扎實的邏輯門知識是編程和電子學的基礎。這在任何項目中都是必需的。真值表是可視化各種邏輯網絡組合結果的好方法。在學校里，真值表被學生徹底研究過，但并不經常被準確地記住。文中設計的裝置可以幫助學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）：只有當所有輸入為“1”時，輸出值為“1”，其他情況為“0”；

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

執行這些操作的數字電路稱為“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 邏輯門是邏輯與運算。它提供兩個或多個邏輯信號的輸入，只有當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

它的操作相當于與門，但輸出是反相的。

邏輯門 NOR

它的操作相當于 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。

邏輯門非

NOT 邏輯門構成反相器并提供邏輯否定運算。它在輸入端接收信號并在輸出端返回其補碼。

真值表

我們正在進行的項目需要在硬件上實現邏輯門的真值表。當輸入變化時打開或關閉某些執行器的可能性對于理解邏輯網絡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字狀態。

圖 2：真值表

接線圖

有很多方法可以實現本文中描述的項目。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進行編程。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”開關輸入有關。整個系統采用 5 V 電壓供電。

圖3：邏輯門系統接線圖

帶有 Great Cow Basic 的固件

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

#chip 16F876， 4：該指令用于設置正確類型的 MCU 和相關時鐘頻率（在此應用中不重要）；

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中執行。建議仔細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 開發環境

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。有必要有深入的知識，特別是關于觸點和繼電器的邏輯使用。圖 5顯示了構成整個程序的一組“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可能性和對系統的完全控制，以及用于調試、更新和修改的簡單環境。

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。它的尺寸為 102 毫米 x 86 毫米。

圖 6：邏輯門系統 PCB

當 PCB 準備好后，您需要在焊盤對應的位置上鉆孔，鉆頭為 1 毫米。然后焊接組件，從低調的開始，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行焊接。

創建圖 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有關的連接。從組件布局中可以看出，LED 二極管已經定位在 PCB 上。這個解決方案確實很方便，但最好創建一個容器來顯示邏輯門的實際設計。在這種情況下，需要將發光元件安裝在上面板，并與板子進行相關布線。

測試

測試非常簡單。邏輯門的 LED 二極管將根據“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。

結論

視覺和圖形演示總是比書面或閱讀的更清晰。這條規則也適用于電子和數學。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。該項目對大學和電子學院的教師和教授都非常有用。

審核編輯：郭婷