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1、電子技術(shù)課程設(shè)計(jì)簡(jiǎn)易交通信號(hào)控制器電工與電子技術(shù)基礎(chǔ)課程設(shè)計(jì)報(bào)告 題 目 簡(jiǎn)易交通信號(hào)控制器 學(xué)院(部) 汽車(chē)學(xué)院 專 業(yè) 汽車(chē)服務(wù)工程 班 級(jí) 2011220601 學(xué)生姓名 劉微 學(xué) 號(hào) 201122060104 6月 24 日至 6 月 27 日 共 一 周 指導(dǎo)教師(簽字) 前 言 社會(huì)在飛速發(fā)展,交通也越來(lái)越便利,各式各樣的馬路,立交橋縱橫交錯(cuò),其中必不可少的就是交通信號(hào)燈。在繁忙的十字路口,紅綠燈指示著各種車(chē)輛和行人的安全,使交通井然有序,無(wú)需交警,交通信號(hào)燈的自動(dòng)控制是通過(guò)計(jì)算機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)的?,F(xiàn)在,我國(guó)的一些城市已經(jīng)運(yùn)用計(jì)算機(jī)自動(dòng)控制了,市交警管理工作逐步自動(dòng)化智能化。為了更了解信號(hào)
2、燈自動(dòng)控制的基本原理,學(xué)習(xí)利用數(shù)字電子技術(shù)設(shè)計(jì)并制作自動(dòng)控制裝置的方法??删幊踢壿嬈骷拇罅繎?yīng)用,傳統(tǒng)74系列標(biāo)準(zhǔn)邏輯器件在應(yīng)用系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中應(yīng)用越來(lái)越小,但是數(shù)字電子技術(shù)作為理論基礎(chǔ)原理并沒(méi)有改變。因此,基本單元電路,基本功能模塊及基本的分析方法仍然是本次設(shè)計(jì)的基本內(nèi)容,本次設(shè)計(jì)主要是簡(jiǎn)易交通燈控制。這將有利于學(xué)生更好的掌握數(shù)字電路的設(shè)計(jì)方法,將數(shù)字電路和模擬電路融會(huì)貫通,提高解決實(shí)際問(wèn)題的能力,同時(shí)也為更好的熟悉計(jì)算機(jī)和運(yùn)用各程序打下良好基礎(chǔ)。17 目 錄摘要1一、方案論證與選擇1二、系統(tǒng)概述21、原理框圖2 2、簡(jiǎn)要分析2三、單元電路設(shè)計(jì)及功能說(shuō)明3 1、秒脈沖產(chǎn)生模塊3 2、分頻模塊4
3、3、控制模塊6 4、計(jì)數(shù)和顯示模塊8四、系統(tǒng)仿真9五、系統(tǒng)綜述11簡(jiǎn)易交通指示燈總電路圖12編后語(yǔ)12元器件明細(xì)表14參考文獻(xiàn)14簡(jiǎn)易交通信號(hào)燈控制器摘要 在現(xiàn)代城市中,人口和汽車(chē)日益增長(zhǎng),市區(qū)交通也日益擁擠,人們的安全問(wèn)題也日益重要。因此,紅綠交通信號(hào)燈成為交管部門(mén)管理交通的重要工具之一。有了交通燈人們的安全出行有了很大的保障。通過(guò)采用數(shù)字電路對(duì)交通燈控制電路的設(shè)計(jì),提出使交通燈控制電路用數(shù)字信號(hào)自動(dòng)控制十字路口兩組紅、黃。綠交通燈的狀態(tài)轉(zhuǎn)換的方法,指揮各種車(chē)輛和行人安全通行,實(shí)現(xiàn)十字路口交通管理的自動(dòng)化。因此,在本次課程設(shè)計(jì)里,將以傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法為基礎(chǔ)來(lái)實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)交通控制信號(hào)燈。關(guān)鍵字:交通
