虚拟实验在LED数码管多位动态显示教学中的应用

第一篇：虚拟实验在LED数码管多位动态显示教学中的应用

虚拟实验在LED数码管多位动态显示教学中的应用

作者简介作者简介：蒋宏伟(1967-)，男，江苏省昆山第二中等专业学校高级教师，研究方向为计算机程序设计、单片机应用。1LED数码管多位动态显示教学难点

LED数码管是单片机控制系统中最常见的显示设备之一，它具有亮度高、价格低、寿命长、对电流和电压要求低、与单片机连接方便等诸多优点。但是LED数码管又是占用单片机端口资源的“大户”。为了克服LED数码管这个致命的缺点，在实际应用时会想很多办法，数码管多位动态显示便是其中巧妙的方法之一。同时还可以运用各种I/O端口扩展的方法，让数码管多位动态显示以更加节省资源。但是正因为这个“动态”，给其原理的理解增加了许多难度，如果再和各种端口扩展结合在一起，就让学生更难以理解。多位数码管动态显示与各种端口扩展结合在一起，注定了硬件结构的千变万化。如果在教学中不注重让学生理解本质原理，而是针对某一固定的硬件背几段程序，这种教学极不利于学生今后的工作。因此，必须通过合理的教学设计，特别是运用信息技术手段突破教学难点，让学生真正地掌握基本原理，并适应工作中的各种变化。

2虚拟实验对传统实验的突破

2.1实验在单片机教学中的地位

“单片机原理及应用”是一门理论性和实践性都很强的课程。戴尔的“经验之塔”理论指出，最底层的经验即做的经验是最直接最具体的经验，越往上升越抽象。教育应从具体经验入手，逐步过渡到抽象经验，有效的教学方法，应首先给学生丰富的具体经验。单片机课程实验可以让学生获得丰富的直接体验，是学习单片机课程的重要内容。

2.2单片机课程传统实验教学方式的弊端

实际教学中，传统的实验方法存在许多问题。首先，因实验设备数量有限，教学中只能分组进行实验，组内成员间相互依赖性较强，不利于培养全体学生的动手能力、创新能力和综合运用知识的能力；其次，实验只能在实验室中进行；往往是以教师为中心，学生在规定的时间内，用统一的模式，按照指导书上规定的步骤做相同的验证式实验，而在课前预习和课后作业阶段一般也只能“纸上谈兵”，这不利于激发学生的学习兴趣和主观能动性；最重要的是传统的实验箱硬件结构固定，使得教师很难根据教学要求由浅入深地灵活重组和设计实验，对于硬件上的新变化、新技术，更难以应对；另外，硬件的损耗、故障等，都会影响实验的效果，这不利于教学的组织，对学生理解原理和学习知识造成了干扰。

2.3运用虚拟实验能够突破传统实验的束缚

虚拟实验是现代信息技术发展的产物，虚拟实验室的开发与应用将对实验教学产生革命性影响。

奥苏伯尔的“认知结构迁移”理论提出了影响迁移的认识结构的3个主要变量，即可利用性、可辨别性和稳定性。可利用性是指在面对新知识的学习时，学习者原有认知结构中是否具有用来同化新知识的适当观念；可辨别性是指面对新知识的学习时，学习者能否清晰分辨新旧知识间的异同；稳定性是指面对新知识的学习时，用来同化新知识的原有知识是否已被牢固掌握。学生在某一领域的认知结构越具有可利用性、可辨别性和稳定性，就越容易导致正迁移。虚拟现实技术及相关技术的发展水平已使其可以胜任对真实实验室的模拟。虚拟实验系统的虚拟性、实践性、灵活性，使其在建立概念、弄清原理、培养解决问题的方法和能力方面具备了实际实验所不具备的某些特殊优势。通过虚拟实验室反复实验所获得的体验，可以顺利地迁移到真实设备上。

Proteus是世界上著名的EDA工具，它实现了从原理图、代码调试到单片机与外围电路协同仿真，是目前世界上唯一将电路仿真软件、PCB设计软件和虚拟模型仿真软件三合一的设计平台。运用Proteus 构建虚拟实验室，实现了拥有一台PC机就拥有一间实验室的梦想。它可以将复杂的教学问题进行分解，可以将不便观察的现象仿真演示，可以将实验从实验室扩展到学生课前预习和家庭作业中，充分发挥了信息化教学的作用。

3虚拟实验在LED数码管多位动态显示教学中应用的难点LED数码管多位动态显示原理和相应的端口扩展方法，是学生较难掌握的知识难点。在教学过程中，如果能恰当地利用虚拟实验易于观察、变化灵活的特点，对教学知识点进行合理分解，每个知识点均配以相应的实验，在所有知识难点都得以突破后，再进行综合运用和真实实验，则会取得很好的教学效果。

