帶微控制器的邏輯門

扎實的邏輯門知識是編程和電子學(xué)的基礎(chǔ)。這在任何項目中都是必需的。真值表是可視化各種邏輯網(wǎng)絡(luò)組合結(jié)果的好方法。在學(xué)校里，真值表被學(xué)生徹底研究過，但并不經(jīng)常被準(zhǔn)確地記住。文中設(shè)計的裝置可以幫助學(xué)生以簡單的方式更好地可視化真值表。整個項目基于使用微控制器。

邏輯門

邏輯“1”是“真”和“高”的同義詞。邏輯“0”是“假”和“低”的同義詞。在數(shù)字電子學(xué)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）：只有當(dāng)所有輸入為“1”時，輸出值為“1”，其他情況為“0”；

OR（邏輯和）：僅當(dāng)所有輸入的值都為“0”時，結(jié)果為“0”，在所有其他情況下，結(jié)果為“1”。

執(zhí)行這些操作的數(shù)字電路稱為“邏輯門”，如圖 1所示。NOT 門總是只有一個輸入，而 AND 和 OR 門可以有兩個或多個輸入。該項目包括以下邏輯門：

或者;

和;

與非；

也不;

異或；

不是

圖 1：邏輯門的符號

邏輯門 OR

OR 邏輯門是一種邏輯分離操作。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”。

與邏輯門

AND 邏輯門是邏輯與運(yùn)算。它提供兩個或多個邏輯信號的輸入，只有當(dāng)所有輸入信號都等于“1”時，才在輸出端返回值“1”，否則返回“0”。

與非邏輯門

它的操作相當(dāng)于與門，但輸出是反相的。

邏輯門 NOR

它的操作相當(dāng)于 OR 門，但輸出是反相的。

邏輯門 XOR

異或門提供了異或邏輯運(yùn)算。僅當(dāng)輸入之一為“1”時，它才返回邏輯值“1”。它通常用作比較器。

邏輯門非

NOT 邏輯門構(gòu)成反相器并提供邏輯否定運(yùn)算。它在輸入端接收信號并在輸出端返回其補(bǔ)碼。

真值表

我們正在進(jìn)行的項目需要在硬件上實現(xiàn)邏輯門的真值表。當(dāng)輸入變化時打開或關(guān)閉某些執(zhí)行器的可能性對于理解邏輯網(wǎng)絡(luò)的操作肯定是有效的。真值表（見圖2）是邏輯門輸入處的值和這些門輸出處的相應(yīng)值的所有可能組合的表格表示。真值表允許以表格的方式表示所有可能的情況。它有助于理解邏輯電路的數(shù)字狀態(tài)。

圖 2：真值表

接線圖

有很多方法可以實現(xiàn)本文中描述的項目。它可以用分立的電子元件制成，這個解決方案將具有教學(xué)目的。相反，該項目涉及使用微控制器。使用一些輸入端口和其他輸出端口，可以很容易地對一個完整的邏輯系統(tǒng)進(jìn)行編程。整個決策過程委托給固件，固件控制輸入的邏輯電平并通過一些 LED 二極管顯示結(jié)果。圖 3所示的接線圖提供了 PIC 16F876 的使用，但任何其他類型的微控制器都可以成功使用。MCU 時鐘為外部時鐘，為 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 電阻和 22 pF 電容，微型的頻率約為 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都會將 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 二極管前面有相同數(shù)量的 220 歐姆限流電阻，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)采用 5 V 電壓供電。

圖3：邏輯門系統(tǒng)接線圖

帶有 Great Cow Basic 的固件

固件清單是使用免費(fèi)軟件 Grat Cow Basic 編譯器制作的，您會發(fā)現(xiàn)它附在本文后面（參見圖 4）。這很簡單。讓我們詳細(xì)解釋控件執(zhí)行的不同操作。

#chip 16F876， 4：該指令用于設(shè)置正確類型的 MCU 和相關(guān)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；

if portc.0 = 1 OR portc.1 = 1 then ： 這是檢查 OR 門和 NOR 門的條件檢查；

if portc.0 = 1 AND portc.1 = 1 then ： 這是檢查 AND 門和 NAND 門的條件檢查；

if （portc.0 = 0 and portc.1 = 0） or （portc.0 = 1 and portc.1 = 1） then ： 這是檢查 XOR 端口的條件檢查；

if portc.0 = 0 then ： 是檢查 NOT 端口的條件檢查。

所有檢查都在無限循環(huán)中執(zhí)行。建議仔細(xì)研究程序列表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

帶有梯形圖語言的固件

相同的程序可以用梯形圖語言實現(xiàn)。有必要有深入的知識，特別是關(guān)于觸點和繼電器的邏輯使用。圖 5顯示了構(gòu)成整個程序的一組“梯級”。這種類型的圖形編碼可能看起來比程序編碼更簡單，但我們將看到 Basic 語言提供了更多的開發(fā)可能性和對系統(tǒng)的完全控制，以及用于調(diào)試、更新和修改的簡單環(huán)境。

圖 5：用梯形圖語言編寫的相同固件

制作PCB

要為邏輯門制作電路板，您必須創(chuàng)建印刷電路，其跡線如圖6所示。這很簡單，但由于存在微控制器印記，建議使用光刻技術(shù)。它的尺寸為 102 毫米 x 86 毫米。

圖 6：邏輯門系統(tǒng) PCB

當(dāng) PCB 準(zhǔn)備好后，您需要在焊盤對應(yīng)的位置上鉆孔，鉆頭為 1 毫米。然后焊接組件，從低調(diào)的開始，然后再焊接更大的組件。我們建議為微控制器采用 PCB 插座。注意極化組件的方向。必須使用功率約為 30 W 且尖端較窄的小型烙鐵進(jìn)行焊接。

創(chuàng)建圖 8 中的電路非常容易，而且每個人都可以做到。

圖 8：完整電路的 3D 渲染

材料清單

電子元件很容易找到，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 電阻 10 kOhm;

1 個電阻 4.7 kOhm；

2個開關(guān)或按鈕；

1 圖片 16f876。

容器

唯一要做的連接是與電路電源和兩個開關(guān)有關(guān)的連接。從組件布局中可以看出，LED 二極管已經(jīng)定位在 PCB 上。這個解決方案確實很方便，但最好創(chuàng)建一個容器來顯示邏輯門的實際設(shè)計。在這種情況下，需要將發(fā)光元件安裝在上面板，并與板子進(jìn)行相關(guān)布線。

測試

測試非常簡單。邏輯門的 LED 二極管將根據(jù)“A”和“B”兩個鍵的壓力通過微弱地向電路供電來點亮。如您所見，此版本的電路提供了帶有兩個輸入的邏輯門。

結(jié)論

視覺和圖形演示總是比書面或閱讀的更清晰。這條規(guī)則也適用于電子和數(shù)學(xué)。親眼看到邏輯門的操作要容易得多，從而了解它們是如何工作的。該項目對大學(xué)和電子學(xué)院的教師和教授都非常有用。

審核編輯：郭婷