基于微控制器使用的可視化邏輯網(wǎng)絡(luò)

扎實的邏輯門知識是編程和電子學的基礎(chǔ)。這在任何項目中都是必需的。真值表是一種可視化邏輯網(wǎng)絡(luò)的各種組合結(jié)果的好方法。本文中設(shè)計的設(shè)備可以幫助以一種簡單的方式更好地可視化真值表。整個項目基于微控制器的使用。

邏輯門

邏輯“ 1”與“ true”和“ high”同義。邏輯“ 0”與“ false”和“ low”同義。在數(shù)字電子學中，有三個基本操作：

NOT（否定）：如果輸入值為“ 0”，則輸出為“ 1”，反之亦然。

AND（邏輯乘積）：僅當所有輸入均為“ 1”時，輸出值為“ 1”，在所有其他情況下，結(jié)果均為“ 0”；

或（邏輯和）：僅當所有輸入的值均為“ 0”時，結(jié)果為“ 0”，在所有其他情況下，結(jié)果為“ 1”。

如圖1所示，執(zhí)行這些操作的數(shù)字電路稱為“邏輯門”。“非”門始終只有一個輸入，而“與”門或“或”門可以有兩個或更多輸入。該項目包括以下邏輯門：

• 或者;
• 和;
• NAND;
• 也不;
• XOR;
• 不是

圖1：邏輯門的符號

邏輯門或

或邏輯門是邏輯分離運算。它提供兩個或多個邏輯信號的輸入，如果至少一個信號等于“ 1”，則返回值“ 1”。如果所有信號均為“ 0”，則輸出等于“ 0”。

AND邏輯門

AND邏輯門是邏輯加法運算。它提供兩個或更多邏輯信號的輸入，并且僅當所有輸入信號均等于“ 1”時才在輸出處返回值“ 1”，否則返回“ 0”。

NAND邏輯門

其操作等效于與門，但輸出反相。

邏輯門NOR

它的操作等效于“或”門，但輸出反相。

邏輯門異或

XOR門提供排他性邏輯運算。僅當輸入之一為“ 1”時，它才返回邏輯值“ 1”。它通常用作比較器。

邏輯門不

非邏輯門構(gòu)成反相器并提供邏輯求反操作。它在其輸入處接收信號，并在其輸出處返回其補碼。

真相表

我們正在執(zhí)行的項目需要在硬件上實現(xiàn)邏輯門的真值表。當輸入變化時，打開或關(guān)閉某些執(zhí)行器的可能性肯定對理解邏輯網(wǎng)絡(luò)的運行有效。真值表（見圖2）以表格形式表示了邏輯門輸入處的值和這些門輸出處的對應(yīng)值的所有可能組合。真值表允許以表格形式表示所有可能的情況。對于理解邏輯電路的數(shù)字狀態(tài)很有用。

圖2：真值表

接線圖

有多種方法可以實現(xiàn)本文中描述的項目。它可以用分立的電子元件制成，并且該解決方案具有教學目的。相反，該項目涉及使用微控制器。使用某些輸入端口和其他輸出端口，可以很容易地對完整的邏輯系統(tǒng)進行編程。整個決策過程由固件負責，固件控制固件的輸入邏輯電平并通過一些LED二極管顯示結(jié)果。接線圖（如圖3所示）提供了PIC 16F876的使用，但是任何其他類型的微控制器都可以成功使用。MCU時鐘是外部時鐘，并且是RC類型。時鐘頻率的確定由以下公式管理：

T = R * C * 2.3

是

F = 1 /（R * C * 2.3）

使用4.7 kOhm電阻器和22 pF電容，微控制器的頻率約為4204861 Herz（4.2 Mhz）。按鈕A和B構(gòu)成邏輯門的兩個輸入。按下它們中的每一個，可將Micro的C0或C1端口置于高電平。否則，由于存在10 kOhm下拉電阻，它們的邏輯電位較低。六個LED二極管前接相同數(shù)量的220 Ohm限制電阻，它們代表邏輯門OR，AND，NAND，NOR，XOR和NOT的輸出。非門僅與“ A”開關(guān)輸入有關(guān)。整個系統(tǒng)由5 V電壓供電。

