能替代水平仪、倾斜仪和量角器的多功能直尺

上海市长青学校

作者：徐尉宏

项目简介

本作品的设计创意来源于一次听课，看到数学教师在黑板上使用量角器做几何图形时，让我联想到可以利用单片机和三轴加速度传感器，做一把有数显“角度”功能的直尺。当制作出这个作品后，发现它不仅能完成“量角器+直尺”的功能，它本身也是一个水平仪和倾斜仪，用在物理实验中，测量斜面的倾角很实用，正在积极尝试结合薄膜电阻压力传感器，以及processing和LabVIEW软件作为上位机，进行物理教具的设计制作与实验。

主要由ArduinoNano3.0单片机主控制板（AVR单片机最小系统）、MPU6050六轴加速度陀螺仪传感器、LED数码管制作而成，它的主要功能为数字显示“倾斜角度”。将它固定在一把PVC材料制成的直尺上，这把直尺就同时具备了水平仪、倾斜仪和量角器的多种功能。这把多功能直尺不仅可以方便数学老师在黑板上作图使用（测量角度、绘制角、平行四边形），也可以用在物理实验中，用以测量斜面的倾角或者单摆摆动的幅度等。

本作品使用C语言进行设计和编程开发，程序的可读性很强。通过使用I2C总线方式，只用了两根数据线（SDA、SCL），就能对MPU6050六轴加速度陀螺仪传感器进行读取数据，线路稳定而简洁。程序中对传感器的采样数据进行了的计算和变换，使用反正切公式计算角度的弧度值，最后换算成角度值在LED数码管上动态显示。

本作品的主要创新点有：1．利用单片机技术，对教学中最常见的教具进行改良和创新，在保证精度的前提下，帮助老师提高教学的效率；2．模块化后的教具同时满足数学和物理两门学科的需要，应用起来很方便；3．Arduino单片机与电脑和各种设备的通信方式很多，而且开发起来很方便，这是具有相似功能的手机应用程序无法做到的。

铁路道岔信号表示电路防雷整流器

江苏省常熟职业教育中心校

作者：金波

项目简介

道岔为铁路轨道的转轨设备，在车站、编组站被大量使用，是铁路调度指挥管理系统（TDCS）中最底端的设备。道岔控制分启动和表示两部分，表示是指把道岔位置实时反映到TDCS的电路，表示不仅用于监督，更重要的是用于联锁，表示决定进路的排列及信号的排列。表示电路的整流器是半波整流器，该整流器失效将致表示功能失效，失效将影响铁路运输的安全与正点。中国是一个多雷暴的国家，南方地区平均雷暴日在80日左右。道岔控制器分布于车站、编组站区域，是铁路信号系统中受雷暴损害最多的设备，问题由来已久从未解决。

道岔信号表示电路防雷整流器的创新，不仅引用了传统的限幅和堵塞的防雷技术，还引入了冗余和自复，强调了电路的“二次防雷”的特性。既满足“简洁至上、安全第一”的设计原则,又满足“故障导向安全“的铁路安全运行原则，其主要创新之点有：1、冗余：本项目中冗余的应用有限幅冗余和整流冗余。冗余、双重限幅冗余和整流冗余是本项目的重要创新。限幅冗余在原电路中，插入由压敏电阻并联构成的三元件的双重限幅冗余电路。第二级限幅冗余电路是通过对称结构的巴特沃斯低通滤波器串联后并联接入一级限幅冗余电路。整流冗余使整流二极管与限流电阻、电子自复熔断器串联构成整流支路并设置冗余，使某一支路整流器失效，不影响其余支路的整流。2、自复：是本发明的最主要创新。瞬态抑制二极管（TVS）是一种新型的防雷器件，正向特性与整流二极管完全相同，反向特性为典型的PN结雪崩器件，TVS的防雷就是反向的PN结雪崩的应用。用TVS做整流，电路自身具有防雷自复作用，使电路摆脱击穿失效的困扰，上述的创新能使信号表示电路在强雷暴地区经受多次雷击情况下仍保持工作正常，从而确保铁路运行的安全与正点，该技术如果推广，铁路在雷暴环境下运行的安全性将得到极大提高。

基于数据采集的超重失重演示测量装置

江苏省启东市大江中学

作者：文云全

项目简介

项目摘要：针对现有超重与失重演示测量装置不够直观，不能保留超重与失重的加速度变化过程，更不能准确测量和记录超重与失重的加速度数值，造成演示和测量效果不佳等不足，本研究将加速度传感器和无线数据传输技术整合运用，提供一种基于数据采集的超重与失重演示测量装置，能演示测量和自动记录物体超重与失重时的加速度数值，并加以处理后通过列表和图形显示，结构简单，操作方便，直观准确，效果明显。

项目的背景和改进的基本思路：现有超重与失重演示测量装置均只能定性地观察，而且经常因速度过快而无法看清，不够直观形象，不能清楚反映超重与失重的变化过程，更不能定量记录超重与失重的瞬时数值，造成演示效果不佳，学生难以理解。本研究的目的是提供一种能演示测量且能自动记录物体超重与失重时的加速度数值，并加以处理和直观显示的装置。根据高中物理教学中学生对超重与失重现象的直观感受和体验需求，以及通过实验演示和测量超重与失重程度，从而深入理解超重与失重本质的需求分析，梳理现有相关超重与失重演示和测量装置的种类及优缺点，选择和利用相关科学知识与原理进行移植、设计、制作、试验和改进。

应用的科学方法、科学原理：本研究主要运用需求分析、缺点列举、原理移植和试验改进的方法。将加速度传感器、数据采集器、无线传输数据等与电脑处理和显示相结合，实现超重与失重现象的直观演示和具体数值的测量。

该项目的创新点或改进点：一是通过加速度传感器和数据采集器实时采集超重与失重的加速度值；二是超重与失重的加速度数值通过无线数据传输进行数据采集；三是加速度数值自动存档和处理后通过列表和图形直观显示。结构简单，操作方便，直观准确，效果明显。

项目的使用情况和进一步完善的设想：通过在全校高一年级13个班的实践证明，演示测量效果很好。并希望能进一步开发，提高其测量频率，达到更加精准的效果，以便应用于更加广阔的领域。