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。

u＜5.5V＜时，为正常范围。

否，下限为U=4.5V，当4.5V1. 电压上限为U=5.5V IHL uu＜4.5V都为不正常，此时发出报警信号。

＞5.5V或则II u在正常范围内。

绿灯亮，不发出报警声响。

电
压2. I u低于下限时，黄灯亮，同时连续发出报警声响。

电压 3. I u高于上限时，红灯闪烁，同时发出断续的报警声响。

电压 4. I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uu时，输
出为低电平，而当＞U＞U器。

窗口比较器的传输特性如图5-1所示。

当IHIL u＜U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。

＞U或如LHI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大器组成窗口比较器。

u＜U时，处于正常状态，A、B两点均为低电平，二极管不导通，再U（1）当＜HLI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555R（4脚），555定时器的异步置零端振荡器停振，不发出报警信号。

D1
u点为低电平，所以或非门输出为低电平，点为高电平，AB时，图中U）当（2＞HI点为高电平，
故第一个振荡器产生频率较低的方波信号。

C绿灯灭。

而异或门的输出端2
R（4脚），从而发出断续的报警声音信号。

同时，C点信号此信号送至第二片555的D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。

u＜U时，A点为低电平，B（3）当点为高电平，黄灯亮。

而异或门的输出C点为LI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：
1?f 10.7(R?2R)C112若第一片振荡器的振荡频率f=6Hz，取C=10μf，R=1K Ω，则由上式计算出R≈11.4 K2111Ω，取R=10 KΩ。

2u o加到第二片555的异步置零端（4脚），当该信号为低电第一片555的输出电压1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u o，产生断续报警信号，其波形如图5-4压为所示。

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图5-4 断续声音报警波形图
第二片555振荡器的C=0.2μf，R′=0.5KΩ，R′=8KΩ，根据式221′′1?f，可计算出其振荡频率f为：120.7(R?2R)C1211?0.433KHzf?2
??C)70.(R?2R212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。

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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、3…9。

其中有四个D触发器，由两片CMOS双D触发器CC4013组成。

R全部连接在一起，经电阻R接地，并通过电容C接到四个DV触发器的复位端。

DD00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D端通过R接V，即D始终为高电平。

它的输出端Q接触发器2的1DD191D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，2D=Q。

四个触发
器的时钟脉冲输入端CP、CP、CP、CP分别接1、4、7、9号触摸nn4321+1探头，形成了1479四位编码。

由于四个CP端各有一个6.8MΩ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，CP将出现上升沿，使触发器1的Q端变为“1”1状态，即D=Q=1。

然后，若人的手指依次触及4、7、9号触摸探头，将会使D=Q=1，2231D=Q=1和Q=1，Q作为输出端接到三极管驱动器。

当Q=1时，继电器电磁线圈的电44443源被接通，吸动门栓，锁被打开（指示灯亮）。

当Q=0时，锁处于“锁住”状态，门不4能打开（指示灯不亮）。

R端。

D这个或门有三触发器的图6-1中的或门4的输出端通过一个二极管接到四个个输入端，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D和C、R813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4
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Q由低变高后，锁被打开（指4Q 由高变低的信号经过反相器1和电阻R、电容示灯亮）。

同时，C构成的延迟电路，154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R接Vcc，另一端（即b点）经D和C、R构成的微分电路，接到或门4的输入端。

72216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。

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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T、T、T和T是串联在一起的，构成三极管与门。

只有当T、T、T和T同时导通41142233时，三极管T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，5使T导通，同时电容C 充电。

当手离开3号探头后，C1开始放电，在一定时间内T仍111然导通。

在此时间内用手触摸5号探头，T导通，同时C开始充电。

而后再用手触摸622号和8号探头，T和T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43密码操作，T、T、T和T才能同时导通。

如果超过规定的时间，电容放电达到一定的4132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j与a接通，使继电器自锁。

同12时接点j
与b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11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V就会通过R使晶闸管3CT导通。

当晶9CC闸管导通时，图中C 点为高电位，由集成电路555及电阻R、R、电容C、C构成的510411信号发生器产生振荡，它输出的方波经三极管T放大后启动喇叭，发出声响。

6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T、T、T、T的β值和晶闸管4132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。

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7-1 图密码报警电子锁参考电路图
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附录：课程设计常用集成电路芯片引脚图
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11。