“三地一灯”控制电路的设计

实验题目：“三地一灯”控制电路的设计

课程简要信息

课程名称：《电工电子技术》

课程类型：专业基础课

课程学时：72

项目学时：课内4

适用专业：机设、机电、冶金、材料、储能、矿加、采矿等非电专业

学生年级：大二上

实验内容与任务

任务1:“两地一灯”，即用2个开关控制一个电灯的电路，要求改变任何一个开关的状态都能控制电灯由亮变灭或者由灭变亮。

1. 用电路实现；

2. 用门电路实现；

3. 用译码器实现（选做）。

任务2:“三地一灯”，即用3个开关控制一个电灯的电路，要求改变任何一个开关的状态都能控制电灯由亮变灭或者由灭变亮。

1. 用电路实现；

2. 用门电路实现；

3. 用数据选择器实现（选做）。

讨论任务：如何实现“N地一灯”方案？

1. 用能源线或电子线路实现；

2. 智能家居，用WiFi或智能网关实现N地控制。

实验过程及要求

1. 明确实验任务，了解实验设备和器件，复习组合逻辑电路设计的流程步骤；

2. 根据任务要求设计不同方案的电路原理图，组合逻辑电路的设计需要有设计过程，包括真值表或卡诺图，表达式及化简，最终设计出可执行的电路原理图；

3. 根据实际器材设计电路接线图，查阅资料根据实验室提供的单刀单掷、单刀双掷开关，异或门电路芯片，138译码器，151数据选择器的芯片型号，完成管脚接线图的设计；

4. 根据设计图完成接线；

5. 电路测试、故障排查；

6. 教师验收，是否完成了正确的逻辑，灯点亮并成功控制，电路设计与搭建是否简洁、可靠；

7. 整理设计图纸和设计资料，撰写实验报告。

相关知识及背景

本实验结合了电工实际应用的经典电路，以及数字电路中组合逻辑电路的基础知识，结合了在实际工程中的设计施工流程，找到最简单、经济的设计方案。

实验环境条件

宝徕实验台上：+5V电源，单刀单掷开关2个，单刀双掷开关2个，14脚芯片底座x2，16脚芯片底座x2，输入单元，输出单元（灯及驱动电路）。

集成芯片：

4011（4组二输入“与非”门集成芯片）x1，

4030（4组二输入“异或”门集成芯片）x1，

4071（4组二输入“或”门集成芯片）x1，

4081（4组二输入“与”门集成芯片）x1，

74LS138译码器x1，

74LS151数据选择器x1。

其他工具材料：万用表，导线若干。

教学目标与目的

让学生对实际应用中两地一灯和多地一灯电路进行实践，辅助理解“三地一灯”的逻辑抽象，掌握组合逻辑电路的设计与测试方法，体验和掌握简单芯片的使用，体会电工技术解决实际问题的价值，培养安全用电意识。

教学设计与实施进程

从较为简单的“两地一灯”引入“三地一灯”的电路设计和逻辑关系，整个过程循序渐进，即结合了生活中的实际电路又对组合逻辑电路的设计步骤进行了实践。总体分为课前、第1次课、第2次课、课后，四个阶段。

