交通信号灯电路的设计

2024-05-17

交通信号灯电路的设计(共11篇)

交通信号灯电路的设计 篇1

电子综合实训任务书

学生姓名:专业班级:指导老师:贾信庭工作单位:武汉理工大学理学院

题目:交通信号灯电路的设计

初始条件:直流可调稳压电源一台、万用表一块、面包板一块、元器件若干、剪刀、镊子等必备工具

要求完成的主要任务:(包括电子综合实训工作量及其技术要求以及说明书撰写

等具体要求)

1、技术要求:

设计一种利用发光二极管作为交通信号灯的指示,实现南北、东西车道的交替通行,要求实现南北车道方向循环显示的顺序是绿灯、黄灯、红灯;东西车道方向循环显示的顺序是红灯、绿灯、黄灯。

2、主要任务:

(一)设计方案

(1)按照技术要求,提出自己的设计方案(多种)并进行比较;

(2)以NE555时基集成电路、74LS138和74LS161为主,设计一种交通信

号灯(实现方案);

(3)依据设计方案,进行预答辩;

(二)实现方案

(4)根据设计的实现方案,画出电路逻辑图和装配图;

(5)查阅资料,确定所需各元器件型号和参数;

(6)在面包板上组装电路;

(7)自拟调整测试方法,并调试电路使其达到设计指标要求;

(8)撰写设计说明书,进行答辩。

3、撰写电子综合实训说明书:

封面:题目,学院,专业,班级,姓名,学号,指导教师,日期 任务书

目录(自动生成)

正文:

1、技术指标;

2、设计方案及其比较;

3、实现方案;

4、调试过程及结论;

5、心得体会;

6、参考文献

成绩评定表

时间安排:

电子综合实训时间:19周-20周19周:明确任务,查阅资料,提出不同的设计方案(包括实现方案)并答辩; 20周:按照实现方案进行电路布线并调试通过;撰写电子综合实训说明书。

指导教师签名:年月日

系主任(或负责老师)签名:年月日

交通信号灯电路的设计 篇2

随着人们生活水平的不断提高, 私家车的大量出现, 现在城市的交通安全也成了一个众人关注的问题。因此, 一个好的交通灯控制系统, 将给道路拥挤、违章控制等方面给予技术革新。设计的简易交通信号灯的功能是控制一条道路的交通状况, 而且对此道路的交通状况进行了两种实施方案, 一种是按红、黄、绿、红、黄、绿的单向交通灯循环控制;另一种是按红、黄、绿、黄、红的双向交通灯循环控制;在时间上的分配是红、绿灯各亮十秒, 黄灯亮五秒。

2 设计要求与设计方案

2.1 设计要求

2.1.1 3个输出端分别表示红、绿、黄三灯, 交通灯亮的顺序是红、黄、绿、红、黄、绿单向循环点亮。

2.1.2 输出用发光二极管显示。

2.1.3 三种灯亮的时间是红、绿灯每次亮l0s, 黄灯每次亮5s。

2.1.4 有3个输出端分别表示红、绿、黄三灯, 交通灯亮的顺序是红、黄、绿、黄、红双向循环点亮。

2.1.5 具有手动控制功能, 能使某种颜色的灯亮时间为定值。

2.2 设计方案

设计的电路由芯片CD4017, 74LS32, 发光二极管构成简易交通灯的基本电路, 定时提供脉冲信号电路由NE555定时器构成。只需设计一个电源开关, 当打开开关后, 5V的直流电流通过NE555转变成有固定频率的方波, 再通过滑动变阻器改变方波的频率达到设计所需的固定频率, 五秒一个方波, 然后利用CD4017实现自动循环功能, 连续接两个红的发光二极管就能达到连续亮十秒的目的了, 而且又能按照红黄绿单向的顺序自动循环。交通灯控制电路逻辑连接图如图1所示。

单向循环电路图如图2所示。

双向循环电路图如图3所示。

电源电路图如图4所示。

3 工作过程

NE555把固定的信号频率输送给译码器, NE555的2脚和6脚并接在滑动变阻器上, 通过控制变阻器的阻值来间接控制频率大小, 从而达到控制红绿灯10s, 黄灯5s的效果, 当然也可以设置成其他时间只要有需要。输出的固定频率输送给CD4017, 从而控制译码器的输出, 其功能是:当复位端Cr加上高电平和正脉冲时, 输出端Q0为高电平, 其余9个输出端Q0~Q9均为低电平。时钟输出端CP对输入时钟脉冲的上升沿计数, EN则对时钟脉冲的下降沿计数。Q0~Q9这10个输出端的输出状态分别与输入的时钟个数相对应。如从0开始计数, 则输入到第1个时钟脉冲时, Q1就变成高电平, 输入第2个时钟脉冲时, Q2变成高电平……直到输入第10个时钟脉冲, Q0变为高电平。同时, 进位端C0就输出一个进位脉冲, 作为下一级计数的时钟信号。Cr为复位端, 也为清零端。当Cr输入高电平时, 电路复位, 即输出端Q0为高电平, Q1~Q9为低电平。如此反复, 只要集成块NE555的3脚送来的二进制信号不消失, CD4017将二进制信号转换为十进制信号的计码工作就会反复进行下去。通过或门的连接, 从而实现红黄绿灯的单向循环和双向循环。

4 结论

所设计的交通信号灯电路能很好解决交通拥堵问题, 对于疏导交通流量、提高道路通行能力, 减少交通事故会有明显效果。

摘要:进入二十一世纪以来, 随着国家的综合国力的不断增强, 人们的收入也不断增加, 生活水平日益提高, 为了提高生活质量和出行方便, 很多家庭都开始学驾照并购买了私家车, 私家车的与日俱增使得繁忙的道路交通变得越来越复杂, 因此设计适当的交通灯电路来缓解这种交通压力很有必要, 的设计方案是采用CD4017集成芯片实现三种信号灯的自动循环功能, 采用NE555产生计时信号, 同时用74系列常用集成电路的数码进行显示, 该电路能很好的实现简易交通信号灯功能。

关键词:交通灯,集成芯片,电路

参考文献

[1]高吉祥.电子技术基础实验与课程设计[M].北京:电子工业出版社, 2002.2

[2]康华光.电子技术基础:数字部分 (第四版) [M].北京:高等教育出版社, 2003.3

十字路口交通信号灯电路设计 篇3

关键词:交通信号灯;分频器;控制电路;译码器

引言:交通信号灯电路设计已有很多方案,但有的方案存在设计繁琐、性能不太稳定现象,从实用性、稳定性等方面考虑,设计了一个全新的交通信号灯方案。

1 设计要求

设计一个十字路口交通信号灯控制电路,因为两支干道车道数不同,车流量不同,故按照实际需要一条车道设置为主干道,另一条车道为支干道,十字路口红、绿、黄灯工作情况有所不同,具体要求如下:(1)两条交叉道路上的车辆交替运行,主干道放行28s,支干道放行20s。(2)绿灯熄灭后,黄灯先亮4s(另一干道的红灯不变),当黄灯灭后红灯才亮,此时方可变换运行车道。(3)黄灯亮时,每秒闪烁一次,提醒驾驶员减速停车等待红灯。(4)夜间所有红、绿灯熄灭,两条道路的黄灯亮,且每秒闪烁一次。

2 参考元器件

(1)集成电路 7474×2、74LS164×1、74LS08、74LS32、74LS04若干。(2)4MHz石英晶振 1片。(3)电位器、电阻、电容若干。

3 基本原理及设计方法

十字路口由一条主干道和一条支干道汇合而成,在每个入口处设置红、绿、黄三色信号灯。红灯亮表示禁止通行,绿灯亮表示允许通行,黄灯亮表示提醒变道(给行驶中的车辆有时间停在禁行线以内),主干道放行时间较长。

要实现设计要求的放行时间,各干道红、黄、绿灯的运行情况如图1所示。其中主干道:绿灯亮28s、黄灯闪烁4s、红灯亮24s;支干道:绿灯亮20s、黄灯闪烁4s、红灯亮32s;夜间模式:红灯和绿灯熄灭,黄灯每秒闪烁,提醒注意。

交通信号灯控制电路框图如图2所示。控制系统由秒脉冲发生器、分频器、控制电路、译码电路和信号显示电路等部分组成[2]。秒脉冲发生器给系统提供1Hz的标准时钟信号源,译码电路输出两组信号灯的控制信号,经驱动电路驱动信号灯工作。控制器是系统的主要部分,由它控制译码电器的工作,现分别介绍主要单元电路。

3.1 分频器

十字路口主干道红、黄、绿灯亮的时间分别为24s、4s和28s,选4s为一个时间单位,其亮灯时间比例分别为6:1:7,支干道比例为8:1:5。每4秒一个时间单位的输出可采用集成电路7474构成四分频器来实现,如图3所示,图中CP0为1Hz的标准时钟脉冲。

