毛會瓊 牛小玲 陳世海 （中國礦業(yè)大學(xué)信息與控制工程學(xué)院）

將EDA 技術(shù)與傳統(tǒng)的面包板電路搭接相結(jié)合，有助于學(xué)生開闊思路，加強對電路的理解[1]，提高學(xué)生設(shè)計電路的綜合能力[2]。本實驗中學(xué)習(xí)通過使用Multisim、QuartusII 等現(xiàn)代仿真設(shè)計軟件，完成對小教室智能控制系統(tǒng)電路的設(shè)計與制作。

節(jié)能、環(huán)保是我們國家的長期發(fā)展戰(zhàn)略[3]，是每個公民的職責(zé)。在“數(shù)字邏輯與數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計”綜合設(shè)計實驗中，通過實驗項目的合理設(shè)計，引導(dǎo)學(xué)生將專業(yè)知識的學(xué)習(xí)和應(yīng)用與國家的發(fā)展戰(zhàn)略相統(tǒng)一。本文擬從實驗任務(wù)與內(nèi)容、實現(xiàn)方案、教學(xué)實施進程和考核評價這四個方面對該綜合實驗項目的設(shè)計與實踐過程進行介紹。

一 實驗任務(wù)與內(nèi)容

針對小教室的電燈、風(fēng)扇、空調(diào)等電器設(shè)備，本著低碳節(jié)能原則，應(yīng)用“數(shù)字邏輯與數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計”知識，設(shè)計出實用化的智能控制系統(tǒng)。小教室最多容納15 人，內(nèi)有4 盞燈、2 臺風(fēng)扇、1 臺空調(diào)。實驗的任務(wù)和內(nèi)容分為基礎(chǔ)性實驗和提高性實驗兩部分，采用進階式設(shè)計，面向不同層次的學(xué)生。

1 基礎(chǔ)性實驗

應(yīng)用“數(shù)字電子技術(shù)”的相關(guān)知識和實驗手段，設(shè)計一小教室的智能控制系統(tǒng)。設(shè)計電路如下。

（1）設(shè)計一自動計數(shù)、顯示電路：統(tǒng)計當(dāng)前教室人數(shù)；譯碼顯示電路輸出用用8 段數(shù)碼管BCD 碼顯示；（2）設(shè)計電燈控制電路：當(dāng)教室進入人數(shù)為1 時，點亮第一盞燈；當(dāng)教室內(nèi)人數(shù)為5 時，點亮第二盞燈，當(dāng)教室內(nèi)人數(shù)為8 時，點亮第三盞燈，當(dāng)教室內(nèi)人數(shù)為12 時，點亮第四盞燈；（3）設(shè)計風(fēng)扇控制電路：當(dāng)教室內(nèi)進人第1 個人時，啟動1 臺風(fēng)扇；當(dāng)人數(shù)為5時，啟動第二臺風(fēng)扇；（4）設(shè)計空調(diào)控制電路：當(dāng)教室內(nèi)人數(shù)為8 時，啟動空調(diào)。當(dāng)空調(diào)運行一段時間后（100s 內(nèi)），關(guān)閉兩臺風(fēng)扇；（5）當(dāng)教室內(nèi)最后一個人離開時，自動關(guān)閉所有的燈、空調(diào)、風(fēng)扇。

畫出該控制電路的總體結(jié)構(gòu)框圖，設(shè)計各功能模塊的電路原理圖。實驗前采用Multisim 軟件仿真驗證實驗方案合理性；課堂上，在數(shù)字電子技術(shù)實驗箱上硬件搭建、調(diào)試、實現(xiàn)該電路。

2 提高性實驗

按照基礎(chǔ)實驗中設(shè)計并實現(xiàn)的實驗方案，應(yīng)用數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計的相關(guān)知識和實驗手段，完成下面實驗內(nèi)容。

第一，在QuartusII 軟件上，采用HDL 語言編程與圖形法相結(jié)合的方式編寫程序，仿真實現(xiàn)控制電路。第二，將第一中仿真成功后的程序下載進CPLD 控制板，硬件搭接、調(diào)試、實現(xiàn)該控制電路。

實驗過程中，計數(shù)器顯示輸出采用8 段數(shù)碼管顯示；傳感器的輸出信號采用數(shù)字實驗箱上自帶的脈沖源或撥動開關(guān)，受控電器利用二極管指示燈。

