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简易自控电路活动方案
发表日期:2010-04-02 15:21:24 来源:《无线电》杂志 作者:孙心若 【 】 浏览:2844次 评论:0
广泛开展开青少年科普活动,是新时期推进我国科学技术普及工作的重要任务。为落实《2001~2005年中国青少年科学技术普及活动指导纲要》,《无线电》杂志2002年第4期尝试刊出《简易自控电路》电视教学内容,并附加光盘,以推进青少年电子科普活动。本活动方案是一种科技活动学习资源,可为教师的教和学生的学双方提供参考资料,活动也不必局限于课堂上,特别有利于学生的探究活动和体验。

  一、背景知识

  ㈠ 自动控制
  自动控制简称自控,没有自控电路就无法实现自动化。自控电路在没有人的直接参加下能够按照一定的程序工作,比如楼梯自控电灯,天黑时在接收到响声信号时,就会自动开灯,延迟一定时间后再自动熄灭。
  ㈡ 自控电路
  自控电路主要由传感器、控制电路和执行机构组成。传感器被称为“电五官”,它好比人的感官,通过眼睛看到光亮,通过耳朵听到声音,通过鼻子嗅到气味,通过舌头尝到味道,通过皮肤感觉到冷热或压力。控制电路好比人的大脑,根据感知信号作出判断,发出控制指令,并根据执行的情况进行修正。执行机构好比人的肢体,根据大脑发出的指令作出响应,比如听到发令枪响后,大脑作出起跑的判断,控制肢体完成起跑动作。
  ㈢ 传感器
  自控电路中的传感器能够接收控制信号,并转换成便于处理的电信号,是一种具有独立功能的器件。它主要由敏感元件和处理电路两大部分组成。敏感元件通常采用对某种物理、化学或生物等现象敏感的材料制成,如热敏电阻器、光敏电阻器、气敏电阻器、湿敏电阻器、压力传感器等。
  1.光敏电阻器
  光敏电阻器是一种受光照射导电能力急剧增加的电子元件。常用的型号为MG45-1,适用于可见光谱范围(0.4~0.76μm),亮电阻≤2~10kΩ,暗电阻≥1~10MΩ。使用时,耗散功率不要超过10mW,例如工作电压在5V时,通过的电流不应超过2mA 。另外,应避免强光长时间照射,防止光敏材料老化。
  2.干簧管
  干簧管是一种靠外磁场激励,使其内部两个簧片被磁化相吸而接通的开关,常用于干簧管继电器,作自动控制中电路快速切换。干簧管配上条形磁铁,可以做磁控开关,用作接近传感器。
  3.压电陶瓷片
  压电陶瓷片的金属圆片上粘接有压电材料(锆钛酸铅),受到压力时,压电陶瓷片两个表面会产生电荷,电荷量与压力成正比,这种现象称为压电效应。压电陶瓷还具有逆压电效应,即在外电场作用下,会发生形变。因此,压电陶瓷片的主要用途是做为发声元件,例如压电蜂鸣器,也可以用做为小功率高频扬声器。由于压电陶瓷片具有很高的压电性,因而能够有效地实现机械能与电能互相转换,可以用作声音传感器,甚至可以充当压力传感器。
  4.双金属复片
双金属复片是一种热量传感元件,它用两种热膨胀系数不同的金属,譬如铜和铁,铆焊成片状。受热时复片会向热膨胀系数小的金属面方向弯曲。在双金属复片弯曲或复直时,造成其与触点断开或接通,成为温度自动控制器。双金属复片常用于热继电器,电熨斗、电饭煲、电热水器的温度调节控制,最常见的是用于镇流器式日光灯的启辉器。
  ㈣ 继电器
  继电器是一种自动控制器件,有着悠久的历史,功不可没。常用的继电器为电磁继电器,它是利用控制电磁铁线圈中电流强弱,改变电磁吸力,使衔铁被吸引或释放,带动触点接通或断开电路,实现控制电路转换功能。常用的超小型小功率继电器,型号为JRC-21F,线圈电源电压为3V或6V,线圈消耗功率0.36W,触点形式为转换触点(一组常闭与常开触点),触点工作直流24V、1A。外形尺寸15×10×10.2mm,重量3g。
  ㈤ 蜂鸣器
蜂鸣器是一种能够产生音频叫声的讯响器。常用的小型蜂鸣器接通直流电时,利用内部集成电路产生音频振荡电流,驱动压电陶瓷片发出蜂鸣音。常用的工作电压有3V、6V等规格,工作电流约10~20mA。使用时蜂鸣器的极性不能接反。
  ㈥ 面包板
  面包板是集成电路实验板的俗称,它是一种具有多孔插座的插件板。通常,学生实验采用小号的SYB-46型面包板,外形尺寸长90、宽52、厚8.5 mm。它由4行23列弹性接触簧片和ABS塑料槽板构成。在面包板上,标有A、B、C、D、E字母旁边的每竖列上有五个方孔,被其内部的一条金属簧片所接通,但竖列与竖列方孔之间是相互绝缘的。同理,标有F、G、H、I、J每竖列的五个方孔也是相通的。面包板上下两个横行X和Y,各有二十个方孔也是相通的。