4、信號(hào)燈 控制器 課程設(shè)計(jì) 數(shù)字電路技術(shù) 計(jì)數(shù)器 寄存器 任務(wù)設(shè)計(jì)與要求1.定周控制:主干道綠燈45秒,支干道綠燈25秒;2.每次由綠燈變?yōu)榧t燈時(shí),應(yīng)有5秒黃燈亮作為過(guò)渡;3.分別用紅、黃、綠發(fā)光二極管表示信號(hào)燈;4.設(shè)計(jì)計(jì)時(shí)顯示電路。一、方案論證與選擇提出方案 方案一:十字路口車(chē)輛通行情況只可能有4種情況,可以依次用s0=00,s1=01,s2=10,s3=11,l來(lái)記憶交通燈的工作情況。分別對(duì)這四種情況進(jìn)行編碼,得到轉(zhuǎn)換圖,顯然這是一個(gè)四進(jìn)制計(jì)數(shù)器,可以采用j-k觸發(fā)器74ls107來(lái)構(gòu)成,控制電路。方案二:采用555多諧振蕩器來(lái)產(chǎn)生t=1s的cp脈沖,然后分主干道和支干道兩路,每一路的原理
5、都相同,由一個(gè)雙向移位寄存器74ls194的輸出來(lái)實(shí)現(xiàn)狀態(tài)控制電路。通過(guò)它的移位來(lái)實(shí)現(xiàn)紅、黃、綠燈的轉(zhuǎn)換以及計(jì)數(shù)電路的工作狀態(tài);采用十進(jìn)制可逆計(jì)數(shù)器74ls190的級(jí)聯(lián)來(lái)實(shí)現(xiàn)燈的倒計(jì)時(shí)計(jì)數(shù);采用七段數(shù)碼顯示譯碼器7447芯片和數(shù)碼管來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)字顯示。方案三:采用555多諧振蕩器來(lái)產(chǎn)生t=1s的cp脈沖,用異步二-五-十進(jìn)制計(jì)數(shù)器實(shí)現(xiàn)5分頻的功能,從而減少控制狀態(tài);采用移位寄存器74ls164芯片的輸出與計(jì)數(shù)電路的邏輯關(guān)系來(lái)實(shí)現(xiàn)紅、黃、綠燈的狀態(tài)轉(zhuǎn)換;采用十進(jìn)制可逆計(jì)數(shù)器74ls190級(jí)聯(lián)來(lái)實(shí)現(xiàn)燈的倒計(jì)時(shí)計(jì)數(shù);采用七段數(shù)碼顯示數(shù)碼管dcd hex來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)字顯示。方案選擇 本次設(shè)計(jì)我們采用方案三。方
6、案一中的原件不是很清楚,不能靈活運(yùn)用和掌握,操作起來(lái)有難度;而對(duì)于方案二中的74ls194,要想實(shí)現(xiàn)紅、黃、綠燈的轉(zhuǎn)換;需要通過(guò)控制74ls194的s1、s0的狀態(tài)來(lái)實(shí)現(xiàn)置數(shù)、保持、右移,而這三種狀態(tài)的轉(zhuǎn)換不易實(shí)現(xiàn),相較而言,方案三最適合我們的要求。二、系統(tǒng)概述1、通過(guò)分析系統(tǒng)的邏輯功能,畫(huà)出其原理框圖如圖1交通燈控制系統(tǒng)的原理框圖如圖1所示。它主要有秒脈沖發(fā)生器,分頻器,控制器,計(jì)數(shù)器及倒計(jì)時(shí)顯示電路組成。秒脈沖發(fā)生器是該系統(tǒng)中控制器的標(biāo)準(zhǔn)時(shí)鐘信號(hào)源??刂破魇窍到y(tǒng)的主要部分。有它來(lái)控制計(jì)數(shù)電路工作。主干道計(jì)時(shí)顯示計(jì)數(shù)模塊主干道燈秒脈沖發(fā)生模塊控制模塊分頻模塊支干道計(jì)時(shí)顯示 支干道燈計(jì)數(shù)模塊