3.2 控制电路

控制器是交通信号灯管理的核心,由图1所示的交通信号灯运行框图可知,主干道和支干道红、黄、绿灯亮的工作循环周期为14个时间单位,因此选用14进制计数器来构建工作周期。计数器的种类很多,这里我们选用中规模74LSl64组成扭环形计数器[3]。

74LS164是一个八位移位寄存器,引脚排列如图4所示,其中:A、B ——串行输入数据端;[RD] ——异步清零端;CP ——移位脉冲输入端(即CP 端);QA~QH——数据输出端。

74LS164移位寄存器可以实现以下逻辑功能:

(1)[RD]=0,实现异步清零,即:

[Qn+1A=Qn+1B=Qn+1C??????Qn+1H=0]

(2)[RD]=1且CP上升沿时,输出为:

[Qn+1A=AB,Qn+1B=QnA,Qn+1C=QnB??????Qn+1H=QnG]

将74LS164的[QG](12脚)通过非门引回A、B作为输入信号,即可构成14进制扭环形计数器,电路如图5所示,工作循环如表1中74LS164的[QA~QH]的输出状态。

当夜间开关“S”断开时,[RD]=1,扭环形计数器工作,当开关“S”闭合时,[RD]=0,计数器异步清零。[RD]作为夜间控制信号送译码电路。

3.3 译码电路

在一个工作循环周期内(14个时间单位),红、绿、黄灯的变化规律如状态表1所示。要使信号灯按照设计要求运行,只需找出74LS164的输出与信号灯之间的逻辑关系即可。

根据控制信号灯的译码电路状态表,从[QF]、[QG]、[QH]中尋找满足红、绿、黄灯变化规律的逻辑控制关系,从而找到各信号灯的函数关系。

(1)主干道信号灯的逻辑表达式

红灯:[1R=QG?QH?RD]; 黄灯:[1Y=(QG?QH+RD)?CP0]; 绿灯:[1G=QG?RD]。

(2)支干道信号灯的逻辑表达式

红灯:[2R=(QG+QH)?RD]; 黄灯:[2Y=(QG?QF+RD)?CP0];绿灯:[2G=QF?QH?RD]。

根据主干道和支干道的逻辑表达式连接十字路口信号译码电路,如图6所示。在白天,夜间控制开关“S”断开[RD]输出高电平,红、黄、绿灯按设计的逻辑表达式正常工作,当夜晚来临时,夜间控制开关“S”闭合,[RD]输出低电平,关闭红灯和绿灯,黄灯闪烁。

4、组装和调试要求

在数字实验仪上按各功能单元分别连接秒脉冲发生器、分频器、控制和译码电路。然后按照以下步骤进行调试:(1)用数字频率计测试秒脉冲发生器获得的脉冲是否为1Hz。(2)将秒脉冲信号送入分频器,观察输出脉冲是否为4s一个周期(1个时间单位)。(3)将秒脉冲信号送入控制电路,观察74LS164组成的14进制扭环形计数器是否按照控制信号灯的译码电路状态表中的规律变化。(4)将秒脉冲信号送入十字路口信号译码电路中的CP0,时间单位脉冲送入控制电路,观察黄灯是否按1s闪烁,信号灯是否按要求变化。(5)整机联调,使交通信号灯控制系统能正常工作。

5、结束语

当今社会科技发展到了较成熟阶段,中国已经倡导并开始实施建设智慧城市,交通安全一直是社会关注的焦点,一个成熟的交通信号灯设计方案对于制作电路是很重要的。本论文的设计理念、设计电路等各方面优化与之前的设计,通过多次的制作验证,本电路能长期稳定可靠工作,效果良好,能对交通信号灯的设计人员起到很高的参考价值。

参考文献

[1]周华,李良荣,张荣芬.电工与电子技术因材施教方法探索[J].中国教育改革与教学研究,2012(7):1-3.

[2]数电交通灯课程设计[EB/OL]. http://wenku.baidu.com/view/791af8d276eeaeaad1f330ed.html

[3]周华.《数字电子技术》[M]. 成都:西南交通大学出版社.2009

城乡交通灯控制系统电路设计 篇4

1.1 时间发生器电路

时间发生器电路由一片74191、时钟脉冲产生电路和几个门电路构成,其中时钟脉冲产生电路如图2所示。时钟脉冲产生电路用一片555定时器业构成多谐振荡器,设计脉冲周期为4s,其计算公式为:T1=(2R2+R1) Cln2=0.7×5.7MΩ×1μF,以此信号作为74191的CP。74191的四个状态输出端QAQBQCQD可用四个门电路进行译码。当QAQBQCQD=0000时,电路输出低电平信号给D触发器和控制电路的IO输入端;而当QAQBQCQD=1000时,电路输出高电平信号给黄灯驱动电路。74191接成减计数工作状态,LD信号由控制电路的O1提供,应将置数输入端A、C接高电平Vcc,B、D端接D触发器的输出端,还可根据D触发器的不同输出状态置入数5和数15。

2.2 控制电路

控制电路主要由单稳态触发器、RC电路和反相器构成、电路如图3所示。该电路有两个输入端和三个输出端。当QAQBQCQD=0000时,输入端IO为低电平,此时信号将直接经O1输出给LD以进行异步置数,因此74191的0000状态持续时间很短暂。输入端I1由光电检测电路的输出信号提供,当有车辆时,输出低电平;无车辆时输出高电平。输出信号O1=I1,而输出信号O2而由I1经反相器、RC电路和一单稳态电路得来。O1的作用是当乡间道无车辆时,保持主干道绿灯亮,乡间道红灯亮。当主干道绿灯变亮并检测到乡间道有车辆(即I1=0)时 ,O2触发单稳态电路并维持主干道绿灯亮66s,即T2 = RCln3=1.1×6MΩ×10μf=66(s)。

图3

2.3 光电检测电路

光电检测电路由光源和光电三极管构成,该电路可根据需要选择现成产品,如CP850系列的CP851,该器件的光电传感器输距离可达15m。

2.4 交通灯控制及驱动电路

交通灯控制电路由一个D触发器、一个三输入或门和两个反相器组成,其电路如图3所示。D触发器的作用是在乡间道非常繁忙时,对红绿灯的转换进行控制。三输入端或门的作用是当乡间道无车辆和主干道绿灯刚亮而乡间道就有车通过时维持主干道绿灯亮时间大于60s。

由于红绿灯的功率较大(十几瓦),一般集成门电路无法驱动,因此需要设计一个特定的驱动电路,该电路可用功率管和高驱动能力的电源构成,具体电路如图4所示。功率管及电源大小可根据交通灯的功率进行计算。电路仿真时,可用一小灯泡直接接在

门电路的后面。

3 结束语

交通信号灯电路的设计 篇5

教学目标: 1.知识与技能

(1)认识常见的电路符号,会画简单的电路图。(2)能连接简单的串、并联电路。(3)初步培养学生的电学实验操作技能。

(4)初步了解开关在电路中不同位置时的控制作用。2.过程与方法

(1)学习用实验的方法探究串、并联电路的区别,并通过实验培养学生的观察能力和科学探究能力。

(2)让学生经历从简单的物理现象和实验中归纳科学规律、并能口头或书面表达自己的观点的过程,体会到分析、归纳、论证在科学探究中的重要性。

3.情感、态度与价值观

(1)通过实验培养学生相互合作的精神和对科学的求知欲,体验战胜困难,解决物理问题的喜悦。

(2)通过列举生活、生产中的简单串、并联电路的实际应用,让学生认识科学技术对于人类生活、生产的影响。(3)使学生得到安全用电的初步教育。教具及实验器材:

多媒体课件,视频展示台,初中物理电学磁性元件一套,1.5V干电池60节,2.5V的小灯泡(灯座)60个,开关60个,导线若干。重点、难点:

重点:识别,连接串联电路和并联电路,画简单的串、并联电路图 难点:连接并联电路并画出电路图 教学方法:科学探究法 课时:1 教学过程:

一、复习并引入:

1.复习常见电路元件符号的画法。

2.出示一长串小彩灯,并接通电源使它发光。3.多媒体放映家庭照明电路中用电器工作情况。4.激发兴趣引入新课。

实际电路中,用电器往往不止一个,甚至有很多,如何将这些用电器连接起来是我们必须要考虑的问题。

二、探究教学

1.问题:你能否选用一些器材使一盏灯亮?

