小学数学综合实践活动：设计方案与实践

2023-08-03 理论教育版权反馈

【摘要】：图13取/刷卡装置面板正面草图3.2 准备材料3.2.1 超声波传感器图14所示装置的主要作用是超声测距。图14超声波传感器3.2.2 单板机电路图15所示为单板机外形图。图15单板机3.2.3 电机和机械传动机构电机的作用就是推动机械传动机构的伸缩。图19准备设计方案图20初步写出设计方案图21与老师讨论方案图22与老师讨论方案图23装置初步制成图24老师指导装置

3.1 设计构思

结合公路或停车场收费站的实际情况，利用超声感应器的原理，我们设计了一种自动取卡/刷卡装置。只需将这种装置替换原先在公路或停车场中的固定装置即可。当有车辆停留在感应器的感应范围内时，感应伸缩杆就会自动伸展到距离车身的安全位置停下，这样，车辆的驾驶员只需通过车窗就可以直接取卡或者刷卡，既节省了车辆通过收费站的时间，同时也可避免车辆不必要的损伤，保证驾驶员的安全。

图11所示中自动取/刷卡机高度约为2米，宽约为50厘米，我们可以在其1.2米和1.7米高度处分别替换原有的固定式取/刷卡装置，这样可以方便不同高度的车辆取/刷卡。

图11　感应式自动取/刷卡机的正面草图

图12所示中板面的厚度大约为15厘米，感应式伸缩杆为圆筒形，其宽度约为9厘米，可伸缩的长度为15～60cm。

图12　感应式自动取/刷卡机的横剖面草图

图13所示为取/刷卡装置面板正面图。与一般的固定装置一样，该装置同样具有刷卡、取卡、求助和免费通行的功能。

图13　取/刷卡装置面板正面草图

3.2 准备材料

3.2.1 超声波传感器

图14所示装置的主要作用是超声测距。当汽车停在超声波的感应区域内时，该装置可以探测到车与取/刷卡机之间的距离。

图14　超声波传感器

3.2.2 单板机电路

图15所示为单板机外形图。单板机电路的作用就是可以根据实际情况进行编程。其根据超声波的测距结果来控制电机的转动情况，从而引起装置的伸缩。

图15　单板机

3.2.3 电机和机械传动机构

电机的作用就是推动机械传动机构的伸缩。

3.3 原理采用

利用先进的超声感应器原理和单板机原理，使装置本身可以感应车身与收费窗口的距离。当车辆距离收费窗口位置大于正常取/刷卡的距离时，自动取/刷卡机可以通过超声感应器感应到车辆的具体位置，然后“感应式伸缩杆”自动将取/刷卡装置板面伸缩到离车辆距离合适之处，这样车辆驾驶员就可以按下“取卡按钮”进行取卡或者直接刷卡。当取卡或者刷卡成功后，取/刷卡机能够智能感应并发出取卡或者刷卡成功或者是免费车的提示声音，取/刷卡板面就会自动回复到原来的安全位置。同时，收费口的起降杆会自动感应升起，车辆安全通过收费口之后，起降杆就会智能感应自动回落。

图16和图17所示为超声波测距原理图和工作系统图。当超声波探头发出的超声波在传播过程中遇到障碍物（汽车）后将会被反射到接收探头。这样我们就可以得到超声波一个来回的时间t，由下列公式就可以得到障碍物离探头的距离。

式中：c为超声波的传播速度，常温下为330米/秒。

图16　超声测距原理图

图17　超声测距的工作系统图

图18所示为设计的具有智能伸缩结构的取/刷卡装置。当车身与自动取/刷卡机距离小于50厘米（司机刚好能拿到卡的位置）时，伸缩杆不会伸出，司机可以方便地取/刷卡。当距离大于50厘米时，伸缩杆会伸长，直到取/刷卡距离车身小于50厘米，使得司机能方便地取/刷卡。

图18　具有智能伸缩结构的取/刷卡装置原理图

3.4具体实施计划

（1）收集资料，2013年2～5月。

（2）研究方案设计，2013年6～8月。

（3）材料准备，2013年9月。

（4）具体制作，2013年10～11月。

（5）分析测试及修改，2013年12月～2014年1月。