毛会琼 牛小玲 陈世海 （中国矿业大学信息与控制工程学院）

将EDA 技术与传统的面包板电路搭接相结合，有助于学生开阔思路，加强对电路的理解[1]，提高学生设计电路的综合能力[2]。本实验中学习通过使用Multisim、QuartusII 等现代仿真设计软件，完成对小教室智能控制系统电路的设计与制作。

节能、环保是我们国家的长期发展战略[3]，是每个公民的职责。在“数字逻辑与数字系统设计”综合设计实验中，通过实验项目的合理设计，引导学生将专业知识的学习和应用与国家的发展战略相统一。本文拟从实验任务与内容、实现方案、教学实施进程和考核评价这四个方面对该综合实验项目的设计与实践过程进行介绍。

一 实验任务与内容

针对小教室的电灯、风扇、空调等电器设备，本着低碳节能原则，应用“数字逻辑与数字系统设计”知识，设计出实用化的智能控制系统。小教室最多容纳15 人，内有4 盏灯、2 台风扇、1 台空调。实验的任务和内容分为基础性实验和提高性实验两部分，采用进阶式设计，面向不同层次的学生。

1 基础性实验

应用“数字电子技术”的相关知识和实验手段，设计一小教室的智能控制系统。设计电路如下。

（1）设计一自动计数、显示电路：统计当前教室人数；译码显示电路输出用用8 段数码管BCD 码显示；（2）设计电灯控制电路：当教室进入人数为1 时，点亮第一盏灯；当教室内人数为5 时，点亮第二盏灯，当教室内人数为8 时，点亮第三盏灯，当教室内人数为12 时，点亮第四盏灯；（3）设计风扇控制电路：当教室内进人第1 个人时，启动1 台风扇；当人数为5时，启动第二台风扇；（4）设计空调控制电路：当教室内人数为8 时，启动空调。当空调运行一段时间后（100s 内），关闭两台风扇；（5）当教室内最后一个人离开时，自动关闭所有的灯、空调、风扇。

画出该控制电路的总体结构框图，设计各功能模块的电路原理图。实验前采用Multisim 软件仿真验证实验方案合理性；课堂上，在数字电子技术实验箱上硬件搭建、调试、实现该电路。

2 提高性实验

按照基础实验中设计并实现的实验方案，应用数字系统设计的相关知识和实验手段，完成下面实验内容。

第一，在QuartusII 软件上，采用HDL 语言编程与图形法相结合的方式编写程序，仿真实现控制电路。第二，将第一中仿真成功后的程序下载进CPLD 控制板，硬件搭接、调试、实现该控制电路。

实验过程中，计数器显示输出采用8 段数码管显示；传感器的输出信号采用数字实验箱上自带的脉冲源或拨动开关，受控电器利用二极管指示灯。

二 实现方案

基于小教室的智能控制系统由传感器模块、计数和译码显示模块、主控制模块、译码控制模块、定时控制模块和清零复位模块六个部分组成。

1 人体感应传感器模块

人体感应传感器用于感应人体通过信号，为计数电路提供计数脉冲。本实验中，学生需通过CNKI、超星等文献检索工具，对常用人体感应传感器类型，如光电式传感器、红外热释电传感器、图像识别技术等，及相关知识进行学习和了解，扩展其知识范围和应用视野，为专业课程学习打基础。实验过程中，可向学生演示光电式传感器的输出信号特点和现象。

本实验中并未实际应用到传感器，传感器的输出信号采用时钟脉冲源或者开关来替代。

2 计数电路和译码显示电路

计数译码显示电路用于统计教室内现有人数，译码显示电路并将人数在数码管上显示出来。其中计数电路根据教室的实际情况不同，设计方案也会有所不同。

方案一：若规定该教室前门进人，后门出人，则教室内现有人数=前门（进门）计数人数-后门（出门）计数人数。

方案二：若该教室只有一个门，则该门即可进人，也可出人。则教室内现有人数=进人计数器人数-出门计数器人数。

上述两种方案的电路结构基本一致。

方案三：若该教室有两个门，且每个门既能进人，也能出人。则教室内现有人数=前门计数器总人数+后门计数器总人数。

因为显示电路需要采用8 段数码管BCD 码输出显示，因此在方案一和方案二中，若计数电路采用二进制计数器计数，则减法电路后面需增加四位二进制转BCD 码电路；若计数器电路采用十进制计数器，则减法电路需采用2 片四位全减器级联升成8 位计数器。上述电路的设计处理在方案三中的加法器处同样适用。