7、圖12、分析(1)、主干道綠燈亮,支干道紅燈亮。支干道禁止通行,綠燈亮足規(guī)定的時(shí)間間隔45s時(shí),轉(zhuǎn)到下一個(gè)工作狀態(tài)。(2)主干道黃燈亮,支干道紅燈亮。支干道禁止通行,黃燈亮足規(guī)定的時(shí)間間隔5s時(shí),轉(zhuǎn)到下一個(gè)工作狀態(tài)。(3)主干道紅燈亮,支干道黃燈亮。主干道禁止通行,支干道的黃燈亮足規(guī)定時(shí)間間隔的5s時(shí)轉(zhuǎn)到下一個(gè)狀態(tài)。(4)、主干道紅燈亮,支干道綠燈亮。主干道禁止通行,支干道上的車(chē)輛允許通過(guò)綠燈亮足規(guī)定的時(shí)間間隔25s時(shí),電路有轉(zhuǎn)到第一種工作狀態(tài)。交通燈的以上四種狀態(tài)是由控制器的移位寄存器74ls164芯片和一些門(mén)電路來(lái)進(jìn)行控制的,具體介紹見(jiàn)后續(xù)控制器功能說(shuō)明。三、單元電路設(shè)計(jì)及功能說(shuō)明1、秒脈
8、沖產(chǎn)生模塊秒脈沖發(fā)生電路時(shí)由555定時(shí)器構(gòu)成的多諧振蕩器。因?yàn)榭刂葡到y(tǒng)是以秒作為單位,所以用秒脈沖發(fā)生器且對(duì)信號(hào)的精度要求不高,故選用555定時(shí)器構(gòu)成。如圖2所示555定時(shí)器周期計(jì)算:t1(r1r2)cln2=0.7(r1r2)ct2=r2cln2=0.7r2ct=t1+t2=(r1+2r2)cln2=0.7(r1+2r2)c555定時(shí)器組成的秒脈沖cp的周期為1s,即t=1,所以可設(shè)置參數(shù)r1=28.86k r2=57.72k c=10uf cf=10uf圖22、分頻模塊通過(guò)芯片74ls290實(shí)現(xiàn)其功能。74ls290介紹下:74ls290是異步二-五-十進(jìn)制計(jì)數(shù)器。其邏輯電路圖、引腳圖和邏
9、輯符號(hào)如圖所示(a)、 (b)、(c)所示。它有一個(gè)二進(jìn)制計(jì)數(shù)器和五進(jìn)制計(jì)數(shù)器組成。若以cp0為計(jì)數(shù)輸入端、q0為輸出端,則得到一個(gè)二進(jìn)制計(jì)數(shù)器;若以cp1為輸入端,q3q2q1為輸出端,則得到異步五進(jìn)制計(jì)數(shù)器;將cp1與q0相連并以cp0為時(shí)鐘脈沖輸入端,則得到以一個(gè)十進(jìn)制計(jì)數(shù)器。有兩個(gè)清零端r0(1)、r0(2),兩個(gè)置9控制端s9(1) 、s9(2)。當(dāng)s9(1) = s9(2)=1時(shí),r0(1)= r0(2),=0時(shí),計(jì)數(shù)器輸出將被置9,其功能表如表1。復(fù)位輸入置數(shù)輸入 時(shí) 鐘 輸 出r0(1) r0(2)s9(1) s9(2) cp0 cp1 q3 q2 q1 q0 1 1 1 1
10、x 0 0 x 1 x x 0 1 1 1 1 x x x x x x x x 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 1 0 0 1r0(1)r0(2)=0s9(1)s9(2)=0 cp x x cp cp q0 q3 cp 二進(jìn)制計(jì)數(shù)器 五進(jìn)制計(jì)數(shù)器 十進(jìn)制計(jì)數(shù)器(8421碼) 十進(jìn)制計(jì)數(shù)器(5421碼)表174ls290的邏輯電路如圖3所示:圖3本電路只用五進(jìn)制計(jì)數(shù),將秒脈沖產(chǎn)生的cp給cp1,輸出端的變化如表2,根據(jù)q3的變化。所以將q3的輸出作為控制器的cp脈沖。 q3 q2 q1 q0r0(1)r0(2)=0s9(1)s9(2)=0cp 0 0 0 0 0 0 0 1 0