2.介绍常见实验器材。(提示学生任何情况下都不能把电池的两端连到一起;连接电路时开关要断开。)

3.学生在黑板上连通电路使灯泡发光后,要求全体学生画出电路图。4.提问:如果给你两盏灯和一个电源,你能同时使两灯都发光吗?有几种接法?(初步练习简单的电路设计,培养学生动手动脑的能力和相互协作的情感态度,体验战胜困难、解决问题的喜悦)师巡视,有目的地请两组学生到前面连接两种电路,画出电路图。5.学生上台利用磁性元件在黑板上连接电路,使灯泡发光,并画出电路图。

6.利用多媒体进行分析、归纳。引导学生观察这两种连接方式有什么不同?学生思考回答,师生共同小结:

①两个灯泡首尾相连,再接入电路中,则两个灯泡是串联 ②两个灯泡两端相连,再接入电路中,则两个灯泡是并联

在串联和并联电路中,如果有一灯的灯丝断了,另一只灯泡会发光吗?试一试。

学生操作后回答:

①串联电路:一灯拧下,另一灯也不亮

②并联电路:一灯拧下,另一灯还亮

7.学生动手、动脑,相互讨论,你们有什么发现?这种情况说明两种电路有怎样的特点?

学生讨论后归纳:串联电路,各用电器会同时工作:并联电路中各用电器独立工作,互不影响。

为什么串联电路和并联电路会有这样的不同?同学们可以想一想,在串联和并联电路中,电流是如何流动的?

(课件展示:类比河流的干路和支路)

学生看完展示后讨论回答:串联电路电流路径只有一条,并联电路电流路径有多条。

8.在教材图上画出电路闭合时电流的方向。学生独立完成后,小组交流,师巡视,让一生展示。9.探究开关对电路的控制作用。

设计电路,用开关让一灯熄灭时另一灯还继续发光。学生讨论、动手实验。师指导。

让一个小组介绍设计思路:并联电路用电器可以独立工作,在并联电路中的两个支路各加个开关。

小组观察回答:在并联电路中,干路开关控制所有用电器,支路开关控制本支路用电器。

在并联电路中,开关位置不同,对电路的控制作用不同,那么在串联电路中,开关的位置变了,对电路的控制作用会不会变呢? 学生操作并交流后,得出结论:串联电路只要一个开关,开关的位置变了对电路的控制作用不变。

三、小结

在教师的指导下,学生完成对本节课的小结。(结合课件,展示总结出串联、并联电路的不同)

四、随堂练习:

1、判断下列电路是串联的,还是并联的(课件展示)

2、列举生活中用电器串联和并联的例子。

3、打开电冰箱的门,灯亮了,压缩机可能在工作,也可能不在工作。试分析灯和压缩机的连接方式,并画出电路图。

4、单位有前后两个门,前门来人时坐在传达室里的人看到红灯亮,后门来人时,绿灯亮。设计出电路,并画电路图。

五、布置作业:丛书

六、反思

新的学期,教研中心对物理教研提出了新的要求,我们泽头中学从领导到教师对本次教研也非常重视。学期开始,教导处就对本次活动进行了部署,全体物理教师在9月10日进行了学科教研。21日,将进行网上教研,23日在二中进行学习。

新课标倡导科学探究式学习方式,我在过去教学过程中只重知识讲解,而忽视学生的思考与接受,不会引导学生一步步探究,通过本节课的教学,我有下面的反思和体会:

1、教学中,我转变角色,成为一个组织者、引导者、评价者的角色。我相信学生的能力,大胆放给学生去探究,完全解除教师的“指挥棒”,让学生在“实验课题”的统领下,以自己的方式、自己的习惯、自己的情感和自己的认知规律去探索、去研究、去发现、去感悟、去体验。在探究式的教学中,我更多关注学生的基础、关注学生的困难、关注困难的学生、关注学习的过程。

2、“体验”是每个学生成长过程必需的,学生只有在参与中自己深刻体验成功,体验挫折,体验合作,体验质疑,体验挑战,才能健康成长。科学探究教学模式正是为每个学生提供了平等“参与”的机会,通过“体验”促进学生的健康成长,以更好地适应现代社会对人才发展的需要。学生发展的同时也促进了教师和整个教学的发展。在学生的探究过程中,学生提出了很多具有建设性的问题。

3、本次教研会,我们学校要积极学习其他学校的先进的教学经验和方法,使新学期教学迈上一个新的台阶。

泽头中学 邢小杰

“串联电路和并联电路”

教学设计

邢小杰 泽头中学

电路的研究教学设计 篇6

莱溪中心小学

曾志鹏

教学内容 :粤教科技版《科学》五年级(上册)第8课

第2课时 教学目标:

1、科学知识目标

知道开关的功能,通过实验研究了解到同样数量的灯泡,连接的方法不同,所表现的现象不同。

2、能力培养目标

(1)能够根据电路图,对电路中的不同反应作出假设。

(2)在组装较为简单的闭合电路的基础上,能够组装较为复杂的闭合电路。

3、情感态度与价值观

在探究的过程中,愿意与别人合作交流,体验科学探究的乐趣。教学重点和难点:

1、重点:能够根据电路图,对电路中的不同反应作出假设。

2、难点:在组装较为简单的闭合电路的基础上,能够组装较为复杂的闭合电路。

课前准备:

1、每个小组准备一份实验材料,包括两个灯泡、两节电池、导线、开关等。

2、教师准备实验用具,如多幅不同的电路图、电路展示板等。教学过程:

一、创设情景,激疑导思。

1、复习旧知:小灯泡能够亮起来的原因?

生:由电池、灯泡、开关和导线组成的简单闭合电路。师:这是我们上节课学的电路图。(出示上次课的电路图。)

2、再出示四幅不同的电路图,引入新课。

师:今天我带来四幅不同的电路图,看看同学们能不能根据这些电路图研究出电路来? 生:能。

师:好,今天这节课我们一起来组装各种电路。板书: 8 电路的研究

二、大胆猜测,研讨探究。

1、根据上节课和本节课的电路图,进行对比。

师:请同学们仔细观察这些电路图的电池,跟我们上节课的电池一样吗? 生:不一样,上节课的电路图是一节电池,今天是两节电池。(帮助学生养成乐于观察生活中的现象并提出问题的习惯。)

2、提出问题让学生进行分析研究 师:也就是说今天我们来研究的是两节电池来供电的电路。大家再来看看今天四幅电路图开关的作用一样吗?小灯泡的亮度有什么变化呢?小组里讨论一下。

3、学生在小组里围绕“开关”、“亮度”对四幅图分别提出假设。

4、学生大胆猜测后,进行交流、汇报。(让学生畅所欲言,鼓励学生大胆作出假设。)

师把学生的假设分别写在四幅电路图的下面,让学生说出判断的理由。师:我们的假设对不对,我们应该用什么来证明呢? 生:用实验来证明。

师:请同学们把黑板上的四幅电路图都组装一遍,看看每幅电路图有什么不同的反应。

三、实验探究,验证结论。

1、在实验前,指导学生注意电池的连接方向,用手势演示正确的连接方法。

2、小组合作探究,教师巡视指导。

3、教师引导学生对四幅不同的电路图进行分析,观察小灯泡的高度。

4、学生在操作过程中作记录。

(体验与人交流的乐趣和探究合作的精神,领悟科学探究。)

5、小组汇报、交流实验结果。

生1:第一个电路图的灯泡是最亮的。生2:„ 生3:„

6、教师小结:从同学们的实验结果,我们可以证实一号是最亮的,二号是最暗的。三号和四号大家都有不同的意见。老师也按照这四幅电路图,装了同样的电路演示板,大家想看看吗?

7、师演示电路板,重点与学生一起分析三号和四号电路图。

(通过教师的演示,学生能把自己的实验结论与老师的对比,从而获得正确的论证。)

8、结合实际,说出这些电路图在生活中的应用。(拓展、巩固本课所学的知识。)

四、课堂小结

1、小结本课学习内容。师:说说你们今天的收获。

生1:同样的电池数量,同样的灯泡数量,它的亮度不一样,因为不同的电路连接方法,亮度不一样。生2:„ 生3:„

师:这节课我们研究了各种电路,了解了不同的电路图,电路还有很多有趣的地方,我们以后再研究,好吗?

