基于港珠澳大桥的控制系统教具.docx

    基于港珠澳大桥的控制系统教具    周道营设计背景在普通高中《通用技术2》第四章“控制与设计”中，课标要求学生熟悉开环控制系统的基本组成、工作过程，理解传感器、控制器、执行器的作用，根据控制系统的控制要求，确定被控量、控制量，进行简单控制系统的设计由于学生首次学习控制系统的理论，教学内容抽象，学习难度大，展示教具少，学生难以理解，教学效率低下针对以上情况，我设计了基于港珠澳大桥的控制系统教具教具来源于我国北斗导航和港珠澳大桥两大前沿科技学生对新鲜事物兴趣很大，可以了解北斗卫星导航系统是我国自主研发的卫星导航系统，已广泛应用于地理测绘、环境监测、交通运输、智慧农业、气象预报和移动通讯等各行业，深刻改变了人类生产和生活方式;港珠澳大桥是国家工程、国之重器，其建设创下多项世界之最，体现了我国综合国力和自主创新能力，体现了勇创世界一流的民族志气设计思路教具设计要力求新颖，能够有效提高学生的学习热情;能够说明控制系统的理论知识，帮助学生理解传感器、控制器、执行器的作用，掌握控制系统的工作过程;能够为后续的控制系统设计提供设计思路，一个教具达到多重效果教具利用风力、温湿度、震動、碰撞等传感器感应外部信号，将信号通过有线或无线传递给大桥控制器或汽车内控制器（北斗系统开发板）进行分别处理，处理结果传递给大桥执行器或汽车内执行器，再将执行信号传递给大桥控制对象（红灯、舵机）或汽车内控制对象（红灯、音响），控制对象分别输出灯光和语音提示。

控制器工作示意图如图1所示，控制系统框图如图2所示研究过程了解北斗导航定位系统和港珠澳大桥系统◇北斗导航定位系统中国北斗卫星导航系统（BeiDou Navigation Satellite System，BDS）是中国自行研制的全球卫星导航系统，是继美国全球定位系统（GPS）、饿罗斯格洛纳斯卫星导航系统（ GLONASS）之后第3个成熟的卫星导航系统北斗卫星导航系统（BDS）和美国GPS、俄罗斯GLONASS、欧盟GALILEO，是联合国卫星导航委员会已认定的供应商北斗卫星导航系统由空间段、地面段和用户段3部分组成，可在全球范围内全天候、全天时为各类用户提供高精度、高可靠定位、导航、授时服务，并具短报文通信能力，定位精度10米，测速精度0.2米/秒，授时精度10纳秒◇港珠澳大桥系统港珠澳大桥针对跨海工程低阻水率、水陆空立体交通线互不干扰、环境保护及行车安全等苛刻要求，采用了“桥、岛、隧三位一体”的建筑形式;大桥全路段呈S型曲线，桥墩的轴线方向和水流的流向大致取平，既能缓解司机驾驶疲劳，又能减少桥墩阻水率，还能提升建筑美观度确定教具设计方案以北斗导航技术、港珠澳大桥两大前沿技术为依托，运用北斗系统开发板、北斗定位模块、Arduino开发板、显示屏、各种传感器等设备，对道路、车辆进行实时监控，并将道路信号、汽车导航等信息进行实时共享互动。

当有桥梁主要构件出现形变，风力超过桥梁承受能力等时，信息及时通过预警系统发出警报，及时关闭桥梁交通，提前进行维修、维护;或者车辆出现超速、超重、事故、停靠等情况时，道路都能发出提醒，通过导航进行灯光、语音提示教具集多个传感器于一身，创造性地解决现实问题，有效提高学生的学习兴趣，加深对知识的理解熟悉Arduino开发环境，编写教具程序根据教具设计方案，通过Arduino开源开发环境对桥梁控制系统和汽车导航控制系统进行设计编程，并进行测试3D设计项目所需零件，进行硬件初步组装使用SketchUp绘制图形，并用3D打印机打印模型构件学习北斗导航定位模块的原理研究学习北斗导航定位模块的原理并进行软件测试基于Arduino控制的桥梁道路智能管理系统教具整体效果图如图1所示教具功能展示功能一：北斗气象站系统在大桥入口、车辆北斗导航同步显示桥梁道路的温度、湿度、风力等信息功能二：北斗安全预警系统可以实时监测桥梁道路的风力情况、桥墩的形变情况，如果超过设定值，大桥入口关闭，车辆北斗导航有灯光、语音提示功能三：北斗智能测重系统当车辆距离测重系统500米远时，导航有灯光、语音提示;当车辆超重时，车道关闭，导航发出灯光、语音提示。

功能四：北斗实时位置提醒系统当车辆处于测重系统500米、大桥入口、大桥出口等位置时，车辆导航有灯光、语音提示，驾驶员可以根据所处位置的不同，采取不同的驾驶速度功能五：北斗智能测速系统当车辆在大桥上行驶时，导航有车辆高速、低速或停止的语音提示功能六：北斗一键报警系统当车辆在大桥上发生故障或交通事故时，可以通过导航一键报警，桥梁控制室有灯光提示、语音提示求助车辆所处位置创新点教具运用信息技术知识结合北斗技术和港珠澳大桥进行制作，新颖独特，能够有效激发学生的学习热情教具操作简单、展示效果强，能够充分说明开环控制的组成、工作过程，帮助学生加深对知识的理解，能够开拓学生的思维，为控制系统的设计奠定基础小结通过在课堂上使用基于港珠澳大桥的控制系统教具，学生能够迅速掌握开环控制的组成，明白传感器、控制器、执行器的作用，理解开环控制的工作过程，有效提高了教学效率教具操作简单，展示、引导作用强，引导学生运用所学知识解决实际问题，为以后学生进行控制系统的设计奠定了良好的基础该项目获得第34届全国青少年科技创新大赛科技员创新成果科教制作类一等奖专家评语该项目以港珠澳大桥为主题，制作了适合中小学教学的可操作控制演示模型，将风力监测.位置监测、超重监测等传感器控制应用以大型模型方式展现，体现了港珠澳大桥、北斗定位系统等国家重大工程，能够有效帮助学生学习理解传感器和控制的相关知识。

作品实用性强、选题新颖，具有示范推广价值，进一步希望在制作工艺和模型大小比例方面作出改进和提升  -全文完-。