11、0 1 0 0 0 1 1 0 1 0 0分頻模塊如圖4:表2:圖43、控制模塊控制電路:采用移位寄存器74ls164芯片和一些門(mén)電路來(lái)實(shí)現(xiàn)紅、黃、綠燈的狀態(tài)轉(zhuǎn)換;74ls164功能介紹:8 位邊沿觸發(fā)式移位寄存器,串行輸入數(shù)據(jù),然后并行輸出。數(shù)據(jù)通過(guò)兩個(gè)輸入端(dsa 或 dsb)之一串行輸入;任一輸入端可以用作高電平使能端,控制另一輸入端的數(shù)據(jù)輸入。兩個(gè)輸入端或者連接在一起,或者把不用的輸入端接高電平,一定不要懸空。時(shí)鐘 (cp) 每次由低變高時(shí),數(shù)據(jù)右移一位,輸入到 q0, q0 是兩個(gè)數(shù)據(jù)輸入端(dsa和 dsb)的邏輯與,它將上升時(shí)鐘沿之前保持一個(gè)建立時(shí)間的長(zhǎng)度。主復(fù)位 (mr) 輸
12、入端上的一個(gè)低電平將使其它所有輸入端都無(wú)效,同時(shí)非同步地清除寄存器,強(qiáng)制所有的輸出為低電平。其邏輯圖及引腳圖如圖5,圖6. 圖5 圖6a1,a2分別表示主干道和支干道的紅燈,b1,b2分別表示主干道和支干道的綠燈c1,c2分別表示主干道和支干道的黃燈.則得真值表如表3:q0 q1 q2 q3 q4 q5 q6 q7a1 b1 c1a2 b2 c2 45s0 0 0 0 0 0 0 01 0 0 0 0 0 0 01 1 1 0 0 0 0 01 1 1 1 0 0 0 01 1 1 1 1 0 0 01 1 1 1 1 1 0 01 1 1 1 1 1 1 01 1 1 1 1 1 1 10
13、1 00 1 00 1 00 1 00 1 00 1 00 1 00 1 01 0 0 1 0 0 1 0 0 1 0 0 1 0 0 1 0 0 1 0 0 1 0 0 5s0 1 1 1 1 1 1 1 0 0 1 1 0 025s0 0 1 1 1 1 1 10 0 0 1 1 1 1 10 0 0 0 1 1 1 10 0 0 0 0 1 1 10 0 0 0 0 0 1 1 1 0 0 1 0 0 1 0 0 1 0 0 1 0 0 0 1 0 0 1 0 0 1 0 0 1 0 0 1 0 5s0 0 0 0 0 0 0 1 1 0 0 0 0 1 表3由此真值表的如下關(guān)系:a1=
14、q1q7 b1=q7+q0 c1=q0q1 a2=q7+q1 b2=q1q6 c2=q6q7控制器的電路如圖7所示:圖74、計(jì)數(shù)和顯示模塊采用十進(jìn)制可逆計(jì)數(shù)器74ls190來(lái)實(shí)現(xiàn)燈的倒計(jì)時(shí)計(jì)數(shù);主干道和支干道的計(jì)數(shù)原理相同。74ls190介紹如下: 74ls190是十進(jìn)制可加可減計(jì)數(shù)器。預(yù)置是異步的。當(dāng)置入控制端(ld)為低電平時(shí),不管時(shí)鐘cp的狀態(tài)如何,輸出端q0q3即可預(yù)置成與輸入端d0d3相一致的狀態(tài)。而它的計(jì)數(shù)是同步的,靠cp加在四個(gè)觸發(fā)器上實(shí)現(xiàn),當(dāng)計(jì)數(shù)控制端ct為低電平,在cp上升沿作用q0q3同時(shí)變化,從而消除了異步計(jì)數(shù)器中出現(xiàn)的計(jì)數(shù)尖峰。當(dāng)計(jì)數(shù)方式控制(u/d)為低電平進(jìn)行加計(jì)數(shù)
15、。當(dāng)計(jì)數(shù)方式控制(u/d)為高電平進(jìn)行減計(jì)數(shù)。只有在cp為高電平時(shí)ct和u/d才可以跳變。190有超前進(jìn)位功能。當(dāng)計(jì)數(shù)溢出時(shí),進(jìn)位/借位輸出端co/bo輸出一個(gè)低電平脈沖,其寬度為cp脈沖周期的高電平脈沖。行波時(shí)鐘輸出端rc輸出一個(gè)寬度等于cp脈沖周期的低電平脈沖。利用rc可級(jí)聯(lián)成n位同步計(jì)數(shù)器,當(dāng)采用并行cp控制時(shí),則將rc接到后一級(jí)的ct;當(dāng)采用并行ct控制時(shí),則將rc接到后一級(jí)的cp. 圖8 圖974190與指示燈控制端真值表如下:主干道支干道綠黃紅高位片h g f e低位片d c b a綠黃紅高位片h g f e低位片d c b a1000 1 0 00 1 0 10010 1 0 1