交通信号灯电路的设计 篇7

据于74LS164十四进制扭环形计数器状态循环转换原理, 文章对交通信号逻辑电路的设计原理和设计方法作了深入全面的分析和阐述, 对从事数字电子逻辑电路的设计人员提高设计能力、拓宽设计思路、熟悉中小规模集成电路的综合应用能力、加深理解电路的控制原理、提高综合运用所学知识的工程实践能力具有重要的参考价值。

1 交通信号控制系统功能设计

1.1 十字交叉路口的交通信号控制系统平面布置 (见图1)

注:LMG—主干道绿灯LMY—主干道黄灯LMR—主干道红灯

LBG—支干道绿灯LBY—支干道黄灯LBR—支干道红灯

1.2 信号灯正常工作流程 (见图2)

因为主干道车辆多, 故放行时间相对比较长, 设计放行时间为48S;支干道的车辆少, 放行时间相对较短, 设计放行时间为24S;每次绿灯变红灯之前, 要求黄灯亮4S且为间歇闪烁, 此时另一干道的红灯状态仍然保持不变。在主干道和支干道均设有倒计时数字显示, 作为时间提示, 以便让行人和车辆直观掌握通行时间。数字显示变化情况应与信号灯状态始终保持同步。

2 交通信号逻辑电路的设计 (见图3)

3 交通信号控制系统电路分析

3.1 时钟信号源

时钟信号源由NE555时基电路组成, 用于产生1Hz的标准秒信号。

3.2 分频器

分频器由2片74LS74构成。第一片74LS74对1Hz的秒信号进行4分频, 获得周期为4S的信号, 另一片74LS74对4秒的信号进行2分频, 获得周期为8S的信号。周期为4S、8S的信号分时送到主控制器74LS164的时钟信号输入端, 用于控制信号灯处在不同状态的时间。

3.3 主控制器

主控制器是由一片74LS164构成的十四进制扭环形计数器, 是整个电路的核心, 用于定时控制两个方向红、黄、绿信号灯的亮与灭及持续时间, 在时钟CP上升沿的连续触发下其状态转换见表1

3.4 信号灯译码驱动电路的设计 (见图3)

信号灯译码驱动电路由若干个门电路组成, 用于对主控制器中Q5Q6的4种状态进行译码并直接驱动红、黄、绿三色信号灯。令扭环形计数器中Q5Q6的4种状态00、10、11、01分别代表主干道和支干道交通灯的4种工作状态:主干道绿灯亮、支干道红灯亮;主干道黄灯亮、支干道红灯亮;主干道红灯亮、支干道绿灯亮;主干道红灯亮、支干道黄灯亮。令灯亮为“1”, 灯灭为“0”, 则可得出信号灯译码驱动电路的真值表 (见表2)

由真值表可得出各信号灯的逻辑表达式:LMG=·;LMY=Q5·;LMR=Q6;LBG=Q5·Q6;LBY=·Q6;LBR=。因黄灯要间歇闪烁 (4秒期间闪4次) , 所以将LMY、LBY与1s的标准秒脉冲信号CP相“与”便得出:LMY’=LMY·CP;LBY’=LBY·CP。

3.5 信号灯工作时序

由时序图可知, 在Q5Q6=00期间, 共需6个CP触发脉冲, 所以应将周期为8秒的时基信号CP2送入扭环形计数器的CP端, 则6TCP2=6×8S=48S, 正好符合绿灯的放行时间为48秒。同理, 当Q5Q6处于10、11、01三种状态时, 应将周期为4秒的时基信号CP1送入扭环计数器的CP端, 才能满足这三种状态时信号灯亮灭的时间要求。以上8秒和4秒时基信号分时送入扭环计数器CP端是由74LS04的G9、74LS125的G10、G11共同完成的 (见图3) , 只有当LMG亮期间 (48秒) , G10导通G11截止, 将8秒时基信号送入扭环计数器CP端, 而在其余三种状态的时间段LMG都是灭的, G10截止G11导通, 将4秒时基信号送入扭环计数器CP端。

3.6 数字显示控制电路

数字显示控制电路是由4片74LS190组成的两个减法计数器组成, 用于进行倒计时数字显示的控制。当LMG亮、LBR亮 (Q5Q6=00) 时, 对应主干道的两片74LS190构成的52进制减法计数器开始工作, 从数字“52”开始, 每来一个秒脉冲, 显示数字减1, 当减到“0”时, LMR亮、LBG亮, 同时, 主干道的52进制减法计数器停止计数, 支干道的两片74LS190构成的28进制减法计数器开始工作, 从数字“28”开始, 每来一个秒脉冲, 显示数字减1, 直至减到“0”为止。减法计数前的初始值, 是利用另一个道路上的黄灯信号对74LS190的LD端进行控制实现的, 当黄灯亮时, 减法电路置入初始值;当黄灯灭而红灯亮时, 减法计数器开始进行减计数。

3.7 数字显示电路

数字显示电路是由两片74LS245和4片74LS49集成电路及4块LED七段数码管LDD580构成的, 用于进行倒计时数字的显示。因主干道和支干道的减法计数器是分时工作的, 而任何时刻两方向的数字显示均为相同的数字, 采用两片74LS245就可以实现这个功能。当主干道减法计数器计数时, 对应于主干道的74LS245工作, 将主干道计数器的工作状态同时送到两个方向的译码显示电路。反之, 当支干道减法计数器开始计数时, 对应于支干道的74LS245开始工作, 将支干道计数器的工作状态同时送到两个方向的译码显示电路。

4 结束语

主干道和支干道的放行时间是可以随意设置的, 比如可以设置主干道的放行时间为60秒, 支干道的放行时间为30秒, 黄灯闪烁的时间为5S, 改变分频器的分频系数即可实现这一功能, 将1Hz的标准秒信号经一个上升沿触发的5分频器分频得到一个周期为5S的信号, 再经过2分频得到周期为10S的信号, 将周期为5S和10S的信号轮流送入74LS164的CP端即可。其中, 5分频器可利用74LS290来实现。

参考文献

[1]曾令琴, 吕乐, 李林鹏.数字电子技术[M].北京:人民邮电出版社, 2009.

[2]龙治红, 谭本军, 黄华飞.数字电子技术[M].北京:北京理工大学出版社, 2010.

[3]焦素敏.数字电子技术基础[M]北京:人民邮电出版社, 2012.

[4]高燕梅, 沙晓菁, 粱超.数字电子技术基础[M]北京:电子工业出版社, 2012.

小学科学-电路的研究教学设计 篇8

一、学情分析

本课是在小学五年级上册第八课,对于五年级的学生来说

二、教学目标

1、能够认识简单的电路

2、知道开关的作用

3、判断容易导电的材料

4、认识电是生活和工作中常用的能量来源

三、教学重难点

重点:了解电路的组成元素、知道开关的功能,能用基本元件连接成简单电路 难点:开关位置的安排,判断哪些材料容易导电

四、教学准备

1、教材分析、网络资源学习

2、制作多媒体课件

3、准备电路的实验器材

五、教学步骤

1、情景引入

幻灯片放映夜景图片,让同学们欣赏美丽的夜景。每一张夜景图片,都包含非常丰富的景观灯设计。欣赏完图片,引发同学们思考,这么漂亮的灯景是怎么来的?我们也能设计出这么漂亮的灯景吗?

2、实验一

点亮1个小灯泡

实验器材:1节电池、2根导线、1个小灯泡

实验要求:用以上实验器材连接成一个简单电路,使得灯泡亮起来,并做好实验记录

将最终的电路画在实验记录表上。

结:这样的一个闭合回路,就是一个简单的电路。

3、实验二

点亮2个小灯泡

实验器材:1节电池、4根导线、2个小灯泡

实验要求:用以上实验器材组合成电路,使得2个灯泡都亮起来,并做好实验记录,将最终的电路画在实验记录表上。

结:让2个小灯泡都亮起来的连接方法,可以分为2种方式:串联和并联

用串联的方式连接两个灯泡,如果其中一个灯泡出问题,另一个灯泡也不会亮。但如果用并联的方式连接两个灯泡,则不会出现以上的问题,因为两个灯泡分别连在两个独立的回路。

4、实验三

交通信号灯电路的设计 篇9

1.1过流信息检测

为了实现IGBT的短路保?,必须进行过流检测。适用于过流检测方法,通常是采用霍尔电流传感器直接检测IGBT的电流Ic,然后与设定的阈值进行比较,用比较器的输出去控制驱动信号的关断;也可以检测过流时IGBT的集射极电压Vce,因为管压降含有短路电流的信息,过流时Vce将增大,且基本上与Ic呈线性关系,故检测过流时的Vce并与设定的阈值进行比较,用比较器的输出控制驱动电路的关断,也可完成过流保护。

1.2降栅压软关断半导体开关器件

在短路电流出现时,为了避免关断IGBT时di/dt过大形成过电压,导致IGBT失控或过压损坏,通常采用降栅压的软关断综合保护技术。即在检测到过流信号后首先是进入降栅压保护,以降低故障电流的幅值,延长IGBT承受过载电流的时间。在降栅压动作后,设定一个固定延迟时间以判断故障电流的真实性,如在延迟时间内故障消失则栅压自动恢复;如故障仍然存在则执行软关断,使栅压降至0V以下,最终关断IGBT。采用降栅压软关断综合保护技术可使故障电流的幅值和下降率以及过电压都受到限制,使IGBT的运行轨迹处于安全区内。

