数电四层电梯控制电路的设计Proteus仿真与制作调试

初始条件：数电和模电知识，中、小规模数字集成触发器、优先编码器、定时计数器、数码管、led、按键开关等器件。

③ 电梯内设置可选择所去楼层的开关及楼层显示，电梯外设有表示电梯目前所处运动状态

（上升或下降）以及电梯位于哪一层楼的指示装置。

④ 电梯内设置开门、关门按键开关，设置一指示灯模拟开门状态。在收到停靠信号后，开门指示灯亮，时钟信号中止，同时输出清除信号清除本层的该次请求信号。开门时间持续5秒后，开门指示灯灭，时钟信号恢复出现，电梯继续运行。若在开门时间内要求提前关门运行，可按动关门开关，开门指示灯灭并继续运行。若在5秒内，希望延长开门时间，可按动开门按钮，开门状态将再延长5秒，此功能可多次使用，直到认为允许关门为止。

⑤ 确定设计方案，按功能模块的划分选择元、器件和中小规模集成电路，进行各功能模块电路及总体电路的设计，画出相应电路原理图并分析论述工作原理及参数设计。

是根据逻辑控制电路完成四层电梯升降控制系统的设计。电梯运行规则：上升时，仅响应电梯所在位置以上的上楼请求信号，依楼层次序逐个执行，直到最后一个请求执行完毕。然后运行到有下楼请求的最高楼层，开始下楼请求信号。下降时，仅响应电梯所在位置以下的下楼请求信号，依楼层次序逐个执行，直到最后一个请求执行完毕。然后运行到有上楼请求的最低楼层，开始上楼请求信号。一旦电梯执行完全部请求信号后，应停留在原来层等待，有新的请求信号时再运行。脉冲信号由555定时器构成多谐振荡器产生。

方案选择

方案一：

使用中、小规模数字集成芯片设计电路，用触发器驱动开关，有消抖功能，并可以对开关的信号产生记忆；用编码器、显示译码器和数码管是时显示电梯所在位置；按键开关控制电梯各项功能；555产生时序脉冲信号；计数器实现定时功能。

此方案实施起来逻辑原理清晰，思路明确，但实验中使用逻辑芯片较多，增加了电路的调试难度。

方案二：

   使用单片机进行控制，此方案仅需外接开关、数码管、蜂鸣器、LED等外围元件。使电路焊接相当简单，容易调试。但对软件编程要求较细，当电路功能增加后，会对电路的软件调试带来困难。

方案三：

   采用单片机系统与适当逻辑芯片相结合的方法设计电路。系统中对开关信号的记忆使用触发器搭建，脉冲可用555电路也可以直接用单片机产生，数码管显示也可以使用单片机或者译码器，本系统使用译码器，有更多的IO口可用来对电梯功能进行控制。

由于单片机有关知识掌握得不是很多，所以综合考虑，决定采用方案一。

3.设计目的及意义

本设计是利用已学过的数电知识，设计四层电梯控制系统。

3.1目的

（1）重温自己学过的数电知识；

（2）掌握数字集成电路的设计方法和原理；

（3）熟悉555方波振荡器的应用，D触发器，编码器，比较器，计数器，译码器的应用和显示电路的整体配合；

（4）通过完成该设计掌握实际问题的逻辑分析，学会对实际问题进行逻辑状态分配，化简；

（5）掌握数字电路各部分电路与总体电路的设计，调试，模拟仿真方法。

3.2意义

通过本次的数电设计，使自己能清楚了解设计的过程和意义，检验自己学过的知识，掌握各种芯片的功能和使用方法，提高自己利用所学知识和网络资源的能力。

4.整体设计

4.1设计目标

（1）系统控制的电梯往返于1至4层楼。

（2）乘客要去的楼层可以手动输入并显示（所在楼层的二极管亮）。

（3）电梯运行的楼层可以自动显示。

（4）当A>B时，系统能输出使电梯正向运行的时序信号，使电梯上升；

    当A<B时，系统能输出使电梯正向运行的时序信号，使电梯下降；

    当A=B时，系统能输出停机信号，使电梯停止运行。

（5）各层电梯门外应有使电梯上升或下降到乘客所在楼层的“呼叫”开关。

4.2设计要求

（1）根据设计原理初步画出实验电路图。

（2）根据实验电路图在计算机上用Multisim仿真，找出初步设计电路的不足加以改正和改进。

（3）根据改进实现后的电路连接实际电路，实现设计。

4.3整体设计流程图

5.控制电路设计

5.1脉冲电路设计

脉冲电路采用555构成多谐振荡器，给电路中的触发器提供脉冲信号，电路如图所示：

理论值计算，由于脉冲信号不需要很精确，上k级的脉冲信号就可以满足要求。

5.2楼层输入电路设计

利用四个D触发器实现楼层的输入功能,实现所在楼层的指示灯显示。由于D触发器的没有接电平,所以默认为高电平，每个相应的开关被按下的时候,送给CP信号一个高电平,因为74S74D是上升沿触发的D触发器,所以D触发器开始工作,其对应的的灯变亮当电梯运行到对应楼层时,彩灯熄灭。这样就可以显示电梯所在的楼层。

