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1、五 电压超限指示和报警电路的设计一、目的通过电压超限指示和报警电路的设计与实验，熟悉窗口比较器和555电路的应用。二、要求设计一个电压过限指示和报警电路。1. 电压上限为UH=5.5V，下限为UL=4.5V，当4.5VuI5.5V时，为正常范围。否则uI5.5V或uI4.5V都为不正常，此时发出报警信号。2. 电压uI在正常范围内。绿灯亮，不发出报警声响。3. 电压uI低于下限时，黄灯亮，同时连续发出报警声响。4. 电压uI高于上限时，红灯闪烁，同时发出断续的报警声响。三、设计方案提示根据题目要求，若需要鉴别一个电压是否属于正常或不正常范围，可以利用窗口比较器。窗口比较器的传输特性如图5-1所
2、示。当UHuIUL时，输出为低电平，而当uIUH或uIUL时输出为高电平，利用这一特性，就可以鉴别电压是否处于正常范围。如果是其他物理量（如温度）也可以通过传感器将其转换为电压量来实现报警。图5-1 窗口比较器的传输特性 图5-2 电压超限指示和报警电路框图声音报警可利用555定时器构成的多谐振荡器来实现，断续声音可以由一个频率较低的振荡器去控制一个频率较高的振荡器来实现。图5-2为这种电路的框图。图5-3是一个电压超限指示和报警电路的参考电路。四、参考电路简要说明1. 窗口比较器在参考电路中窗口比较器由两个运算放大器、两个二极管和电阻组成，LM324内包含四个运算放大器，使用其中的两个运算放
3、大器组成窗口比较器。（1）当ULuIUH时，处于正常状态，A、B两点均为低电平，二极管不导通，再经或非门输出，绿色指示灯亮。此时异或门输出端C点为低电平，此电压送到第一片555定时器的异步置零端（4脚），555振荡器停振，不发出报警信号。（2）当uIUH时，图中A点为高电平，B点为低电平，所以或非门输出为低电平，绿灯灭。而异或门的输出端C点为高电平，故第一个振荡器产生频率较低的方波信号。此信号送至第二片555的（4脚），从而发出断续的报警声音信号。同时，C点信号与第一片555的输出信号相与，使得红灯闪烁，其闪烁频率同第一片555的振荡频率相同，达到了声、光同时报警的目的。（3）当uIUL时，A
4、点为低电平，B点为高电平，黄灯亮。而异或门的输出C点为高电平，第一片555振荡器起振，其输出与B点信号相或，输出始终为高电平，使第二片振荡器发出连续的报警声响。2. 555定时器构成的多谐振荡器的设计在参考电路图中，当第一片555振荡器的4脚为高电平振荡器起振，其振荡频率为：若第一片振荡器的振荡频率f1=6Hz，取C1=10f，R1=1K，则由上式计算出R211.4 K，取R2=10 K。第一片555的输出电压uo1加到第二片555的异步置零端（4脚），当该信号为低电平时，第二片555振荡器停振；而此信号为高电平时，第二片555振荡器起振，输出电压为uo2，产生断续报警信号，其波形如图5-4所
5、示。图5-4 断续声音报警波形图第二片555振荡器的C2=0.2f，R1=0.5K，R2=8K， 根据式，可计算出其振荡频率f2为：实验中，集成运算放大器使用12V电源，所有的门电路和定时器（555或556）都使用CMOS器件。若使用TTL器件（Vcc=+5V）要进行电平转换和匹配，或集成运算放大器的输出加稳压管限幅电路。六、编码电子锁的设计一、目的通过触摸式编码电子锁的设计与实验，熟悉触发器及门电路的应用。二、要求设计一个触摸式编码电子锁电路。编码电子锁不需要钥匙，只要记住一组十进制数字（即所谓的码，一般为四位，如1479），顺着数字的先后从高位数到低位数，用手指逐个触及相应的触摸按钮，锁便
6、自动打开（发光二极管被点亮）。若操作顺序不对，锁就不能打开。三、参考电路简要说明图6-1是一个用集成电路组装的触摸式编码电子锁的电路图。图中有十个触摸探头，分别为0、1、2、39。其中有四个D触发器，由两片CMOS双D触发器CC4013组成。四个D触发器的复位端全部连接在一起，经电阻R0接地，并通过电容C0接到VDD。由于电容两端的电压不能突变，因此在接通电源瞬间，R端为高电平，使四个D触发器自动清零（Q=0）。触发器1的D1端通过R9接VDD，即D1始终为高电平。它的输出端Q1接触发器2的D2端，依次类推。即后一个触发器D端的状态与前一个触发器输出端Q端的状态相同，Dn+1=Qn。四个触发器