  二、能完成《纲要》和国家《科学》课程标准的目标

  通过活动培养学生学科学、爱科学、用科学、信科学的科学态度;体验实用电子技术,培养兴趣,形成特长;掌握实验基本操作技能和劳动技术;掌握科学观察、实验的方法,培养解决实际问题、动手实践能力;培养独立、自觉,探究性学习和钻研的学习习惯。

  三、活动方案

  ㈠示范性方案
  1.适用对象:13~15岁(初中阶段)
  2.活动建议:完成活动时间约2个月,每周2课时。
  3.活动目的
  向青少年普及电子技术活动,学习自控电路的基本知识和原理,了解其实际应用;通过实验、制作活动,使他们掌握面包板电路实验技巧,培养动手实践能力,创新能力,为他们高层次的小制作、小发明提供电子技术手段;通过活动参预增强他们对电子活动的兴趣,充实电子技术后备队人材。
  4.活动所需资源
  ⑴面包板实验套件
电阻器11只(51Ω、100Ω、390Ω、1kΩ、2.2kΩ、3.3kΩ、10kΩ、15kΩ、51kΩ、330kΩ、2.2MΩ)
面包板(SYB-46型) 磁控开关1套(条形磁铁、干簧管开关)
光敏电阻器1只(MG45-1) 压电陶瓷片1片(φ27mm)
电容器2支(1000P、0.022μ) 蜂鸣器1个(3V或6V)
二极管1支(1N4148) 小电灯1个(3.8V)
发光二极管1只 玩具直流电动机1个(3V,带小螺旋桨)
光敏二极管1只 按钮开关1个
三极管4支(8050、9013×2、9014) 电池组2组(3V、6V,带电池卡)
继电器1个(JRC-21F) 元件盘1个
双金属复片1个(启辉器) 导线若干

