數(shù)電四層電梯控制電路的設(shè)計(jì)Proteus仿真與制作調(diào)試

初始條件：數(shù)電和模電知識(shí)，中、小規(guī)模數(shù)字集成觸發(fā)器、優(yōu)先編碼器、定時(shí)計(jì)數(shù)器、數(shù)碼管、led、按鍵開關(guān)等器件。

③ 電梯內(nèi)設(shè)置可選擇所去樓層的開關(guān)及樓層顯示，電梯外設(shè)有表示電梯目前所處運(yùn)動(dòng)狀態(tài)

（上升或下降）以及電梯位于哪一層樓的指示裝置。

④ 電梯內(nèi)設(shè)置開門、關(guān)門按鍵開關(guān)，設(shè)置一指示燈模擬開門狀態(tài)。在收到停靠信號(hào)后，開門指示燈亮，時(shí)鐘信號(hào)中止，同時(shí)輸出清除信號(hào)清除本層的該次請(qǐng)求信號(hào)。開門時(shí)間持續(xù)5秒后，開門指示燈滅，時(shí)鐘信號(hào)恢復(fù)出現(xiàn)，電梯繼續(xù)運(yùn)行。若在開門時(shí)間內(nèi)要求提前關(guān)門運(yùn)行，可按動(dòng)關(guān)門開關(guān)，開門指示燈滅并繼續(xù)運(yùn)行。若在5秒內(nèi)，希望延長(zhǎng)開門時(shí)間，可按動(dòng)開門按鈕，開門狀態(tài)將再延長(zhǎng)5秒，此功能可多次使用，直到認(rèn)為允許關(guān)門為止。

⑤ 確定設(shè)計(jì)方案，按功能模塊的劃分選擇元、器件和中小規(guī)模集成電路，進(jìn)行各功能模塊電路及總體電路的設(shè)計(jì)，畫出相應(yīng)電路原理圖并分析論述工作原理及參數(shù)設(shè)計(jì)。

是根據(jù)邏輯控制電路完成四層電梯升降控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。電梯運(yùn)行規(guī)則：上升時(shí)，僅響應(yīng)電梯所在位置以上的上樓請(qǐng)求信號(hào)，依樓層次序逐個(gè)執(zhí)行，直到最后一個(gè)請(qǐng)求執(zhí)行完畢。然后運(yùn)行到有下樓請(qǐng)求的最高樓層，開始下樓請(qǐng)求信號(hào)。下降時(shí)，僅響應(yīng)電梯所在位置以下的下樓請(qǐng)求信號(hào)，依樓層次序逐個(gè)執(zhí)行，直到最后一個(gè)請(qǐng)求執(zhí)行完畢。然后運(yùn)行到有上樓請(qǐng)求的最低樓層，開始上樓請(qǐng)求信號(hào)。一旦電梯執(zhí)行完全部請(qǐng)求信號(hào)后，應(yīng)停留在原來層等待，有新的請(qǐng)求信號(hào)時(shí)再運(yùn)行。脈沖信號(hào)由555定時(shí)器構(gòu)成多諧振蕩器產(chǎn)生。

方案選擇

方案一：

使用中、小規(guī)模數(shù)字集成芯片設(shè)計(jì)電路，用觸發(fā)器驅(qū)動(dòng)開關(guān)，有消抖功能，并可以對(duì)開關(guān)的信號(hào)產(chǎn)生記憶；用編碼器、顯示譯碼器和數(shù)碼管是時(shí)顯示電梯所在位置；按鍵開關(guān)控制電梯各項(xiàng)功能；555產(chǎn)生時(shí)序脈沖信號(hào)；計(jì)數(shù)器實(shí)現(xiàn)定時(shí)功能。

此方案實(shí)施起來邏輯原理清晰，思路明確，但實(shí)驗(yàn)中使用邏輯芯片較多，增加了電路的調(diào)試難度。

方案二：

   使用單片機(jī)進(jìn)行控制，此方案僅需外接開關(guān)、數(shù)碼管、蜂鳴器、LED等外圍元件。使電路焊接相當(dāng)簡(jiǎn)單，容易調(diào)試。但對(duì)軟件編程要求較細(xì)，當(dāng)電路功能增加后，會(huì)對(duì)電路的軟件調(diào)試帶來困難。