3.1运用虚拟实验认识“位选”概念

数码管多位动态显示的硬件连接特点是将各个数码管字型码端口连接在一起，理论上从单片机中送出的字型码会被所有数码管接收。在这种情况下如何让每只数码管分别显示不同的字型，是学生难于理解的第一个问题，为此设计如图1所示的实验。通过程序送出字型码的同时，用开关手动控制每只数码管公共端的高低电平，让学生清楚地看到字型码有选择地送达不同数码管的过程，从而弄清很重要的“位选”概念。

图1用虚拟实验中认识“位选”

3.2运用虚拟实验感受“动态”的原理

在了解了“位选”的概念后学生又会有另一个疑惑：为什么数码管明明是轮流显示的，可看上去却同时显示？这时再通过另一个虚拟实验（见图2），用程序去控制公共端电平的切换，并逐渐加快电平切换的速度，学生最终会看到一个奇迹，尽管数码管是轮流显示的，但最终看上去却同时稳定地显示了。在观察到上述现象后，再向学生揭示人眼的“视觉暂留”现象，从而帮助理解这个“动态”的概念，为进一步学习控制程序打下基础。

图2用虚拟实验感受“动态”

图3用虚拟实验体验端口扩展

图4用虚拟实验培养综合运用能力

3.3运用虚拟实验体验端口扩展方法

通过前面的学习，学生已掌握了数码管多位动态显示的基本原理与编程方法。在上述硬件连接中，为了实现8位数码管的显示，共占用了两组完整的端口。

第二篇：虚拟实验在生理学实验教学中的应用

虚拟实验在生理学实验教学中的应用

生理学是研究和阐述人体正常功能活动规律的一门学科，是高等医学院校学生的重要基础课程。生理学教学效果的好坏，关系到医学生能否更好地学习后期课程如药理学、病理学、病理生理学等学科。随着计算机技术的迅猛发展和信息时代的到来，传统的教学模式已不能满足现代高等医学教育发展的要求，实验教学改革势在必行，已成为实验课教学改革的热点之一。．近年来，我们实验室在生理学实验教学中就采用了虚拟实验教学，取得了一定的效果。

虚拟实验是利用计算机技术及其图形功能，应用虚拟动物等来仿真实际生理实验过程，以达到实验目的的应用系统【1】。1．虚拟实验激发了学生的学习兴趣

虚拟实验利用计算机及其仿真软件来模拟实验的环境与过程，让学生通过计算机来做实验．以达到实验目的【2】。利用虚拟实验指导学生在实验课前进行预习，并以期前收缩、家兔呼吸运动的调节这两个实验为例进行重点讲解，讲述生理实验中用到的实验动物与基本的操作方法，然后模拟实验全过程。这样就让学生对生理实验的基本操作有了初步了解，避免在以后的具体操作中出现无从下手，从而将实验操作变难为易。同时，虚拟实验演示的整个实验过程，并配有录音讲解和局部放大，对学生具有很强的吸引力，激发了学生的学习兴趣，有助于记忆，提高学习效率。

2、提高生理学实验的成功率，培养学生综合分析问题的能力

动物实验在生理学实验中占有重要的地位。其教学方法基本采用实验前教师讲解、演示部分操作步骤，然后由学生动手操作，教师总结的模式。一些大动物实验，如：哺乳动物动脉血压调节、家兔呼吸运动调节等手术操作过程不可能进行示教，只能在黑板上用示意图的形式比画，学生对手术过程，特别是迷走神经、气管插管和颈总动脉插管没有感性认识，因而降低了实验的成功率。如果学生在实验前对整个实验过程的难点做到心中有数，将会明显提高实验的成功率。虚拟实验也相对比较直观，能够重复再现．从而加深学生对实验的印象。使教学更形象、生动．不仅能达到实验的基本目的要求，而且能节．约实验经费，达到事半功倍的效果。3．虚拟实验有利于培养学生的实验设计能力

学生通过虚拟实验软件系统可设计和进行探索性实验、综合性实验和设计性实验，有利于培养学生的实验设计能力，实验思维能力，综合应用、独立分析和解决实际问题的能力以及创新意识和创新能力。

4、计算机模拟实验提高了学生的实际动手能力

现在生理学实验面临这样一个问题即加强大学生实验基本操作技能培养和现实实验条件之间的矛盾。实验技能是通过反复练习而获得的一种动手操作能力。而生理实验课的学时数是有限的，所以在实验课上没有足够的时间让学生反复练习基本的操作技能【3】。在实验课上经常看到有些同学存在一边看书一边做实验、损坏仪器、浪费实验动

物、操作不规范等问题。由于学生对生理实验的基本操作技能训练不够，实验前没有及时预习，从而导致不能对实验进行合理的安排，实验进程缓慢，往往下课时间已到．实验还没有完成。我们发现在虚拟实验室观察完以后，学生再动手进行真实的动物实验操作，从动物的麻醉到手术的进行，如捣毁蟾蜍的脑和脊髓、切开家兔颈部皮肤、迷走神经分离、颈总动脉插管进行得都很顺利。