16、0 0 0 00100 0 0 00 1 0 11000 0 1 00 1 0 10010 0 1 10 0 0 00100 0 0 00 1 0 1表4通過(guò)對(duì)應(yīng)邏輯關(guān)系實(shí)現(xiàn)74190置數(shù)功能。采用兩片74ls190級(jí)聯(lián)來(lái)實(shí)現(xiàn)45s及其他倒計(jì)時(shí)電路,電路原理圖如圖所示圖10顯示電路采用七段帶譯碼數(shù)碼顯示dcd_hex來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)字顯示。七段數(shù)碼顯示dcd hex具有4位輸入端,是共陰極七段顯示。 只需按從左到右按高位到低位連接即可。如圖10所示圖10四、系統(tǒng)仿真通過(guò)multisim軟件仿真,得如下結(jié)果1 主干道綠燈,支干道紅燈狀態(tài)圖112 主干道黃燈,支干道紅燈狀態(tài)圖123 主干道紅燈,支干道綠燈
17、狀態(tài)圖13 4 主干道紅燈,支干道黃燈狀態(tài)圖14五、系統(tǒng)綜述所設(shè)計(jì)系統(tǒng)通過(guò)將555多諧振蕩器產(chǎn)生的秒脈沖用74290五分頻后實(shí)現(xiàn)對(duì)移位寄存器74164的控制,再將八位寄存器74164通過(guò)非門(mén)接成十六位扭環(huán)形移位寄存器,得到十六種均勻的輸出狀態(tài),將其不同輸出狀態(tài)通過(guò)邏輯門(mén)得到紅綠燈的工作狀態(tài),同時(shí)可以根據(jù)紅綠燈的工作狀態(tài)轉(zhuǎn)化為數(shù)碼管所需顯示時(shí)間,通過(guò)計(jì)時(shí)顯示電路實(shí)現(xiàn)數(shù)碼顯示功能。而計(jì)時(shí)電路通過(guò)十進(jìn)制加減可逆計(jì)數(shù)器74190的減法計(jì)數(shù)功能得以實(shí)現(xiàn)。 簡(jiǎn)易交通信號(hào)燈控制器總電路圖圖15編后語(yǔ)總結(jié)、收獲與體會(huì)電工與電子技術(shù)課程設(shè)計(jì)實(shí)踐周,是以學(xué)生自己動(dòng)手動(dòng)腦,它將基本技能訓(xùn)練,基本工藝知識(shí)和創(chuàng)新啟蒙有
18、機(jī)結(jié)合,培養(yǎng)我們的實(shí)踐能力和創(chuàng)新精神。作為信息時(shí)代的大學(xué)生,僅會(huì)書(shū)本理論是不夠的,基本的動(dòng)手能力是一切工作和創(chuàng)造的基礎(chǔ)和必要條件。我們的任務(wù)是設(shè)計(jì)一個(gè)簡(jiǎn)易交通信號(hào)燈控制器,盡管這個(gè)在理論上來(lái)講并不是很難,但是實(shí)際設(shè)計(jì)的時(shí)候,我們還是遇到了不小的難題。首先,雖然課本上有相關(guān)電路的知識(shí),老師也給我們講過(guò)這方面的知識(shí),但是,真正遇到讓我們自己設(shè)計(jì)一個(gè),一切從零控制器開(kāi)始時(shí),我們就有點(diǎn)茫然不知所措了。書(shū)到用時(shí)方恨少,我們深深體會(huì)到了課堂上所學(xué)知識(shí)的局限性。對(duì)于一些電子元件的選擇,電路的連接,電路圖的繪制等等方面,我們一開(kāi)始都沒(méi)法下手。后來(lái),我們通過(guò)查閱資料,通過(guò)網(wǎng)絡(luò)的范本,慢慢地了解、認(rèn)識(shí),最終完成了