图2

在设计降栅压软关断保护电路时,要正确选择降栅压的幅度和速度。如果降栅压幅度较大(如7.5V以上),则降栅压的速度就不要太快,一般采用2μs左右的下降时间。由于降栅压幅度大,集电极电流已经较小,则封锁栅极可快些,不必采用软关断。如果降栅压幅度较小(比如5V以下),则降栅速度可快些,而封锁栅压的速度必须慢,即采用软关断,以避免产生过高的过电压。

1.3降频“打嗝”的保护

在大功率负载中为了使电源在短时间的短路故障状态下不中断工作,又能避免连续进行短路保护产生热积累而损坏IGBT,可采用使工作频率降低的方法形成间歇“打嗝”的保护,待故障消除后又恢复正常工作。降频“打嗝”的保护并非每个保护电路都必需。

2几种实用的IGBT短路保护电路及工作原理

2.1利用短路时Vce增大实现的短路保护电路

图1是利用IGBT短路时Vce增大的原理实现保护的电路,专用于EXB841驱动电路。如果发生短路,含有IGBT过流信息的Vce不直接送至EXB841的IGBT集电极电压监视脚6上,而是快速关断快速恢复二极管VD1,使比较器IC1(LM339)的V+电压大于V-电压,比较器输出高电平,由VD2送至EXB841的脚6,启动EXB841内部电路中的降栅压及软关断电路,低速切断电路慢速关断IGBT,既避免了集电极电流尖峰损坏IGBT,又完成了IGBT短路保护。该电路的特点是,消除了由VD1正向压降随电流不同而引起关断速度不同的差异,提高了电流检测的准确性,同时,由于直接利用EXB841内部电路中的降栅压及软关断功能,整体电路简单可靠。

2.2利用电流互感器实现的短路保护电路

图2是利用电流互感器实现过流检测的IGBT短路保护电路。其中电流互感器TA的初级串接在IGBT的集电极电路中,次级感应的过流信号经整流后送至比较器IC1的同相输入端,与反相端的基准电压Vref进行比较,IC1输出VB至具有正反馈的比较器IC2的同相输入端C点,由IC2的输出经R8接至EXB841的脚6上。不过流时,IC1的VA小于Vref,输出VB为低电平约0.2V,经R1送到IC2

比较器的同相端C形成VC,因此时VC小于Vref,IC2输出为低电平,EXB841正常工作。当出现过流时,电流互感器检测到的整流电压将升高,VA大于Vref,VB为高电平,由R1给C3充电,经一定的`延时后,VC将大于Vref,IC2输出高电平,EXB841保护电路工作,使IGBT降栅压软关断。IGBT关闭后,电流互感器初级无电流流过,使VA又小于Vref,VB又回到0.2V左右,C3经R1放电,当VC小于Vref时,IC2输出低电平,电路重新进入工作状态。如果过流继续存在,保护电路又恢复到原来的限流保护工作状态,反复循环使EXB841的输出驱动波形处于间隔输出状态,使IGBT输出电流有效值减小,达到保护IGBT的目的。电位器W1用于调整IC1比较器过流动作阈值。电容器C3可经D5和R5快速充电,经R1慢速放电,只要合理地选择R1,R5和C3的参数,可实现EXB841比较快关闭IGBT而较慢恢复IGBT。正反馈电阻R7保证IC2比较器具有迟滞特性,和R1和C3充放电电路一起,保证IC2输出不致于在高、低电平之间频繁变化,使IGBT频繁开通、关断而损坏,提高了电路的可靠性。

图3

2.3利用短路Vce和电流互感器过流检测同时实现的短路保护电路

图3是利用IGBT过流集电极电压检测和电流互感器过流检测同时实现的短路保护电路。当负载短路(或IGBT因其它故障过流)时,IGBT的Vce将增大,VD1关断,导致由R1提供的电流经R2和R3分压器提供的电压,使V3导通,从而使IGBT栅极电压由VD3所限制而降压,限制了IGBT峰值电流的幅度,该电压同时经R5及C3延迟使V2导通,送去软关断信号。为了提高短路保护电路的可靠性,图3电路还增加了短路电路检?保护,它是由电流互感器TA,整流桥U和IC1等组成,短路发生时经电流传感器TA检测出短路电流信号,使比较器IC1输出高电平,该高电平一方面使V3管导通,完成IGBT的降栅压保护,另一方面由V2导通进行IGBT软关断保护。

2.4具有降栅压软关断及降低工作频率的综合短路保护电路

图4是一具有降栅压软关断及降低工作频率的综合短路保护电路。

正常工作时,驱动输入信号Vi为低电平,光耦IC4不导通,V1及V3导通,输出负驱动电压VE,IGBT(V4)关断;当驱动输入信号Vi为高电平时,光耦IC4导通,V1截止而V2导通,输出正驱动电压VC1,功率开关管IGBT导通。发生短路故障时,IGBT集电极电压Vce增大,由于VD5截止导致比较器IC1输出高电平,V5导通,由VD2限压实现对V2降栅压,从而实现了IGBT软降栅压保护,V2降栅压幅度由稳压管VD2决定,软降栅压时间由R6和C1决定约为2μs。IC1输出的高电平同时经R7对C2进行充电延时约5~15μs后,C2上电压达到稳压管VD4的击穿电压,V6导通。V6导通后,一方面使光耦IC5导通启动降频过流保护电路工作,另一方面由R9和C3形成约3μs的软关断栅压,完成对IGBT软关断栅压保护。

图4

V5导通时,V7经C4和R10电路形成的基极电流导通约20μs,在降栅压保护后将输入驱动信号闭锁一段时间,不再响应输入端的关断信号,以避免在故障状态下形成硬关断过电压,使驱动电路在故障存在的情况下能执行一个完整的降栅压和软关断保护过程。

降频过流保护电路主要由时基555电路(IC2),光耦IC5,V8和V9三极管等组成。V6导通时,光耦IC5导通,时基电路IC2的触发脚2获得负触发信号,555脚3输出高电平,V9导通,IC3与门被封锁,封锁时间由定时元件R15和C5决定(约1.2s),使工作频率降至1Hz以下,驱动器的输出信号将工作在所谓的“打嗝”状态,避免了发生短路故障后仍工作在原来的频率下,而频繁进行短路保护导致热积累而损坏IGBT。只要故障消失,电路又能恢复到正常工作状态。

2.5具有检测高频交流电流短路的保护电路

图5

该电路如图5所示。R4为输出电流取样电阻,电路正常工作时,IC1的输出电压UA不足以使D3(9.1V)或D4(9.1V)击穿导通,V1和V2均不导通,IC2不工作,V3导通输出低电平,EXB841驱动电路正常工作。如果电路有过流现象出现时,假定发生在正半周,IC1输出的UA为负电压,使得D3击穿,D4导通,V2导通,电流经D2,R8,V2,R1,使光耦IC2导通,输出过流信号,V3截止输出高电平。若负半周过流发生,IC1输出UA为正电压,使D4击穿,D3导通,V1导通,电流经R7,V1,R8和D1,使IC2通电工作,V3截止输出高电平。当V3截止输出高电平时,启动EXB841内部短路降栅压软关断电路工作,完成对IGBT的保护。这样,只要电路有过流现象发生,保护电路就会立即动作,对电路进行有效地保护,防止损坏IGBT。该电路对低频交流电路和直流电路短路电流保护同样有效。由于PN结稳压值随温度升高而升高,而PN结正向导通值随温度升高而降低,故D3及D4反向串联具有良好温度补偿作用,使电路热稳定性相当好。

3结语

交通信号灯电路的设计 篇10

经过固态光电倍增管转换的信号还比较微弱,很容易受到噪声的干扰。前置放大电路[7]的设计就是把夹杂噪声的微弱信号进行放大,抑制工作环境中的噪声,提高信号和噪声的比值,即提高信噪比。需要综合权衡增益、带宽、噪声、灵敏度等性能,进行合理的折中[8]。

对于电源电路[9],一种是采用恒流源电源;另一种是采用+5 V电源驱动芯片,经变压器放大,然后整流、滤波得到+60 V电源电压,但由于其结构较为复杂,且应用的零器件较多,所以体积较大,给使用带来了很多的不便。针对这一现象,研究并设计了单电源电路,从而小型化系统。

1 SSPM的性能

1.1 SSPM动态范围

对SSPM-10035来说其线性响应范围[10]是10~1000个光子数之间(每猝灭时间),换算成功率为

P=n×hν/τ(1)

其中,P为功率;n为光子数;h普朗克常数;v为入射光子频率;t为猝灭时间。v取波长为510 nm时的光频率,t取一个猝灭时间100 ns,计算得P的范围为3.9×10-11~3.9×10-9W。当入射光功率在这个范围内时,SSPM输出与输入成线性;整个动态响应范围则是在10~10 000个光子之间(每猝灭时间)。