圖3：邏輯門系統(tǒng)的接線圖

Great Cow Basic固件

固件列表是使用免費軟件Grat Cow Basic編譯器制成的，您可以在本文中找到它（請參見圖4）。這很簡單。讓我們詳細解釋控件執(zhí)行的區(qū)別操作。

#chip 16F876，4：該指令用于設(shè)置正確的MCU類型和相對時鐘頻率（在此應(yīng)用中不重要）；

y = z：這些命令使PIC的端口可以作為輸入或輸出工作；

如果portc.0 = 1或portc.1 = 1，則：這是一個條件檢查，檢查“或”門和“或非”門；

如果portc.0 = 1 AND portc.1 = 1，則：這是一個條件檢查，檢查AND門和NAND門；

如果（portc.0 = 0且portc.1 = 0）或（portc.0 = 1且portc.1 = 1），則：是檢查XOR端口的條件檢查；

如果portc.0 = 0，則：是檢查NOT端口的條件檢查。

所有檢查均在無限循環(huán)內(nèi)執(zhí)行。建議仔細研究程序清單，并在編碼中尋找替代方案。

圖4：用于編程PIC微控制器的Great Cow Basic開發(fā)環(huán)境

帶梯形語言的固件

可以使用梯形圖語言實現(xiàn)相同的程序。必須具有深入的知識，尤其是關(guān)于觸點和繼電器的邏輯使用的知識。圖5顯示了組成整個程序的一組“梯級”。這種圖形編碼似乎比過程編碼更簡單，但是我們將看到，使用Basic語言編寫的圖形編碼提供了更多的開發(fā)可能性和對系統(tǒng)的完全控制，以及一個簡單的調(diào)試，更新和修改環(huán)境。

圖5：用梯形語言編寫的相同固件

制作PCB

要制造用于邏輯門的電路板，必須創(chuàng)建印刷電路，其走線如圖6所示。這非常簡單，但是由于存在微控制器印記，因此建議使用照相雕刻技術(shù)。它的尺寸為102mm x 86mm。

圖6：邏輯門系統(tǒng)PCB

當PCB準備就緒時，您需要在與焊盤相對應(yīng)的位置鉆一個1毫米的孔。然后，您從低輪廓的零件開始焊接，然后再從體積較大的零件開始進行焊接（請參見圖7）。我們建議為微控制器采用PCB插座。注意極化組件的方向。焊接時必須使用功率約為30 W，尖端較窄的小型烙鐵。

圖7：組件布局

在圖8中創(chuàng)建電路非常容易，并且每個人都可以觸及。

圖8：完整電路的3D渲染

材料清單

電子組件易于查找，并在以下BOM中列出：

• 1個電容22 pF;
• 6個LED;
• 6個電阻220歐姆;
• 2個電阻10 kOhm;
• 1個電阻4.7 kOhm;
• 2個開關(guān)或按鈕；
• 1張圖16f876。

容器

唯一要進行的連接是與電路和兩個開關(guān)的電源有關(guān)的連接。從組件布局可以看出，LED二極管已經(jīng)放置在PCB上。此解決方案確實很方便，但是最好創(chuàng)建一個容器來顯示邏輯門的實際設(shè)計，例如圖9所示。在這種情況下，必須將發(fā)光組件安裝在上面板上，并與基板進行相對布線。

圖9：建議使用邏輯門的設(shè)計創(chuàng)建一個容器

測驗

測試非常簡單。邏輯門的LED二極管將根據(jù)兩個按鍵“ A”和“ B”的壓力向電路及時供電，從而點亮。如您所見，此版本的電路為邏輯門提供了兩個輸入。

結(jié)論

視覺和圖形演示總是比書面或閱讀的清晰。此規(guī)則也適用于電子和數(shù)學。用肉眼看邏輯門的操作要容易得多，以便了解它們的工作原理。該項目對大學和電子學院的教師和教授都非常有用。

編輯：hfy