或非门下的防盗报警实验电路设计

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摘要：为增强学生在数字电路学习中对逻辑门的掌握和应用，根据门电路的多样性、灵活性，采用不同的逻辑门电路可实现相同逻辑功能的特点，模拟防盗报警电路中指示灯闪烁现象，设计了一款基于或非门实现的防盗报警电路。通过设计分析，帮助学生将知识联系实际生活，激发学生在组合逻辑电路设计中的想象力和创造力，也为后续课程的学习打下良好的基础。

关键词：或非门；触发器；方波发生器；防盗报警

引言

在数字电子技术课程的学习中，组合逻辑电路的分析与设计是必须掌握的基本技能。一般情况下，只要根据设计要求，先确定输入与输出变量，再列真值表，由真值表列逻辑表达式，最后将逻辑表达式化简为最简表达式，即可完成组合逻辑电路设计。在平时的学习过程中，学生按照上述设计步骤，基本上都能够顺利完成组合逻辑电路的设计。还有一种常见的附加设计要求就是需要用与非门来实现，为此，将最简表达式取两次非，加一步摩根公式的转换即可实现。使用与非门实现的典型教学例有：数值比较器、判奇（含1的个数）电路等[1-2]。但这些教学例，由于没有应用场景，实验显得抽象和枯燥，无法调动学生的学习兴趣，教学效果欠佳。

1设计思路

防盗报警电路可以给人以视觉和听觉上的满足，它的应用也非常的普遍，学生对防盗报警电路非常感兴趣。而现有的防盗报警电路都是基于单片机的控制系统来设计的，作为电子信息专业刚入门的学生来说，还不具备单片机知识。为了增强对数字电路中逻辑电路的学习和应用，根据报警电路在报警时灯光闪烁的模拟，利用或非门设计一款防盗报警电路。从现象出发：终端设备指示灯的闪烁表示报警发生，采用一个LED灯实现。灯的闪烁可以设计为方波的接入，若方波接入LED的阳极，则高电平时灯亮，低电平时灯灭；若方波接入LED的阴极，则低电平时灯亮，高电平时灯灭。从报警原因出发：当发生入户盗窃等异常情况时，电路被触发，驱动方波发生器输出方波信号，LED灯闪烁；反之，方波发生器不工作，LED灯灭。方波发生器的驱动电路，可以有很多，比如可以使用可控硅、三极管开关电路。但围绕着数字电路的或非门展开，本电路设计可以在方波发生器前面设置一个双稳态触发器，输出两个稳定状态0和1。其中一个状态，即非法入侵报警状态令方波发生器开始工作，输出方波；否则方波发生器不工作，输出保持不变。根据设计思路，将电路的组成部分分为三部分，系统框图如图1所示。

2电路工作原理

（1）双稳态触发器触发器是打开报警电路的关键电路。常用的触发器电路是由两个或非门交叉组合构成。根据或非门的工作原理，设计如图2所示，由或非门U1和U2组成一个高电平触发的双稳态触发器。只有输入信号有效时，输出状态才发生转换。以U1输入端R为例，当R=1时，根据或门有1出1的规则，然后再取非，得到输出Q为0。（2）方波发生器常见的方波产生电路采用由555定时器构成的多谐振荡电路实现，它一般是为时序逻辑电路提供CP信号的。这里我们参考反相器构成的环形振荡器，用或非门实现，如图3所示，当前端送来的控制电压Vc为高电平时，或非门U3输出低电平，或非门U4输出高电平，U3和U4组成的方波发生器停止振荡；反之，当控制电压Vc为低电平时，其放开对方波发生器的控制，U3和U4组成的方波发生器开始振荡，它在0状态停留一段时间后将自动转入1状态，在1状态停留一段时间后又自动转入0状态，如此反复，输出方波。（3）驱动电路在输出部分采用发光二极管LED来作为报警电路的报警显示。而LED的驱动电流不能太小，否则亮度不够，无法正确识别。可在方波发生器与负载LED之间，加入两个或非门并联，其作用是起到波形整形和增强负载LED的驱动电流。

3全电路的仿真与实现

全电路的原理图如图4所示。在触发器的前端设置信号源电路，其中开关L用于模拟安装于门窗间的防盗装置，当发生盗窃异常状态下门窗被打开，用开关L打开表示。开关L闭合属于正常状态下：当接通电源时，+5V电源对电容C1充电，使电阻R2的上端获得短暂高电平，使或非门U2输出低电平，或非门U1输出高电平。或非门U1所输出的高电平送至或非门U3的一个输入端，使或非门U3输出低电平，或非门U4输高电平，或非门U3和U4组成的方波发生器停止振荡。方波发生器停止振荡时，或非门U5和U6输出低电平，用于模拟报警的LED灯不亮，表示当前为正常状态。非正常状态下：若有外人从窗户入侵，开关L被打开，或非门U1的输入端获得高电平，或非门U1输出低电平；或非门U1所输出的低电平，传送至或非门U3的一个输入端，相当于放开对或非门U3的控制。或非门U3和U4、电阻R3和电容C2组成的方波振荡器开始振荡，或非门U3输出高电平，或非门U4输出低电平，电容C2放电；又通过R3反馈高电平至U3，随后U3输出低电平，U4输出高电平，电容C2充电。如此反复，方波发生器振荡，输出方波，LED灯闪烁。4结束语在数字电路中，由于逻辑门电路的状态只有两种，所以相同的逻辑功能可以用不同的逻辑门来实现。比如JK触发器就可以通过不同的连接方式实现D触发器、T触发器的转换；还有与非门向非门、或非门向非门的转换等。课内可以通过仿真平台完成几种不同门电路实现相同逻辑功能的电路对比，可以增强学生对逻辑电路知识的掌握，激发学生对数字电路知识的学习兴趣和想象力，并对电路的设计与创新充满了探索与求知欲。通过用或非门来实现防盗报警电路，为组合逻辑电路的设计提供一个方向。学生只要对逻辑门电路本身的运算规则掌握后，就可以通过简单的电路变换，实现想要的电路效果。这样的技巧简单易懂，又可灵活多变，实验结果可借助仿真平台或面包板实现。其次，为了让学生对自己所学专业产生学习兴趣，我们教师可以联系生活实际为学生举例，鼓励学生对电子电路进行改进和设计，提高自身的动手能力和创新意识[3]。最后，教师的引导和鼓励，是学生将知识转化为实践的一种催化剂，从而确保课堂教学的有效性。

参考文献

[1]王毓银.数字电路逻辑设计（第三版）学习指导书[M].高等教育出版社,2018.

[2]孙津平.数字电子技术[M].西安电子科技大学出版社,2017.

[3]周立丰.如何提高中职电工电子实训教学的有效性[J].科学咨询（科技.管理），2020(02):127-128.

作者：幸敏 陆世鹏 单位：广西水利电力职业技术学院