1.2 温度对SSPM的影响

温度的变化会影响SSPM的击穿电压,而击穿电压的变化会进一步影响到增益和输出响应。图1为温度-击穿电压曲线。从图1中可以看出,随着SSPM工作环境温度的升高,击穿电压也升高,两者呈一定线性关系。通过进一步的研究,温度每上升1℃击穿电压增加约23mV。击穿电压与温度的数学表达式如下

Vbr=0.023×T+27.2 (2)

图2为在不同的温度点下的增益-偏压曲线。从图2中可看出,在相同的偏压下,温度越低时增益越大,有时增益相差可达一个数量级,所以实际应用中,有必要考虑环境温度对SSPM的影响,需要设计适合使用环境的冷却装置。

2 放大电路的设计与仿真

2.1 系统结构及器件

为使固态光电倍增管正常工作,需提供30 V的偏置电压,使其处于偏置状态,并应配有相应的前置放大电路。系统的总体框图如图3所示。

前置放大电路的设计从两方面考虑:一是设计合适的电路形式;二是选择合适的器件,从而设计出动态响应快、稳定性高、可靠性好的高性能的电路。跨阻放大器的作用是将光电二极管微弱的电流信号转为合适的电压输出,同时可以比较容易地获得最佳信噪比。

本设计中采用了TI公司的高速运算放大器LMV793。LMV793是一款低噪声电压反馈的跨阻放大器,可应用在光电二极管放大器、低噪声信号处理、传感器接口等领域。LMV793有源电压范围为1.8~5.5 V,其为单电源运算放大器。LMV793每个轨到轨的输出特性能够驱动一个600Ω的负载并且产生60 mA的电流。低输入电压噪声为,输入偏置电流为100 fA,增益带宽积为88 MHz,其能保证2.5 V和5.0 V的性能,总谐波失真为0.04%,温度范围为-40℃~125℃。LMV793在低电压和低噪声系统中提供了最佳的性能。

2.2 仿真结果分析

LMV793也是一款互阻抗放大器,由于互阻抗放大器本身就是一款微分电路,所以其不太稳定。为了确保其稳定性,可以使用一个相对较大的反馈电容,以过补偿电路,但是使用较大的补偿电容CF将会增大电路的带宽,从而超出LMV493的带宽。根据以上分析,前置放大电路设计如图4所示。其中C1=CD+CCM,CCM为运算放大器的输入共模电容值为15pF,CD为二极管的电容为30 pF,CF=5 pF。

电路仿真主要是检验设计方案在功能方面的

正确性。用Multisim软件对电路进行了仿真,采用矩形波信号作为输入,幅值为1 mA,频率为100kHz,当CF=5 pF时,仿真结果如图5a所示。从图5a可以看出,此波为矩形波,但是由于电容值小,补偿作用微乎其微,故增大CF的值。当CF值为50 pF时,仿真结果如图5b所示。增大补偿电容后,输出信号的振荡和过冲明显降低,电路带宽为949 kHz,可以实现2 000倍的放大倍数。

3 偏置电压电路的设计及制板

电源电路需要用到+5 V和+30 V的电源。+30 V为SSPM提供偏置电压,因为SSPM工作在盖革模式下的最低电压为28 V,故采用了典型值30 V。设计时采用常用的+5 V电源来得到+30 V的电压。

SSPM对工作偏压电源要求电压纹波峰峰值小于4%,偏压范围28~36 V,电源电流范围小于30 mA。根据所查资料了解到MAX5026常应用于产生雪崩二极管的偏置电压,故用MAX5026来实现30 V的电压电路设计,其原理图如图6所示。

输出滤波电容为1μF或者更大一点,为了减小输出纹波,应选择低等效串联电阻、低等效串联电容和电容值大的电容。另外一种减小输出纹波的方法是在升压转换器的输出端连接一个RC滤波电路,如图7所示。图7中增加R3、C3可以减小纹波,为最终30 V电源电路设计方案。

为了检测所设计的电路是否能够达到要求,绘制PCB板并做出实物进行测试。实物如图8所示。

4 调试与检验

完成了偏置电压电路板的焊接、制作后,对电路板进行了测试,在VCC端接5 V电源,GND端接地,输出端接示波器,其输出波形如图9a和图9b所示。

对比加入滤波电路前后的输出波形,由图9可以清晰地看出,接入R3和C3后,纹波明显减小。其实,即使是最好的基准电压源器件,其输出电压也是有纹波的。纹波的害处很多,如容易在设备中产生不期望的谐波;降低电源的效率;带来噪声干扰等。因此在设计电路时必须要尽量降低纹波电压。经测试得输出电压的范围为29.2~31.6 V,输出电压均值为30.4 V,纹波为600 mV,可以满足设计要求。

5 结 论

文中研究和设计了固态光电倍增管的前置放大电路和电源电路,并进行了仿真和实验验证。仿真结果表明,设计的电路可以实现2 000倍的放大功能,输出电压的范围为29.2~31.6 V,输出电压均值为30.4 V,纹波为600 mV,可以满足设计要求。另外在电路设计中,采用单电源运放,减少供电电源,利于电路小型化。

摘要:固态光电倍增管(SSPM)作为一种新型的光电探测器件,具有广泛的应用。研究并设计了固态光电倍增管的外围电路、前置放大电路和电源电路。应用软件仿真验证了放大电路的可行性,优化了反馈电容参数,使电路性能达到最佳。为实现设计的小型化和简洁化,设计并制作了电源电路,实验结果表明,输出电压均值为30.4 V,满足设计要求。

交通信号灯电路的设计 篇11

物理系20021221班 李天福 指导教师 陶 昌助理实验师

摘 要:传统教育在其悠久的发展过程中形成了较为成熟和完善的教学、学习、管理等方面的理论和模式,长期作为主流的教育形式,成为社会广泛认可和接受教育的选择。但传统的课堂式教学,方法单一,由于受时空限制,缺少实地观察与实际动手操作能力。教学课件是一种根据教学目标设计的,表现特定教学内容和反映一定教学策略的计算机程序。它可以用来存贮、传递和处理教学信息。它可以突破时空的限制,能为学生创设特定的物理学习情景,让他们在没有直接参与的情况下,也能身临其境的学习。

关键词:课件;串联电路;并联电路;Flash

On the Courseware Design of String and Parallel Circuits for Physics Teaching in Junior High School

Abstract:In traditional education, some mature and perfect theories and patterns concerning teaching, learning and management have been well established in the long course of its development, and they have been widely accepted as the main form of education and considered to be the best choice in modern education.The traditional classroom teaching, however, lacks on-the-spot observation and ignores the cultivation of students’ practical ability as a result of the monotonous teaching methodology and the time and space limits.As a kind of computer program which is designed in the light of a teaching goal, a courseware can well present the content of a specific course and reflect certain acceptable teaching strategy.It may be used to store, transmit and process various teaching information.Moreover, in physics teaching it can create a special situation in which students can understand the string and parallel circuits without direct personal participation in the situation, for it breaks down time and space limits,Key words: courseware;series circuit;parallel circuit;Flash

1引 言

一个成功的学科课件,能充分地运用动画、与学生思维同步,保证循序渐进,运用恰当的素材,操作简捷方便、灵活易用,培养学生的创新意识。本节课件主要讲授的内容是义务教育课程标准实验教科书·物理(八年级上)第五章第三节的内容,串联电路和并联电路。串联电路和并联电路在初中物理乃至整个中学电学中是重点、也是难点。特别是初中生他们刚刚接触电学知识。许多同学对电学有一种恐惧的心理。本课件就能把以前枯燥乏味的教学变得生动有趣,激发了学生的学习兴趣,提高了学生的学习积极性。课件教学与传统教学相比较(见许安婷论文)3 课件的制作原则(见许安婷论文)4制作平台

4.1制作课件的两种方法 制作教学课件主要的方法有两种:一种是使用编程语言进行编程;另一种是利用一种课件制作平台。

常用的编程语言有Visual Basic和C 语言等。常用的课件制作平台有PowerPoint、3D Studio Max、Director、Authorware、Flash等等。对于非专业的制作人员来说,通常还是用课件制作平台来制作课件。4.2制作课件的平台 4.2.1 PowerPoint PowerPoint是Office系列软件的成员,常被称为幻灯片制作软件。PowerPoint主要是将各种文字、表格、图片等进行展示,并能配上音乐和动作形成简单的动画。简单的课件可以用PowerPoint来制作,但PowerPoint交互性较差,更适合制作电子讲稿。4.2.2 3D Studio Max 3D Studio Max是Autodesk公司推出的优秀三维动画制作制作软件,只要能想到的,几乎一切场景都可以在3D Studio Max的三维虚拟空间中实现。3D Studio Max的造型制作、动画制作、材质编辑器、灯光、摄影机视图、连接体的运动、粒子运动、路径、扭曲、噪波、运动、动力学、环境等工具和方法为课件制作提供了强有力的支持。特别是对物理学科的课件制作,3D Studio Max更是大有用武之地。[6] 但一般人员较难掌握3D Studio Max软件的使用,3D Studio Max的交互性也较差。4.2.3Animator Pro Animator Pro 是电脑动画初学者容易学会使用的二维动画制作软件,它提供了丰富的绘画工具及颜料效果,具有自动生成动画的功能。它提供的脚本语言使得动画的播放可以控制并具有一定的交互性。