19、這份課程設(shè)計(jì)。通過(guò)這次設(shè)計(jì),我的體會(huì)主要有以下幾點(diǎn)。第一、課本知識(shí)的局限性。我們課堂上所學(xué)的知識(shí)只是限于理論上的,但是實(shí)際應(yīng)用起來(lái),有很多問(wèn)題需要考慮,因此,必須通過(guò)各種方法來(lái)了解這些細(xì)節(jié)問(wèn)題。第二、平時(shí)要保持良好的學(xué)習(xí)習(xí)慣和學(xué)習(xí)態(tài)度。這次設(shè)計(jì)充分地暴露了我們電工技術(shù)知識(shí)的不足。因此,平常我們學(xué)習(xí)的時(shí)候,不應(yīng)該局限于課堂知識(shí),而應(yīng)該廣泛地涉略,時(shí)刻保持良好的學(xué)習(xí)積極性和心態(tài)。第三、要學(xué)習(xí)一些實(shí)用軟件。本次設(shè)計(jì)需要畫(huà)電路圖,我們由于不會(huì)使用protel 和protues,所以畫(huà)電路圖很麻煩。平常,我們應(yīng)該多學(xué)習(xí)這類實(shí)際應(yīng)用型的軟件,這對(duì)于日后發(fā)展都是有很大作用的。這次課程設(shè)計(jì)使我懂得了理論與實(shí)際
20、相結(jié)合是很重要的,只有理論知識(shí)是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的,只有把所學(xué)的理論知識(shí)與實(shí)踐相結(jié)合起來(lái),從理論中得出結(jié)論,才能真正為社會(huì)服務(wù),從而提高自己的實(shí)際動(dòng)手能力和獨(dú)立思考的能力。在設(shè)計(jì)的過(guò)程中遇到問(wèn)題,可以說(shuō)得是困難重重,這畢竟第一次做的,難免會(huì)遇到過(guò)各種各樣的問(wèn)題,同時(shí)在設(shè)計(jì)的過(guò)程中發(fā)現(xiàn)了自己的不足之處,對(duì)以前所學(xué)過(guò)的知識(shí)理解得不夠深刻,掌握得不夠牢固在此次課程設(shè)計(jì)中,對(duì)于簡(jiǎn)易交通指示燈,我們采用的方案也許不是最佳的,但是是我們努力的成果。我們的方案存在的缺點(diǎn)有電路比較復(fù)雜,用的芯片比較多。在計(jì)數(shù)電路和顯示電路方面也以用更方便的集成電路來(lái)替代,但由于時(shí)間緊迫,我們沒(méi)有完成。本次課程設(shè)計(jì)促使我們開(kāi)動(dòng)腦筋想出
21、自己的方案, 鞏固和加強(qiáng)“模擬電子技術(shù)”、“數(shù)字電子技術(shù)”課程的理論知識(shí)。不僅使我們知道課本上知識(shí)的原理,也使得我們對(duì)各種方案有進(jìn)一步的理解并進(jìn)行選擇。在做設(shè)計(jì)之前我們?cè)趫D書(shū)館找了大量的資料,并從中得到啟發(fā)進(jìn)一步得出自己的總體方案,我們對(duì)方案進(jìn)行了分塊,對(duì)單元電路也做了詳細(xì)的介紹。同時(shí)我們也進(jìn)一步熟悉并掌握了multisim軟件的應(yīng)用,對(duì)所設(shè)計(jì)電路進(jìn)行了仿真,由于時(shí)間的限制在設(shè)計(jì)的某些方面設(shè)計(jì)的還不理想。在這次設(shè)計(jì)中,我初步把數(shù)電知識(shí)理論與實(shí)踐聯(lián)系起來(lái),使我所學(xué)的數(shù)字邏輯知識(shí)得到了的一定程度的運(yùn)用。也培養(yǎng)了我對(duì)數(shù)電的學(xué)習(xí)興趣。同時(shí)也讓我們團(tuán)隊(duì)合作的重要性。很喜歡這樣上課,可以鍛煉自己各個(gè)方面的能力,希望以后有更多這樣的實(shí)訓(xùn)機(jī)會(huì),最好是走出校園的實(shí)訓(xùn)。問(wèn)題與反思:本次課程設(shè)
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