方案三：

   采用單片機(jī)系統(tǒng)與適當(dāng)邏輯芯片相結(jié)合的方法設(shè)計(jì)電路。系統(tǒng)中對(duì)開關(guān)信號(hào)的記憶使用觸發(fā)器搭建，脈沖可用555電路也可以直接用單片機(jī)產(chǎn)生，數(shù)碼管顯示也可以使用單片機(jī)或者譯碼器，本系統(tǒng)使用譯碼器，有更多的IO口可用來對(duì)電梯功能進(jìn)行控制。

由于單片機(jī)有關(guān)知識(shí)掌握得不是很多，所以綜合考慮，決定采用方案一。

3.設(shè)計(jì)目的及意義

本設(shè)計(jì)是利用已學(xué)過的數(shù)電知識(shí)，設(shè)計(jì)四層電梯控制系統(tǒng)。

3.1目的

（1）重溫自己學(xué)過的數(shù)電知識(shí)；

（2）掌握數(shù)字集成電路的設(shè)計(jì)方法和原理；

（3）熟悉555方波振蕩器的應(yīng)用，D觸發(fā)器，編碼器，比較器，計(jì)數(shù)器，譯碼器的應(yīng)用和顯示電路的整體配合；

（4）通過完成該設(shè)計(jì)掌握實(shí)際問題的邏輯分析，學(xué)會(huì)對(duì)實(shí)際問題進(jìn)行邏輯狀態(tài)分配，化簡(jiǎn)；

（5）掌握數(shù)字電路各部分電路與總體電路的設(shè)計(jì)，調(diào)試，模擬仿真方法。

3.2意義

通過本次的數(shù)電設(shè)計(jì)，使自己能清楚了解設(shè)計(jì)的過程和意義，檢驗(yàn)自己學(xué)過的知識(shí)，掌握各種芯片的功能和使用方法，提高自己利用所學(xué)知識(shí)和網(wǎng)絡(luò)資源的能力。

4.整體設(shè)計(jì)

4.1設(shè)計(jì)目標(biāo)

（1）系統(tǒng)控制的電梯往返于1至4層樓。

（2）乘客要去的樓層可以手動(dòng)輸入并顯示（所在樓層的二極管亮）。

（3）電梯運(yùn)行的樓層可以自動(dòng)顯示。

（4）當(dāng)A>B時(shí)，系統(tǒng)能輸出使電梯正向運(yùn)行的時(shí)序信號(hào)，使電梯上升；

    當(dāng)A<B時(shí)，系統(tǒng)能輸出使電梯正向運(yùn)行的時(shí)序信號(hào)，使電梯下降；

    當(dāng)A=B時(shí)，系統(tǒng)能輸出停機(jī)信號(hào)，使電梯停止運(yùn)行。

（5）各層電梯門外應(yīng)有使電梯上升或下降到乘客所在樓層的“呼叫”開關(guān)。

4.2設(shè)計(jì)要求

（1）根據(jù)設(shè)計(jì)原理初步畫出實(shí)驗(yàn)電路圖。

（2）根據(jù)實(shí)驗(yàn)電路圖在計(jì)算機(jī)上用Multisim仿真，找出初步設(shè)計(jì)電路的不足加以改正和改進(jìn)。

（3）根據(jù)改進(jìn)實(shí)現(xiàn)后的電路連接實(shí)際電路，實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)。

4.3整體設(shè)計(jì)流程圖

5.控制電路設(shè)計(jì)

5.1脈沖電路設(shè)計(jì)

脈沖電路采用555構(gòu)成多諧振蕩器，給電路中的觸發(fā)器提供脈沖信號(hào)，電路如圖所示：

理論值計(jì)算，由于脈沖信號(hào)不需要很精確，上k級(jí)的脈沖信號(hào)就可以滿足要求。

5.2樓層輸入電路設(shè)計(jì)

利用四個(gè)D觸發(fā)器實(shí)現(xiàn)樓層的輸入功能,實(shí)現(xiàn)所在樓層的指示燈顯示。由于D觸發(fā)器的沒有接電平,所以默認(rèn)為高電平，每個(gè)相應(yīng)的開關(guān)被按下的時(shí)候,送給CP信號(hào)一個(gè)高電平,因?yàn)?4S74D是上升沿觸發(fā)的D觸發(fā)器,所以D觸發(fā)器開始工作,其對(duì)應(yīng)的的燈變亮當(dāng)電梯運(yùn)行到對(duì)應(yīng)樓層時(shí),彩燈熄滅。這樣就可以顯示電梯所在的樓層。

圖5.2 樓層輸入電路

5.3樓層顯示電路設(shè)計(jì)