3 主控制电路

主控制电路是智能控制系统的核心部件，能够按照教室内人数变化控制教室内电器设备工作状态。根据教室使用情况不同其设计方案也是不同的。

方案一：若该教室仅用于按班级上课，不用于自习开放，则课前和课后较长时间内人数的随机变化较少，此时可设定不随人数的减少关闭用电设备，仅当教室内人数清零时统一关闭。此时可进行简单的编码电路设置，当教室内现有人数达到设定数值时产生相应的编码控制信号。

方案二，若该教室不仅正常上课用，还需对学生自习开放，则自习期间教室内人数会随机变动较大，因此当教室内人数变化到设定的人数阈值时，用电设备也需随人数变化同向增加开启或是减少关闭。

4 译码控制电路

译码电路的主要任务就是将主控电路的几种工作状态翻译成受教室内控电器设备的工作状态。如果前面没有编码电路，则译码电路就是主控制电路。

5 定时电路

定时电路可以利用计数器和门电路构成，也可以利用555电路构成单稳态定时电路[4-5]。定时电路有空调启动电路控制启动。当定时时间到，通过反馈电路产生控制信号，切断风扇电源。

6 清零复位电路

当教室内最后一个人离开时，清零电路能自动关闭所有灯、空调、风扇，并自动复位到电路初始状态，使整个系统能够随时开启下一个控制循环。

三 教学实施进程

本实验课采用课堂集中上课和网络辅导(QQ 或微信)相结合的方式开展。实验的开展主要分成三个阶段进行：实验任务布置、系统设计与调试、课堂演示和验收答辩三个环节。

1 实验任务布置

实验前一周，采用课堂集中授课的方式，由实验任课教师讲解实验目的，布置实验任务和实验内容，提出实验设计要求，讲解实验原理，并进行必要的设计提示，讲解实验设计和调试过程中常遇到的问题和解决方法。

2 系统设计与调试

学生在课外完成相关的实验电路设计，实验课前利用Multisim 软件仿真电路、验证实验方案合理性，并编写QuartusII 软件程序。

在电路设计期间，学生遇到的一切与本实验设计相关的问题都可以通过QQ 或是微信向任课教师提问，教师会在情况允许的第一时间给予解答或是与之讨论。

3 课堂演示和验收答辩

课堂上，首先在数字电子技术实验箱上硬件实现设计电路。其次，在QuartusII 软件上调试程序，仿真实现控制电路。最后，将QuartusII 软件仿真成功后的程序下载进CPLD 控制板，硬件实现设计电路。每完成一项实验内容，任课教师均需要验收签字，并就设计中的某些问题向学生提问，学生现场回答。最后根据学生完成实验内容的多少和答辩情况给出操作实验成绩。实验结束后一周提交实验报告。

4 考核评价

本实验的考核成绩由三部分组成，预习设计占40%，课堂操作占50%，实验报告占10%。实验各阶段的成绩占比主要由各阶段的工作量多少来决定。

设计性实验前期的预习设计工作量较大，首先需查阅资料确定工程需求，如传感器型号、芯片型号，然后进行系统电路框图和各功能模块的电路原理图设计、方案论证、QuartusII软件程序编写和利用Multism 软件仿真验证实验方案的合理性等，所以所占成绩比例比较高。

课堂操作成绩主要是硬件搭接和调试，系统出错的因素比较多，故障排查也更加复杂，所以这部分成绩占全部成绩比例最高。

实验报告主要是看它的规范性和完整性以及课后问题的回答情况，实验成绩占比最低。

综上所述，本文以Multisim 与QuartusII 软件仿真设计平台为基础，结合数字电子技术硬件实验箱，本着低碳节能原则，设计并实现了小教室智能控制系统设计这一综合实验的整个流程。教学实践表明，本实验激发了学生的学习兴趣和学习热情，提升了学生的学习能力和应用能力，是培养学生学习能力和应用能力的较好素材。