  ⑵自制线路板、焊接工具、万用电表。
  ⑶面包板示教板
  面包板示教板是一块放大了的学生实验用的面包板。使用时,可以把它挂在黑板上,在上面插接所需的实验电路,用以示范电路的连接,演示实验中所发生的现象,排除故障等。面包示教板外形的尺寸高665、长910、厚55mm,相邻插孔之间的距离为35mm。
  5.活动内容
  见《无线电》杂志2002年第4期“电路与制作”栏目文章《简易自控电路》
  6.活动方法指导
  ⑴按照《简易自控电路》内容先后顺序,由简到繁,由易到难,循序渐进。
  ⑵抓住三极管电子开关电路设计关键,了解传感器应用性能,掌握三极管电流分配计算方法,其他简易自控电路的设计就迎刃而解了。
  ⑶从剖析自动灭火电路入手,理解自动控制电路传感器、控制电路和执行机构三大组成及其作用,举一反三,就能够掌握其他的自控电路的分析方法。
  ⑷将创造性思惟(逆向思惟、侧向思惟)方法融汇于电子技术教学当中,激发学生的创造意识,引导他们积极开展探究和体验实践活动。
  ⑸简易自控电路系列实验可以在面包板(数字集成电路实验板)上进行电路搭接、测试,必要时再制作线路板,事先需做好操作指导。
  ⑹简易自控模拟实验电路是让学生步入现代自动控制技术的入门向导,指导教师还需要引导学生为其高档次的小制作、小发明获取新的信息资料。
  7.评价
  ⑴笔试考核内容
  ①自动控制电路及其组成;②传感器及其组成,常用的传感器;③三极管电子开关电路设计方法;④某自动控制电路工作原理;⑤设计自动控制电路。
  ⑵实验考核内容及要求
  ①掌握面包板实验技术,能够根据指定的电路图,熟练地进行实验电路的连接、调整和故障排除。要求电路连接正确,简炼迅速,便于调测、整齐美观。②正确选择和使用所需的电子元器件。③实验某一自控电路,写出实验报告。
  ⑶综合技能(作品)考核
  利用简易自控电路完成一件作品,要求具有科学性、创造性和实用性。
  ㈡指导性方案的思路
  自控电路创新竞赛活动
  在简易自控电路系列实验及其制作活动基础上,为激发学生的创造意识,开展创造活动,可以进行有关自控电路创新方案设计、小发明竞赛活动,引导他们积极主动地参预探究式活动,与全国青少年科技创新大赛竞赛内容接轨。
  根据普及竞赛活动的要求,活动方案考虑如下:
  1.背景资料:创新方案设计是倡导和鼓励青少年运用所学知识,对重大现实问题和对21世纪展望和概念设计,形成具体的方案参加展示。小发明是指学生利用所学或探究知识提出合于实用的新方案,应当是一件具有新颖性、创造性和实用性的产品(作品)。
  2.命题选择:限于学生实践条件有限,竞赛活动命题要适当划小,可以考虑专项命题竞赛。例如,热量自动控制竞赛、光电自动控制竞赛等,使学生能够紧紧追踪目标,在有限条件下获得最好的结果。其中,创新方案设计可以根据竞赛命题写出方案或制作出模型,而不是一件难度较高的产品(作品),因而更容易实施及普及。
  3.竞赛筹画:开展自控电路创新竞赛,首先要明确和制定竞赛要求和规则,其次是做好宣传动员工作,培训好指导教师。可以事先搞一个小型模拟竞赛,进行调查研究、观摩培训和竞赛实施操作验证等。
  4.设计制作:可以开展小科学院式研究步骤和方法,将学生推到科研第一线,真正发挥学生活动主体的地位;指导教师要为学生的科研创造好条件,进行模糊引导,提供丰富的信息和经验,不要包办代替。指导教师要培养学生团队精神,鼓励他们参预激烈比赛竞争。
  5.交流展示:组织班、校、区县和市各级竞赛,展示自控电路创新成果,组织评委对创新方案设计和小发明进行评选。
  6.活动评价:
  主要进行作品考核,要求具有科学性(新颖性)、创造性和实用性。
  ㈢扩展性方案的线索
  借鉴简易自控电路活动方案,是否可以拓展出类似的现代电子技术--脉冲电路、时基电路、数字集成电路和电子琴电路活动等方案。当然,也不仅仅局限于电子技术,还可以拓展到其它的领域。

  四、附件

  为方便大家解决配套器材的问题,下面列出了教育部办公厅2001年7月8日教基厅[2001]8号文件公布的首批通过部级学具鉴定单位的名单,您可通过当地教育厅(教委)教育技术装备处(部、站、中心、公司、办)与他们联系相关器材的配备。
  1.通过教育部小学学具鉴定的单位及其产品名单:

序号 单  位 序号 单  位
1 大梁山文教科技有限公司  11 安徽科慧教学用品有限公司 
2 南通海易标牌有限公司  12 宁波保税区远东文教用品有限公司 
3 北京智发教学用品厂  13 宁波大风车教育器材有限公司 
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5 浙江余姚市育才教学仪器厂  15 宁波华茂集团股份有限公司 
上海东方教具有限公司  16 杭州市瓶窑文教用品有限公司 
6 江苏海门市春华塑料制品厂  17 宁波华雄智能开发有限公司 
7 浙江三和科教仪器有限公司  18 湖州立方集团有限公司 
8 浙江金华市迅达实业有限公司  19 西安市求知教学用品有限公司 
9 北京翔云工艺美术社  20 北京市百佳艺苑教学用品有限公司 
10 中央教育科学研究所  21 江苏共创教育发展有限公司 

  2.通过省级小学学具鉴定经教育部备案审查通过的单位及其产品名单:

序号 单  位
1 重庆市教鸿学具厂
2 重庆市冠达教学设备厂
3 重庆市启智文教用品厂
4 宁波保税区远东文教用品有限公司
5 湖州立方集团有限公司
6 大梁山文教科技有限公司
7 浙江三和科教仪器有限公司

 

 

 

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