本電路主要是利用十進(jìn)制加減計(jì)數(shù)器74LS192，通過控制電路分配加1或減1信號(hào)給UP和DOWN，實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)樓層號(hào)的加1或減1，有數(shù)碼管顯示所到樓層。

5.4樓層報(bào)警電路設(shè)計(jì)

其中四個(gè)開關(guān)分別安裝在四層電梯的里面，當(dāng)里面有求救報(bào)警信號(hào)的時(shí)候按下開關(guān)，蜂鳴器鳴叫。

圖5.4 樓層報(bào)警電路

5.5四層電梯控制系統(tǒng)總電路設(shè)計(jì)

利用D觸發(fā)器74LS74作為控制電梯按鈕(即觸發(fā)電平),經(jīng)過編碼器74LS148及比較器74LS85、計(jì)數(shù)器74LS192來實(shí)現(xiàn)其電梯控制功能。木電路使用555的定時(shí)功能來控制上一層樓或下一層樓所用的時(shí)間,利用數(shù)碼管來顯示所到樓層數(shù),并用四個(gè)發(fā)光二極管來作為四層樓的指示燈。
   四個(gè)D觸發(fā)器的同步置“1”端都接了74LS00D的輸出端,這樣可以讓當(dāng)電梯運(yùn)行到相應(yīng)的樓層時(shí),可以同步置“1”。這樣每個(gè)D觸發(fā)器~1Q所產(chǎn)生低電平,這樣相應(yīng)樓層的燈滅。
   而編碼器74LS148對(duì)四個(gè)D觸發(fā)器產(chǎn)生的信號(hào)進(jìn)行編碼,共中D0~D4分別接D觸發(fā)器的輸出,D5~D7接高電平,即“1”。由于編碼器74LS148是低電平有效的編碼器,所以當(dāng)D觸發(fā)器燈變亮的時(shí)候,其輸出低電平被編碼器74LS148編碼,之后再把編碼后的信號(hào)輸出到比較器74LS85中,計(jì)數(shù)器的功能是輸出從1到4的數(shù)碼管編碼的信號(hào),這樣就可以觀察數(shù)碼管的數(shù)字知道所在樓層。

圖5.5電梯控制系統(tǒng)總電路

6.主要元器件介紹

6.1D觸發(fā)器

此電路D觸發(fā)器采用74LS74。74LS74內(nèi)含兩個(gè)獨(dú)立的D上升沿雙d觸發(fā)器,每個(gè)觸發(fā)器有數(shù)據(jù)輸入(D)、置位輸入(~SD) 、復(fù)位輸入(~RD) 、時(shí)鐘輸入(CP)和數(shù)據(jù)輸出(Q)。~SD、~RD的低電平使輸出預(yù)置或清除,而與其它輸入端的電平無關(guān),當(dāng)~SD、~RD均無效(高電平式)時(shí),符合建立時(shí)間要求的D數(shù)據(jù)在CP上升沿作用傳送到輸出端。

圖6.1.1 D觸發(fā)器真值表

圖6.1.2 74LS74引腳圖

6.2譯碼器

譯碼器是一個(gè)多輸入，多輸出的組合邏輯電路.它的作用是把給定的代碼進(jìn)行“翻譯”成相應(yīng)的狀態(tài)，使輸出通道中相應(yīng)的一路有信號(hào)輸出。譯碼器在數(shù)字系統(tǒng)中有廣泛的用途，不僅用于代碼的轉(zhuǎn)換，終端的數(shù)字顯示，還用于數(shù)據(jù)分配，存貯器尋址和組合控制信號(hào)等。不同的功能可選用不同種類的譯碼器。

CD4511是一個(gè)用于驅(qū)動(dòng)共陰極LED（數(shù)碼管)顯示器的 BCD 碼一七段碼譯碼器，具有 BCD轉(zhuǎn)換、消隱和鎖存控制、七段譯碼及驅(qū)動(dòng)功能的CMI0S電路能提供較大的拉電流。可直接驅(qū)動(dòng)LED顯示器。

用 CD4511實(shí)現(xiàn)LED接口方法如下圖:

圖6.2 CD4511引腳圖及實(shí)現(xiàn)LED電路

6.3編碼器

74LS148為8線一3線優(yōu)先編碼器，將8條數(shù)據(jù)線(0-7)進(jìn)行3線（4-2-1）二進(jìn)制（八進(jìn)制)優(yōu)先編碼，即對(duì)最高位數(shù)據(jù)線進(jìn)行譯碼。利用輸入選通端（EI）和輸出選通端(EO)可進(jìn)行八進(jìn)制擴(kuò)展。