【课前】

超星发布实验任务、器材资料照片等，引导学生复习课堂上相关的知识点，搜索相关的设计资料。

【第1次课】（2学时）

用电路实现任务1、2；熟悉门电路芯片，为用组合逻辑电路设计做准备。

1. 情境导入（5分钟）

a提问：已知如何实现两地控制一盏灯（复式楼楼梯灯）？

b场景延伸：若需在别墅三层楼梯均能控制同一盏灯，如何设计？

c目标引出：学习三地一灯控制电路。

2. 原理剖析（10分钟）

a复习双控电路“两地一灯”：

图解两地一灯电路，强调单刀单掷开关的作用（改变电流路径）。

b引入中途开关：

中途开关（单刀双掷开关）具有4个接线端，内部两组触点同步切换；

关键作用：在双控开关之间插入，实现路径中继拓展；

动画图解三地一灯电路，注意强调单刀双掷开关的使用；（[难点]{.underline}）

接线口诀：双控两端，中途串中间，触点交叉连。

3. 实验操作（分组实验，每组2人，时间不限）

a工具准备：单刀单掷开关x2、单刀双掷x2、+5V电源、输出单元（灯及驱动电路）、导线若干、万用表

b接线步骤：

确认开关类型（用万用表测试触点通断状态）；

先接两地一灯电路；

在两地一灯电路的基础上，加入中途开关（单刀双掷开关），完成三地一灯；

通电前检查线路。

c故障排查与验收：（[验收点1]{.underline}）

灯不亮：检查是否形成闭合回路，触点是否接触不良；

部分开关无法控制：中途开关触点接线错误。

4. 作业布置

a为“两地一灯”、“三地一灯”电路的开关逻辑画真值表或卡诺图；

b观察下次实验将会用到的集成芯片，记录芯片型号，回去查阅相关资料；

c课后完成：

用门电路、译码器或数据选择器完成任务1、2剩余电路的设计。（[难点]{.underline}）

【第2次课】（2学时）

用组合逻辑电路实现任务1、2。

1. 情境导入（5分钟）

a实际工程中控制线路与动力线路的分离：

讲解本次实验的输入、输出单元；

b用卡诺图展示上节课完成的任务1、2的输入输出逻辑：

讲解相邻性。

2. 原理剖析（10分钟）

a异或门的逻辑功能；

b 138译码器的逻辑功能和使用注意事项；

c 151数据选择器的逻辑功能和使用注意事项。

3. 实验操作（分组实验，每组2人，时间不限）

a工具准备：+5V电源、输入单元、输出单元（灯及驱动电路）、导线若干、万用表

b接线步骤与验收：

根据设计好的电路图用逻辑门电路完成任务1，并在此基础上完成任务2，并测试；（[验收点2]{.underline}）

根据设计好的电路图用138译码器完成任务1，并测试；（[验收点3]{.underline}）

根据设计好的电路图用151数据选择器完成任务2，并测试。（[验收点4]{.underline}）

c故障排查：

灯不亮：检查是否形成闭合回路，芯片电源和控制端是否正确接入；

灯半亮或闪烁：接成了“线与”或“线或”，输入输出互相影响造成的；（[难点]{.underline}）

部分开关无法控制：逻辑错误，避免输入管脚悬空。

4. 作业布置

整理本次实验全部的设计资料、修改电路图纸，撰写实验报告。

【课后】

超星发布实验报告提交通道（作业附件），要求学生一周之内提交。

实验原理及方案

【电路方案】

1. 两地一灯电路原理图、接线图、真值表：

2. 三地一灯电路原理图、接线图、真值表：

3. N地一灯方案：

根据三地一灯的接法，在双线上继续加入N个中继的单刀双掷开关，接线方法不变。

【门电路方案设计】（设计方案不唯一，以下为最简单、经济的方案）

设开关A、B、C，位置0和1；灯L，灯亮1和灯灭0。

1. 卡诺图：

2. 表达式：

两地一灯：（异或门x1）

三地一灯：（异或门x2）

N地一灯：（异或门若干）

3. 逻辑图：

4. 4030（CMOS异或门）芯片管脚：

5. **接线图（三地一灯）：**输出单元模块已包含驱动电路，直接接入电平信号即可点亮相应的LED灯；A、B、C开关也可用输入单元代替。

【译码器实现两地一灯的控制方案】

1. 74LS138（3/8译码器）芯片管脚：

2. 设计说明：

A2=A，A1=B，A0=C=1时：

3. 原理接线图（两地一灯）：

【数据选择器实现三地一灯的控制方案】

1. 74LS151（八选一数据选择器）芯片管脚：

2. 设计说明：

A2=A, A1=B, A0=C时：

即

3. 原理接线图：

【通过WiFi或智能网关实现N地一灯的控制方案】

灯的电源采用智能插座控制，当手机连入无线局域网，即可在屋内任意地方，通过手机app远程控制灯的亮灭，还可设计智能场景，实现灯泡亮灭的互联互动。

实验报告要求

实验报告按顺序需包括以下内容，且所有电路图需标注器件型号或名称：

任务1：两地一灯控制电路的设计

1. 用电路实现的原理图和功能的说明，配接线照片。

2. 用门电路实现的设计过程：真值表或卡诺图，表达式，逻辑图，选用芯片的管脚介绍（设计依据），管脚接线图，接线照片。

3. 用译码器实现的设计过程：138芯片管脚介绍，表达式整理（设计说明），接线原理图，接线照片。（选做）

任务2：三地一灯控制电路的设计

1. 用电路实现的原理图和功能的说明，配接线照片。

2. 用门电路实现的设计过程：真值表或卡诺图，表达式（化简整理），逻辑图，选用芯片的管脚介绍（设计依据），管脚接线图，接线照片。

3. 用译码器实现的设计过程：151芯片管脚介绍，表达式整理（设计说明），接线原理图，接线照片。（选做）

拓展思考：N地一灯控制电路的设计

1. 用电路实现N地一灯的设计方案，配图说明。

2. 说一说智能家居中如何实现的N地一灯的方案。

考核要求与方法

【设计验收30%】任务1、2，共计6个电路图，验收标准如下：

1. 小组电路图设计是否正确；

2. 符号和器件绘制是否规范；

3. 方案是否合理可行；

4. 电路设计是否进行了优化；

5. 接线表达清晰明了。

【实验验收40%】电路实现三地一灯的控制、逻辑门实现三地一灯的控制、译码器实现两地一灯的控制、数据选择器实现三地一灯的控制，共4个验收点，验收标准如下：

1. 小组电路能否100%实现两地或三地控制；

2. 是否依据设计方案接线，可按图查线；

3. 是否发生过短路，操作是否符合安全规范。

【实验报告30%】评分标准如下：

1. 内容完整，包括任务1、2的全部设计方案；

2. 包含设计过程，且清晰、详实；

3. 设计依据和引用充分；

4. 语言、图表、排版符合撰写规范；

5. 是否有选做任务的尝试和拓展讨论的内容。

项目特色或创新

通过递进式问题链（两地→三地→N地）引导学生构建知识体系，结合传统电路与智能技术对比，培养工程思维。