Animator Pro 生成的动画文件有Flc和Cel两种格式,这两种格式的文件能够被一些软件识别和使用,从而扩大了应用范围。[6] 4.2.4Director

Director是Macromedia公司推出的基于时间轴的动画设计软件,它不需要复杂的操作就能生成完整的影片,可以任意修改影片中的素材,随心所欲地将这些素材组织成影片,做到了所见即所得。Director制作的作品具有一定交互性,这是课件制作必需的,很多软件平台都能识别Director的作品。4.2.5 Authorware Authorware是Macromedia公司推出的软件。它为创作者提供了一个基于流程线和图标设计的开发环境,提供了许多函数及程序控制功能,有很好的交互能力,是用来制作课件较好的平台之一。

4.2.6 Flash

Flash 是Macromedia公司推出的矢量图编辑和多媒体创作软件。Flash编辑的矢量图无论放大多少倍,图象质量都不会下降。Flash能制作丰富多彩的动画,能导入动听的音乐并压缩音乐,做到了声色俱全。更重要的是Flash具有强大的交互功能。它是用来制作课件最好的平台之一。我们的课件是用Flash制作的,在后面会做详细的介绍。

5课件界面设计(见许安婷论文)

6利用课件创设物理情境,激发学习兴趣(见许安婷论文)7课件实现方法及手段 7.1了解Flash [6]Flash是Macromedia公司的一个非常受欢迎的产品。Macromedia公司是美国一个著名的软件公司,它主要生产多媒体、网页制作和网站管理软件。大家都熟悉的软件产品有Authorware、Ditrector、Dreamweaver、Flash、Fireworks等。1998年,Macromedia公司收购了一家小的电脑公司,同时将该公司生产的Director网络插件FutureSplash继续升级发展,陆续推出了Flash2、Flash3、Flash4、Flash5、Flash MX和Flash MX 2004,在2005年Macromedia又推出了Flash8。这里,我们的课件是用Flash MX 2004制作的。Flash是一种用于制作、编辑动画和影片的软件,用它可以制作出一种扩展名为swf的动画文件,这种文件可以插入HTML里,也可以单独作为网页。它不但能够制作一般的动画,而且可以制作出带有背景声音,具有较强交互性能的影片。

Flash受人们欢迎的主要原因是,它可以在占用很小空间的情况下,制作出高质量的矢量图形和交互式动画。利用Flash生成的swf格式的动画是矢量,不论你把它放大多少倍,都不会失真,保证了画面的亮丽、清晰。即使在动画中插入了声音,Flash也会压缩声音使生成的动画只占很小的空间。

Flash制作的这种动画可以在所有安装了Shockwave Flash插件的浏览器中播放,而现在的浏览器都按有播放Flash动画的插件。这也是它之所以迅速广泛流行的一个重要原因。另外,1998年Macromedia公司公布了Flash动画格式文件的全部代码,方便了众多软件开发公司和设计人员用它开发相关产品,从而加快了它的推广与应用。各个公司和个人推出的可以制作扩展名为swf的动画文件的软件越来越多,同时使用swf动画文件制作网页和多媒体软件的公司和个人也越来越多。[8]

目前,Flash文件的格式已成为网络动画的标准格式,是各公司和部门发布网页的首选网页设计工具。Flash代表着多媒体技术发展的方向,尤其是在网页制作方面,它已成为网页设计人员的宠物,几乎没有什么不使用Flash技术的网页。Flash与Dreamweaver、Fireworks、Authorware、Freehand等软件配合使用,可以快速制作精彩的网页,创建有特色的网站,以及制作多媒体软件。

总之,Flash不仅可用于网页制作,而且还可以应用于交互式多媒体软件的开发。它不但可以跟Authorware和 Ditrector等多媒体制作软件使用,而且还可以独立地制作游戏、多媒体演示和多媒体教学等。[8]

7.2 ActionScript编程

要用Flash不得不提到ActionScript编程。Flash提供的强大ActionScript编程能力,可以使它创建复杂的交互动画、多媒体教学和多媒体实验等等。具有交互式的动画可以使用户参与控制动画。用户可以通过鼠标单击或键盘按键等操作,使动画画面产生跳转变化或执行其他一些动作。[8]

ActionScript译成中文是“动作脚本程序”,它是一种编程语言。Flash的ActionScript采用面向对象的编程思想,采用事件驱动,以关键帧、按钮、影片剪辑实例,甚至是自定义的类为对象,来编写程序。编写的程序便是事件产生时要执行的动作。Flash MX 2004的动作脚本语言是ActionScript 2.0,它增强了ActionScript的功能,取消了“标准模式”和“专家模式”的区别。

什么是事件与动作呢?交互式动画的一个行为包含了两个部分,一个是事件,一个是事件产生时所执行的动作。事件是触发动作的信号,动作是事件的结果。比如:单击鼠标左键动画开始播放,“单击鼠标左键”是事件,“动画开始播放”是由事件触发产生的动作。在Flash中,动画播放到某个关键帧、用户单击按钮或影片剪辑实例、用户按下了键盘按键等事件都可以产生某种动作。

触发动作的事件可以同时设置几种,如同时设置了单击鼠标左键和按键盘上的某一按键,那么当其中的一种事件被触发时,都能执行设计好的动作。动作的设计可以有很多,由

制作者发挥创造。可以认为动作是由一系列的语句组成的程序。最简单的动作是使播放的动画停止播放,使停止的动画重新播放等。

事件的设置和动作的设计是通过“动作”面板即ActionScript编程的地方来完成。编程的时候要在英文状态下输入各种符号,注意写在“//”后面的程序是不会执行的,因为“//”是注释的符号。还要注意字母的大小写,以免出现错误。

7.3 设置事件和动作

基本的设置事件和动作有三种:设置帧事件与动作设计、设置按钮事件与动作设计、设置影片剪辑实例的事件与动作设计。7.3.1设置帧事件与动作设计

帧事件就是当文件播放到某一帧时的事件。注意只有关键帧才能设置为事件。帧的ActionScript没有特殊的指定事件句柄,就是不需要将ActionScript写在诸如:on(){}、onClipEvent(){}、onMousemove(){}等语句的大括号中,可以直接写在ActionScript的编辑区中。例如:单击动画的某一关键帧,在“动作”面板中输入语句:

stop();

当动画播放到该关键帧的时候,动画就会停止播放。7.3.2 设置按钮事件与动作设计

按钮事件的ActionScript必须嵌入到事件句柄中,即嵌入到“on”语句中,如:on(release){ play();}。小括号里是设置的事件,大括号里是触发的动作。

按钮中的ActionScript,只有按钮元件发生了事件后,ActionScript才被触发,如鼠标经过按钮元件、鼠标左键单击、鼠标左键释放等。它不像帧的ActionScript只有一种触发动作即播放到该帧便执行设计的动作。按钮元件有很多的触发动作,这些触发动作叫“事件源”。按钮事件主要有:

(1)press(点击):当鼠标指针移到按钮上,并按下鼠标左键时产生事件。

(2)release(释放):当鼠标指针移到按钮上并按下鼠标左键,接着松开鼠标左键时产生事件。

(3)releaseOutside(释放离开):当鼠标指针移到按钮上,并单击鼠标左键,不松开鼠标左键,将鼠标指针移出按钮范围,再松开鼠标左键时产生事件。

(4)rollOver(指针经过):当鼠标指针由按钮外移到按钮内时产生事件。(5)rollOut(指针离开):当鼠标指针由按钮内移到按钮外时产生事件。

(6)dragOver(拖放经过):当按住鼠标左键不放,鼠标指针移到按钮上时产生事件。(7)dragOut(拖放离开):当按住鼠标左键不放,鼠标指针移到按钮外时产生事件。(8)keyPress““(按键):当键盘的指定按键被按下时产生事件。指定按键写在引号里。7.3.3 设置影片剪辑实例的事件与动作设计

将影片剪辑实例从“库”面板中拖到舞台时,即完成了一个影片剪辑实例的实例化,通常将这个在舞台中的对象叫做影片剪辑实例。影片剪辑实例的ActionScript也必须嵌入到事件句柄中即嵌入到“onClipEvent”语句中,例如:onClipEvent(MouseUp){ play();}。小括号里是设置的事件,大括号里是触发的动作。

影片剪辑实例的事件主要有:

(1)load(加载):当影片剪辑实例元件下载到舞台中的时候产生事件。(2)unload(卸载):当影片剪辑实例元件从舞台中被卸载的时候产生事件。(3)enterFrame(导入帧):当导入帧的时候产生事件。

(4)mouseDown(鼠标向下):当鼠标左键按下时产生事件。(5)mouseMove(鼠标移动):当鼠标在舞台中移动时产生事件。(6)mouseUp(鼠标向上):当鼠标左键释放时产生事件。(7)keyDown(向下键):当键盘的某个键按下时产生事件。

(8)keyUp(向上键);当键盘的某个按键释放时产生事件。(9)data(数据):当LoadMovie收到了数据变量时产生事件。放到舞台中的按钮和影片剪辑,我们还可以给它们起一个实例名称,这样在编程的时候方便对它们进行动作设计。在我们制作的课件中,设置的事件主要是“release”,即通常的单击并释放鼠标左键。7.4 课件的技术方法

7.4.1主要用到的函数及功能

在我们制作的课件中,经常用到的ActionScript函数主要有:

stop()、play()、gotoAndPlay()、nextScene()、prevScene()、stopAllSounds()、fscommand()、loadMovieNum()、startDrag()、updateAfterEvent()等等。

在编程的时候,每个函数的最后要加英文状态下的“;”,这样才是一个语句。例如:“stop();”。

以上函数的具体功能为: stop():暂停当前动画的播放。小括号内不必写参数。属于控制影片播放的函数。play():如果当前动画暂停播放,而且动画没有播放完时,开始动画的播放,播放到动画最后时,跳回动画的开始部分继续播放。小括号内不必写参数。属于控制影片播放的函数。

gotoAndPlay():转到指定场景的指定帧播放动画。属于控制影片播放的函数。它的格式为:gotoAndPlay([scene],frame)。“scene”是要转到的场景,如果不写则默认为转到当前场景。“frame”是要转到的帧,必须写。例如:gotoAndPlay(”场景1“,1)指转到场景1的第一帧,并播放动画。

nextScene():转到下一场景。小括号内不必写参数。属于控制影片播放的函数。prevScene():转到上一场景。小括号内不必写参数。属于控制影片播放的函数。

stopAllSounds():只停止播放所有声音,但不停止动画播放。小括号内不必写参数。属于控制影片播放的函数。

fscommand():将fscommand发送到动画的容器中,即发送命令给Flash。属于控制Web浏览器和网络的函数。它的格式为:fscommand(”command“,arguments)。command是具体命令,arguments是命令参数。例如fscommand(”fullscreen“,true)指动画全屏播放。fscommand()还有许多很有用的命令及参数,这里就不一一例举了。

loadMovieNum():从外部加载SWF动画到指定位置。属于控制Web浏览器和网络的函数。例如:loadMovieNum(”dhua.swf“,1)指把“dhua.swf”这个外部动画加载到当前播放动画的第1层。在有些书中后面这个参数译为加载的级别或深度。

startDrag():在影片剪辑上开始拖放动作。属于控制影片剪辑的函数。

updateAfterEvent():在“mouse”或“key”剪辑事件后更新舞台。属于控制影片剪辑的函数。

7.4.2自制鼠标指针的方法

在课件中,鼠标指针是用我们自制的鼠标指针,这一效果的具体做法如下:

打开Flash MX 2004软件,新建一个Flash 文档,按住Ctrl+F8创建一个图形元件,命名为“shu”(创作者可自由命名),该图形元件就是鼠标指针的样子,设计者可按自己的想象自由创作一个图形作为鼠标指针。然后回到场景中,打开库面板,将刚做好的图形元件“shu”拖到场景中放在图层1第一帧,选中该元件,在属性面板中,将元件行为改为影片剪辑,实例名称命名为“myShu”(实例名称可由创作者自由命名)。

选中图层1的第一帧,在动作面板中编写帧动作,代码如下: startDrag(”myShu“,true);//功能是影片剪辑实例“myShu”为真,开始拖动。

插入图层2,选中图层2第一帧,在动作面板中编写帧动作,代码如下: this.onMouseMove = function(){ Mouse.hide();//隐藏鼠标指针

mc._x = _xmouse;//影片剪辑的横坐标等于鼠标指针的横坐标 mc._y = _ymouse;//影片剪辑的纵坐标等于鼠标指针的纵坐标 updateAfterEvent();//更新舞台 } 这样自制鼠标指针的效果便做好了,运行效果如图7-1。

图 7-1 7.4.3画板的制作方法

在我们的课件中,练习这一部分有用鼠标画线连接实物图的练习题。这一效果的具体做法如下:

打开Flash MX 2004软件,新建一个Flash 文档,按住Ctrl+F8创建一个影片剪辑,命名为“元件1”(创作者可自由命名), 回到场景中,打开库面板,将刚做好的影片剪辑“元件1”拖到场景中放在图层1第一帧,选中该元件,在动作面板中编写影片剪辑动作,代码如下:

onClipEvent(mouseMove){ //鼠标指针移动时

if(myline){ //如果条件“myline”为真

_root.lineStyle(2,0x0000FF,100);//定义画线的线粗为2磅,线的颜色为蓝色,线的透明度为100

_root.lineTo(_root._xmouse, _root._ymouse);//定义画线的终点坐标,横坐标等于鼠标指针横坐标,纵坐标等于鼠标指针纵坐标 } } onClipEvent(mouseDown){ //鼠标左键按下时

myline = true;//使myline为真

_root.moveTo(_root._xmouse, _root._ymouse);//定义画线的起点坐标,横坐标等于鼠标横坐标,纵坐标等于鼠标纵坐标 } onClipEvent(mouseUp){ myline = false;//鼠标左键释放时,使myline为假

} 这样用鼠标画线的效果便做好了,在课件中实现用鼠标画线效果的是一个单独SWF文件,做好后加载到课件中,运行效果如图7-2。

图7-2 7.4.4其他方法

我们课件中的每个教学版块都是一个独立的SWF文件,它们是通过加载外部动画的函数组合起来的。加载外部动画的代码为:

on(release){ loadMovieNum(”*.swf”,1);//*.swf是加载动画的文件名,1是加载的级别 } 一般来说,如果不是专业的设计制作人员,这些ActionScript函数不必死记硬背。Flash MX 2004的“动作”面板中提供了所有的ActionScript函数,“帮助”面板中提供如何使用这些函数的帮助。制作者要用到的函数只需双击该函数便可将其添加到ActionScript编辑区,再根据设计需要进行一定参数设置就能制作出很好的作品。我们制作的课件便是综合应用一些主要的ActionScript函数来制作并实现强大交互功能的。

8课件的设计思路(见浦理娥论文)9课件评估(见许安婷论文)10结论

教学课件的运用,使物理教学中抽象的知识变得具体形象,激发了学生的学习兴趣,提高了学生的学习效率,使学生积极主动地建构自己的认知结构。

作为教育技术专业的人员,我们应该具有开发课件的能力。要为学校教育开发出好的、有利于学生发展的课件。

参考文献 陈文庆,温响东,高燕,李华编著.多媒体CAI课件原理与制作[M].北京:冶金工业出版社,2003.2 何克抗,郑永柏,谢幼如.教学系统设计[M].北京:北京师范大学出版社,2002:40.3 郭黎岩.心理学[M].南京:南京大学出版社,2002.4 朱施南.多媒体教学与课件创意[M].武汉: 武汉理工大学出版社,2003:296.5 李克东,幼如编著.多媒体组合教学设计[M].北京:科学出版社,1994.6 毕广吉,卢丽萍编著.多媒体教学课件开发技术从书--物理[M].北京:北京理工大学出版社,2003:19~20.7 丁锦宏.教育学[M].南京:南京大学出版社,2002.8 沈大林,关点主编.Flash MX高级教程[M].北京:电子工业出版社,2003:209.9 李清,杨光,李胜编著.FlashMX2004 ActonScript入门必做练习百例[M].北京:清华大学出版社,2005.10 章精设,缪亮,白香芳编著.Flash ActonScript2.0编程技术教程[M].北京:清华大学出版社,2005.11全国知名中学科研联合体实施素质教育的途径与方法课题组.素质教育新教案.物理 初中第二册.北京:西苑出版社,2002.7 12人民教育出版社物理室、中国教育学会物理教学专业委员会编著.九年义务教育三年制初级中学教材 物理第二册.人民教育出版社出版.2001.13 李京,杨光编著.课程标准新教案·物理(配人教版)八年级·上.北京:中国和平出版社,2003:42~45.14 何克抗编著.教育技术学.北京:北京师范大学出版社,2002.10: 22~23.15 http://gz0668.cn/bbs/Print.asp?ThreadID=289 16 http://home.hn8868.com/psychsun/aboutme.htm

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