二 實現(xiàn)方案

基于小教室的智能控制系統(tǒng)由傳感器模塊、計數(shù)和譯碼顯示模塊、主控制模塊、譯碼控制模塊、定時控制模塊和清零復(fù)位模塊六個部分組成。

1 人體感應(yīng)傳感器模塊

人體感應(yīng)傳感器用于感應(yīng)人體通過信號，為計數(shù)電路提供計數(shù)脈沖。本實驗中，學(xué)生需通過CNKI、超星等文獻檢索工具，對常用人體感應(yīng)傳感器類型，如光電式傳感器、紅外熱釋電傳感器、圖像識別技術(shù)等，及相關(guān)知識進行學(xué)習(xí)和了解，擴展其知識范圍和應(yīng)用視野，為專業(yè)課程學(xué)習(xí)打基礎(chǔ)。實驗過程中，可向?qū)W生演示光電式傳感器的輸出信號特點和現(xiàn)象。

本實驗中并未實際應(yīng)用到傳感器，傳感器的輸出信號采用時鐘脈沖源或者開關(guān)來替代。

2 計數(shù)電路和譯碼顯示電路

計數(shù)譯碼顯示電路用于統(tǒng)計教室內(nèi)現(xiàn)有人數(shù)，譯碼顯示電路并將人數(shù)在數(shù)碼管上顯示出來。其中計數(shù)電路根據(jù)教室的實際情況不同，設(shè)計方案也會有所不同。

方案一：若規(guī)定該教室前門進人，后門出人，則教室內(nèi)現(xiàn)有人數(shù)=前門（進門）計數(shù)人數(shù)-后門（出門）計數(shù)人數(shù)。

方案二：若該教室只有一個門，則該門即可進人，也可出人。則教室內(nèi)現(xiàn)有人數(shù)=進人計數(shù)器人數(shù)-出門計數(shù)器人數(shù)。

上述兩種方案的電路結(jié)構(gòu)基本一致。

方案三：若該教室有兩個門，且每個門既能進人，也能出人。則教室內(nèi)現(xiàn)有人數(shù)=前門計數(shù)器總?cè)藬?shù)+后門計數(shù)器總?cè)藬?shù)。

因為顯示電路需要采用8 段數(shù)碼管BCD 碼輸出顯示，因此在方案一和方案二中，若計數(shù)電路采用二進制計數(shù)器計數(shù)，則減法電路后面需增加四位二進制轉(zhuǎn)BCD 碼電路；若計數(shù)器電路采用十進制計數(shù)器，則減法電路需采用2 片四位全減器級聯(lián)升成8 位計數(shù)器。上述電路的設(shè)計處理在方案三中的加法器處同樣適用。

3 主控制電路

主控制電路是智能控制系統(tǒng)的核心部件，能夠按照教室內(nèi)人數(shù)變化控制教室內(nèi)電器設(shè)備工作狀態(tài)。根據(jù)教室使用情況不同其設(shè)計方案也是不同的。

方案一：若該教室僅用于按班級上課，不用于自習(xí)開放，則課前和課后較長時間內(nèi)人數(shù)的隨機變化較少，此時可設(shè)定不隨人數(shù)的減少關(guān)閉用電設(shè)備，僅當(dāng)教室內(nèi)人數(shù)清零時統(tǒng)一關(guān)閉。此時可進行簡單的編碼電路設(shè)置，當(dāng)教室內(nèi)現(xiàn)有人數(shù)達到設(shè)定數(shù)值時產(chǎn)生相應(yīng)的編碼控制信號。

方案二，若該教室不僅正常上課用，還需對學(xué)生自習(xí)開放，則自習(xí)期間教室內(nèi)人數(shù)會隨機變動較大，因此當(dāng)教室內(nèi)人數(shù)變化到設(shè)定的人數(shù)閾值時，用電設(shè)備也需隨人數(shù)變化同向增加開啟或是減少關(guān)閉。

4 譯碼控制電路

譯碼電路的主要任務(wù)就是將主控電路的幾種工作狀態(tài)翻譯成受教室內(nèi)控電器設(shè)備的工作狀態(tài)。如果前面沒有編碼電路，則譯碼電路就是主控制電路。