7、的时钟脉冲输入端CP1、CP2、CP3、CP4分别接1、4、7、9号触摸探头，形成了1479四位编码。由于四个CP端各有一个6.8M的电阻接地，因此，在人的手指没有触及1、4、7、9号触摸探头时，四个CP端均为低电平。当人的手指触及1号触摸探头时，由于手指的导电作用，CP1将出现上升沿，使触发器1的Q端变为“1”状态，即D2=Q1=1。然后，若人的手指依次触及4、7、9号触摸探头，将会使D3=Q2=1，D4=Q3=1和Q4=1，Q4作为输出端接到三极管驱动器。当Q4=1时，继电器电磁线圈的电源被接通，吸动门栓，锁被打开（指示灯亮）。当Q4=0时，锁处于“锁住”状态，门不能打开（指示灯不亮）。图
8、6-1中的或门4的输出端通过一个二极管接到四个D触发器的端。这个或门有三个输入端，其作用如下：1. 当人的手指触及0号触摸探头时，a点的电位由低变高，此信号经过D1和C3、R8组成的微分电路，再经过或门4，使所有的D触发器清零。此外当a点为高电平时，以CMOS与非门5和反相器6为主构成的信号发生器产生约500Hz的方波，经过三极管放大后驱动蜂鸣器发出声响。当人的手指离开0号触摸探头时，a点变为低电平，信号发生器停止振荡，声响停止。0号触摸探头相当于门铃按钮和清零按钮。2. 当人的手指按编码顺序依次触及相应的触摸探头，使Q4由低变高后，锁被打开（指示灯亮）。同时，由高变低的信号经过反相器1和电阻
9、R5、电容C1构成的延迟电路，再经过反相器2和3送到或门4的输入端。所以，锁被打开后经过一段延迟时间，或门4的输出将由低变高，使四个触发器全部为0状态。非编码的触摸探头（参考电路中的2、3、5、6、8号）相互并联，一端经过电阻R15和R16接Vcc，另一端（即b点）经D2和C2、R7构成的微分电路，接到或门4的输入端。若有不知道编码的人随意触及触摸探头，只要触及任意一个非编码探头，b点的电位将由低变高，或门4的输出将使四个D触发器清零，锁不会被打开。七 密码报警电子锁的设计一、目的通过密码报警电子锁的设计与实验，熟悉三极管及门电路的应用。二、要求设计一个密码报警电子锁电路。密码报警电子锁具有防
10、盗报警能力，如果用手触及触摸探头的顺序与密码不符，锁不能打开，报警器就会发出报警声响。三、参考电路简要说明图7-1是一个密码报警电子锁的参考电路，图中电路的编码为3568。电路中三极管T1、T2、T3和T4是串联在一起的，构成三极管与门。只有当T1、T2、T3和T4同时导通时，三极管T5才会导通。要想使这四个三极管同时导通，应首先用手触及3号触摸探头，使T1导通，同时电容C1充电。当手离开3号探头后，C1开始放电，在一定时间内T1仍然导通。在此时间内用手触摸5号探头，T2导通，同时C2开始充电。而后再用手触摸6号和8号探头，T3和T4依次导通。由此可见，开锁的人应该在规定的时间内按顺序完成密码
11、操作，T1、T2、T3和T4才能同时导通。如果超过规定的时间，电容放电达到一定的程度，三极管就会截止，而四个三极管不能同时导通。这样可防止不知编码的人，使用慢慢试的方法将锁打开。当三极管T5饱和导通时，继电器J动作，它的接点j2与a1接通，使继电器自锁。同时接点j1与b1接通，使门锁的电磁线圈L通电，磁力吸动锁栓，密码锁被打开（实验电路中我们使用一个发光二极管及一个限流电阻来代替门锁的电磁线圈L，发光二极管被点亮时，表明密码锁被打开）。如果没有按照规定的编码进行操作，那么当人的手指触及任何一个非编码探头（即电路图中的0、1、2、4、7和9号探头），电源VCC就会通过R9使晶闸管3CT导通。当晶
12、闸管导通时，图中C点为高电位，由集成电路555及电阻R10、R11、电容C4、C5构成的信号发生器产生振荡，它输出的方波经三极管T6放大后启动喇叭，发出声响。锁被打开后，只要按一下复位按钮N，电路就会恢复到初始状态。在参考电路中，因分立元件较多，因此，对三极管T1、T2、T3、T4的值和晶闸管的触发灵敏度要求较高。否则，当人的手指较干燥时，手触及触摸探头可能不起作用。要解决这个问题，可以使用CMOS集成电路代替这些分立元件。图7-1 密码报警电子锁参考电路图附录：课程设计常用集成电路芯片引脚图单纯的课本内容，并不能满足学生的需要，通过补充，达到内容的完善 教育之通病是教用脑的人不用手，不教用手的人用脑，所以一无所能。教育革命的对策是手脑联盟，结果是手与脑的力量都可以大到不可思议。
