(mén)來(lái)實(shí)現(xiàn)防盜報(bào)警電路，為組合邏輯電路的設(shè)計(jì)提供一個(gè)方向。學(xué)生只要對(duì)邏輯門(mén)電路本身的運(yùn)算規(guī)則掌握后，就可以通過(guò)簡(jiǎn)單的電路變換，實(shí)現(xiàn)想要的電路效果。這樣的技巧簡(jiǎn)單易懂，又可靈活多變，實(shí)驗(yàn)結(jié)果可借助仿真平臺(tái)或面包板實(shí)現(xiàn)。其次，為了讓學(xué)生對(duì)自己所學(xué)專(zhuān)業(yè)產(chǎn)生學(xué)習(xí)興趣，我們教師可以聯(lián)系生活實(shí)際為學(xué)生舉例，鼓勵(lì)學(xué)生對(duì)電子電路進(jìn)行改進(jìn)和設(shè)計(jì)，提高自身的動(dòng)手能力和創(chuàng)新意識(shí)[3]。最后，教師的引導(dǎo)和鼓勵(lì)，是學(xué)生將知識(shí)轉(zhuǎn)化為實(shí)踐的一種催化劑，從而確保課堂教學(xué)的有效性。
參考文獻(xiàn)
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[3]周立豐.如何提高中職電工電子實(shí)訓(xùn)教學(xué)的有效性[J].科學(xué)咨詢(xún)（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(shù)學(xué)院