0-7編碼輸入端低電平有效，EI選通輸入端(低電平有效)，A0、A1、A2三位二進(jìn)制編碼輸出信號(hào)即編碼輸出端(低電平有效)，GS優(yōu)先編碼輸出端即寬展端（低電平有效)，EO 選通輸出端，即使能輸出端。

圖6.3.1 74LS148引腳圖

圖6.3.2 74LS148功能表

6.4比較器

本次實(shí)驗(yàn)所用的比較器是74LS85，為4位數(shù)值比較器。兩個(gè)4位數(shù)的比較是從A的最高位A3和B的最高位B3進(jìn)行比較，如果它們不相等，則該位的比較結(jié)果可以作為兩數(shù)的比較結(jié)果。若最高位A3=B3，則再比較次高位A2和B2，其余類推。顯然，如果兩數(shù)相等，那么比較步驟必須進(jìn)行到最低位才能得到結(jié)果。

圖6.4.1 74LS85引腳圖

真值表中的輸入變量包括A3與B3、A2與B2、A1與B1、A0與B0和A與B的比較結(jié)果。其中A和B是另外兩個(gè)低位數(shù)，IA>B、IA<B和IA=B是它們的比較結(jié)果。設(shè)置低位數(shù)比較結(jié)果輸入端是為了能與其他數(shù)值比較器連接，以便組成位數(shù)更多的數(shù)值比較器。

圖6.4.2 74LS85真值表

6.5計(jì)數(shù)器

74LS192是同步十進(jìn)制可逆計(jì)數(shù)器，它具有雙時(shí)鐘輸入，并具有清除和置數(shù)等功能，其引腳排列及邏輯符號(hào)如下所示：

圖6.5.1 74LS192引腳圖

圖6.5.2 74LS192真值表

邏輯符號(hào)圖中：~PL為置數(shù)端，CPU為加計(jì)數(shù)端，CPD為減計(jì)數(shù)端，~TCU為非同步進(jìn)位輸出端，~TCD為非同步借位輸出端，P0、P1、P2、P3為計(jì)數(shù)器輸入端，MR為清除端，Q0、Q1、Q2、Q3為數(shù)據(jù)輸出端。

6.6數(shù)碼管

一個(gè)LED數(shù)碼管可用來顯示一位0~9十進(jìn)制數(shù)和一個(gè)小數(shù)點(diǎn)，小型數(shù)碼管(0.5寸和0.36寸)，每段發(fā)光二極管的正向壓降，隨顯示光(通常為紅綠，黃,橙色)的顏色不同略有差別,通常約為2~2.5V,每個(gè)發(fā)光二極管的點(diǎn)亮電流在5~ 10mA。LED數(shù)碼管要顯示BCD碼所表示的十進(jìn)制數(shù)字就需要有一個(gè)專門的譯碼器，該譯碼器不但要完成譯碼功能,還要有相當(dāng)?shù)尿?qū)動(dòng)能力。此設(shè)計(jì)的數(shù)碼管采用共陰型數(shù)碼管，主要用來顯示樓層號(hào)。

圖6.6 一位共陰數(shù)碼管引腳圖

7.電路的焊接

7.1制作元件清單

根據(jù)實(shí)驗(yàn)原理圖制作相應(yīng)元件清單，并買所需原件，焊接用萬用版，銅導(dǎo)線以及排針等。

7.2焊接電路

1.運(yùn)用電路板進(jìn)行實(shí)際的排線工作。將元件放置于萬用版上，對(duì)線路進(jìn)行優(yōu)化整理，盡量做到精簡(jiǎn)排線，讓線與線之間的距離盡可能的小，并且盡量做到線與線間沒有交叉。

2.將元件依次焊接到電路板上，由于此次焊接選擇用銅線作為導(dǎo)線而非焊錫故連接時(shí)應(yīng)讓元件與導(dǎo)線同時(shí)連接。不要讓電焊在元件的引腳上停留太久以防溫度過高燒壞元器件。

圖7.2 實(shí)物連接圖

7.3焊接電路的調(diào)試

1.用萬用表打到蜂鳴測(cè)試檔，依次測(cè)試相應(yīng)節(jié)點(diǎn)是否接通。

2.當(dāng)電路板檢查無誤后，接通±5V電源通過示波器觀察555定時(shí)器輸出波形。

3.按照要求調(diào)節(jié)開關(guān)，按鈕，觀察樓層指示燈和數(shù)碼管顯示變化。

4.經(jīng)過許多次的電路調(diào)試，最后沒有得到想要的結(jié)果。