图5.2 楼层输入电路

5.3楼层显示电路设计

本电路主要是利用十进制加减计数器74LS192，通过控制电路分配加1或减1信号给UP和DOWN，实现对现楼层号的加1或减1，有数码管显示所到楼层。

5.4楼层报警电路设计

其中四个开关分别安装在四层电梯的里面，当里面有求救报警信号的时候按下开关，蜂鸣器鸣叫。

图5.4 楼层报警电路

5.5四层电梯控制系统总电路设计

利用D触发器74LS74作为控制电梯按钮(即触发电平),经过编码器74LS148及比较器74LS85、计数器74LS192来实现其电梯控制功能。木电路使用555的定时功能来控制上一层楼或下一层楼所用的时间,利用数码管来显示所到楼层数,并用四个发光二极管来作为四层楼的指示灯。
   四个D触发器的同步置“1”端都接了74LS00D的输出端,这样可以让当电梯运行到相应的楼层时,可以同步置“1”。这样每个D触发器~1Q所产生低电平,这样相应楼层的灯灭。
   而编码器74LS148对四个D触发器产生的信号进行编码,共中D0~D4分别接D触发器的输出,D5~D7接高电平,即“1”。由于编码器74LS148是低电平有效的编码器,所以当D触发器灯变亮的时候,其输出低电平被编码器74LS148编码,之后再把编码后的信号输出到比较器74LS85中,计数器的功能是输出从1到4的数码管编码的信号,这样就可以观察数码管的数字知道所在楼层。

图5.5电梯控制系统总电路

6.主要元器件介绍

6.1D触发器

此电路D触发器采用74LS74。74LS74内含两个独立的D上升沿双d触发器,每个触发器有数据输入(D)、置位输入(~SD) 、复位输入(~RD) 、时钟输入(CP)和数据输出(Q)。~SD、~RD的低电平使输出预置或清除,而与其它输入端的电平无关,当~SD、~RD均无效(高电平式)时,符合建立时间要求的D数据在CP上升沿作用传送到输出端。

图6.1.1 D触发器真值表

图6.1.2 74LS74引脚图

6.2译码器

译码器是一个多输入，多输出的组合逻辑电路.它的作用是把给定的代码进行“翻译”成相应的状态，使输出通道中相应的一路有信号输出。译码器在数字系统中有广泛的用途，不仅用于代码的转换，终端的数字显示，还用于数据分配，存贮器寻址和组合控制信号等。不同的功能可选用不同种类的译码器。

CD4511是一个用于驱动共阴极LED（数码管)显示器的 BCD 码一七段码译码器，具有 BCD转换、消隐和锁存控制、七段译码及驱动功能的CMI0S电路能提供较大的拉电流。可直接驱动LED显示器。

用 CD4511实现LED接口方法如下图:

图6.2 CD4511引脚图及实现LED电路

6.3编码器

74LS148为8线一3线优先编码器，将8条数据线(0-7)进行3线（4-2-1）二进制（八进制)优先编码，即对最高位数据线进行译码。利用输入选通端（EI）和输出选通端(EO)可进行八进制扩展。

0-7编码输入端低电平有效，EI选通输入端(低电平有效)，A0、A1、A2三位二进制编码输出信号即编码输出端(低电平有效)，GS优先编码输出端即宽展端（低电平有效)，EO 选通输出端，即使能输出端。

图6.3.1 74LS148引脚图

图6.3.2 74LS148功能表

6.4比较器

本次实验所用的比较器是74LS85，为4位数值比较器。两个4位数的比较是从A的最高位A3和B的最高位B3进行比较，如果它们不相等，则该位的比较结果可以作为两数的比较结果。若最高位A3=B3，则再比较次高位A2和B2，其余类推。显然，如果两数相等，那么比较步骤必须进行到最低位才能得到结果。

图6.4.1 74LS85引脚图

真值表中的输入变量包括A3与B3、A2与B2、A1与B1、A0与B0和A与B的比较结果。其中A和B是另外两个低位数，IA>B、IA<B和IA=B是它们的比较结果。设置低位数比较结果输入端是为了能与其他数值比较器连接，以便组成位数更多的数值比较器。

图6.4.2 74LS85真值表

6.5计数器

74LS192是同步十进制可逆计数器，它具有双时钟输入，并具有清除和置数等功能，其引脚排列及逻辑符号如下所示：

图6.5.1 74LS192引脚图

图6.5.2 74LS192真值表

逻辑符号图中：~PL为置数端，CPU为加计数端，CPD为减计数端，~TCU为非同步进位输出端，~TCD为非同步借位输出端，P0、P1、P2、P3为计数器输入端，MR为清除端，Q0、Q1、Q2、Q3为数据输出端。

6.6数码管

一个LED数码管可用来显示一位0~9十进制数和一个小数点，小型数码管(0.5寸和0.36寸)，每段发光二极管的正向压降，随显示光(通常为红绿，黄,橙色)的颜色不同略有差别,通常约为2~2.5V,每个发光二极管的点亮电流在5~ 10mA。LED数码管要显示BCD码所表示的十进制数字就需要有一个专门的译码器，该译码器不但要完成译码功能,还要有相当的驱动能力。此设计的数码管采用共阴型数码管，主要用来显示楼层号。

图6.6 一位共阴数码管引脚图

7.电路的焊接

7.1制作元件清单

根据实验原理图制作相应元件清单，并买所需原件，焊接用万用版，铜导线以及排针等。

7.2焊接电路

1.运用电路板进行实际的排线工作。将元件放置于万用版上，对线路进行优化整理，尽量做到精简排线，让线与线之间的距离尽可能的小，并且尽量做到线与线间没有交叉。

2.将元件依次焊接到电路板上，由于此次焊接选择用铜线作为导线而非焊锡故连接时应让元件与导线同时连接。不要让电焊在元件的引脚上停留太久以防温度过高烧坏元器件。

图7.2 实物连接图

7.3焊接电路的调试

1.用万用表打到蜂鸣测试档，依次测试相应节点是否接通。

2.当电路板检查无误后，接通±5V电源通过示波器观察555定时器输出波形。

3.按照要求调节开关，按钮，观察楼层指示灯和数码管显示变化。

4.经过许多次的电路调试，最后没有得到想要的结果。