5 定時電路

定時電路可以利用計數(shù)器和門電路構(gòu)成，也可以利用555電路構(gòu)成單穩(wěn)態(tài)定時電路[4-5]。定時電路有空調(diào)啟動電路控制啟動。當(dāng)定時時間到，通過反饋電路產(chǎn)生控制信號，切斷風(fēng)扇電源。

6 清零復(fù)位電路

當(dāng)教室內(nèi)最后一個人離開時，清零電路能自動關(guān)閉所有燈、空調(diào)、風(fēng)扇，并自動復(fù)位到電路初始狀態(tài)，使整個系統(tǒng)能夠隨時開啟下一個控制循環(huán)。

三 教學(xué)實施進程

本實驗課采用課堂集中上課和網(wǎng)絡(luò)輔導(dǎo)(QQ 或微信)相結(jié)合的方式開展。實驗的開展主要分成三個階段進行：實驗任務(wù)布置、系統(tǒng)設(shè)計與調(diào)試、課堂演示和驗收答辯三個環(huán)節(jié)。

1 實驗任務(wù)布置

實驗前一周，采用課堂集中授課的方式，由實驗任課教師講解實驗?zāi)康模贾脤嶒炄蝿?wù)和實驗內(nèi)容，提出實驗設(shè)計要求，講解實驗原理，并進行必要的設(shè)計提示，講解實驗設(shè)計和調(diào)試過程中常遇到的問題和解決方法。

2 系統(tǒng)設(shè)計與調(diào)試

學(xué)生在課外完成相關(guān)的實驗電路設(shè)計，實驗課前利用Multisim 軟件仿真電路、驗證實驗方案合理性，并編寫QuartusII 軟件程序。

在電路設(shè)計期間，學(xué)生遇到的一切與本實驗設(shè)計相關(guān)的問題都可以通過QQ 或是微信向任課教師提問，教師會在情況允許的第一時間給予解答或是與之討論。

3 課堂演示和驗收答辯

課堂上，首先在數(shù)字電子技術(shù)實驗箱上硬件實現(xiàn)設(shè)計電路。其次，在QuartusII 軟件上調(diào)試程序，仿真實現(xiàn)控制電路。最后，將QuartusII 軟件仿真成功后的程序下載進CPLD 控制板，硬件實現(xiàn)設(shè)計電路。每完成一項實驗內(nèi)容，任課教師均需要驗收簽字，并就設(shè)計中的某些問題向?qū)W生提問，學(xué)生現(xiàn)場回答。最后根據(jù)學(xué)生完成實驗內(nèi)容的多少和答辯情況給出操作實驗成績。實驗結(jié)束后一周提交實驗報告。

4 考核評價

本實驗的考核成績由三部分組成，預(yù)習(xí)設(shè)計占40%，課堂操作占50%，實驗報告占10%。實驗各階段的成績占比主要由各階段的工作量多少來決定。

設(shè)計性實驗前期的預(yù)習(xí)設(shè)計工作量較大，首先需查閱資料確定工程需求，如傳感器型號、芯片型號，然后進行系統(tǒng)電路框圖和各功能模塊的電路原理圖設(shè)計、方案論證、QuartusII軟件程序編寫和利用Multism 軟件仿真驗證實驗方案的合理性等，所以所占成績比例比較高。

課堂操作成績主要是硬件搭接和調(diào)試，系統(tǒng)出錯的因素比較多，故障排查也更加復(fù)雜，所以這部分成績占全部成績比例最高。

實驗報告主要是看它的規(guī)范性和完整性以及課后問題的回答情況，實驗成績占比最低。

綜上所述，本文以Multisim 與QuartusII 軟件仿真設(shè)計平臺為基礎(chǔ)，結(jié)合數(shù)字電子技術(shù)硬件實驗箱，本著低碳節(jié)能原則，設(shè)計并實現(xiàn)了小教室智能控制系統(tǒng)設(shè)計這一綜合實驗的整個流程。教學(xué)實踐表明，本實驗激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和學(xué)習(xí)熱情，提升了學(xué)生的學(xué)習(xí)能力和應(yīng)用能力，是培養(yǎng)學(xué)生學(xué)習(xí)能力和應(yīng)用能力的較好素材。