5、虚拟实验不能完全替代真实实验

虚拟实验不等于真实实验，一些在真实实验中出现的问题在虚拟实验中并不出现，学生无法体验这些问题。例如，在“影响动脉血压的因素”实验中，麻醉过浅，实验动物遭受疼痛刺激而挣扎；麻醉太深则致动物死亡。这是在虚拟实验中所无法体会到的。并且在虚拟实验中，麻醉、手术的过程以及神经血管的分离和动脉插管等具体过程很难体现出来，这说明虚拟实验和真实实验有着本质的不同。虚拟实验仅是通过计算机模拟和演绎由实验所获得的已知规律【4】。虚拟实验只能起到演示的作用，学生只有在真实实验中才能得到训练。真实实验对学生动手能力培养的作用是虚拟实验不能取代的，只有在学生的动手能力得到充分锻炼的基础上辅以虚拟实验，才能使学生的各种实验能力得到协调发展。

随着科技进步的日新月异以及人才竞争，人们对生理学实验教学在创新人才培养的重要作用上有了更加深刻的认识。因此，在以培养创新人才为核心，开展对学生进行实践教学、加强能力培养的同时，应十分重视实验教学的改革，改进实验教学模式，以适应社会发展的需要【5】。使用虚拟实验教学，就是提高生理学实验教学质量的有效途径之一。使生理学实验更符合教学大纲的要求，满足培养现代化人才的需要。

参考文献

【1】 杜俊敏．虚拟实验在实验教学中的应用【J】．交通高教研究。2003，3：63~64．.【2】 孙怀东．试论虚拟实验在高校实验教学中的作用【J】.三明高等专科学校学报，2002，19(2)：140-142．

【3】 黄志军．浅谈CAI在生理学实验教学中的应用优势[J]．医学理论与实践，2005，18(8)：589,689 【4】 范爱平．实验与虚拟技术【M】．济南：山东科学技术出版社，2001 【5】 林桂平，向秋玲，王淑珍等．虚拟实验及其在生理学教学中的应用[J]．医学教育探索，2007，6(10)：948-955

第三篇：文字材料——虚拟实验软件在化学教学当中的应用

化学虚拟实验软件在教学中的应用体会

东丰县小四平镇一面山中学左海 进入21世纪，信息技术迅猛发展，现已逐步渗透到社会的各个领域，它正改变着人们的生产生活，工作和学习方式。化学作为一门以实验为基础的学科，他要求教师应该有效地利用课程资源，将信息技术应用到化学教学当中。在众多教学辅助软件当中，我认为化学虚拟实验软件在化学实验教学过程中突显出不可替代的作用。下面我就来谈谈虚拟实验软件在化学教学实践当中的几点体会。

一、虚拟实验软件使用，缩短了备课时间，提高了备课效率。随着多媒体教学的发展，制作课件成了教师备课的一个重要组成部分，但是为了制作一个好一点的课件，往往要耗费3-4天的时间。但是现在我们有了理化生虚拟实验软件，就可以缩短课件制作时间。因为虚拟实验教学平台涵盖了初中阶段全部教学演示实验、探究实验、仿真教学仪器和使用工具。教学平台为我们提供了大量的课件素材，通过教学平台制作课件，操作简便，节省了教师备课时间，从而提高了备课效率。

二、虚拟实验软件的使用提高了实验开出率

作为农村中学，虽然实验仪器是省里全新配置的，但是实验室里没有通风橱，像一氧化碳等一些有毒气体实验仍然无法操作，这样的实验我们就可以利用虚拟实验软件来完成，同样可以达到相应的实验效果。

另外，农村中学，大部分学校实验室没有供暖设施，做实验有一

定的季节性。到了冬季实验室就处于封闭状态。如果等到来年春暖花开的时候再补做实验，效果并不理想。这样我们就可以通过虚拟实验软件，在多媒体教室内进行模拟实验就可以解决这个难题。

三、虚拟实验加快授课进程，提高课堂效率。

有些实验，学生虽然亲手操作了，但时间一长，记忆就有些模糊了，到了总复习的时候，想要把每个实验重新操作一遍，那是根本不可能的事情。这样我们可以让学生通过观看虚拟实验，利用一到两节课的时间，便可以把初中阶段的所有实验复习一遍，从而解决了初三复习时间紧的难题。进而提高了课堂效率。

四、虚拟实验有效辅助教学，解决实验耗材问题。

化学当中有些实验，例如实验室用高锰酸钾加热制氧气，试管口为什么要略向下倾斜；实验结束时为什么要先撤导管，再熄灭酒精灯等问题。老师为了避免仪器损耗，实验前反复强调，如果操作错误就会导致试管炸裂。所以决不允许任何同学违规操作，但是学生总是对这样的后果表示怀疑。我们又不能以损耗实验仪器为代价来满足学生的探究欲望。可是，有了虚拟实验软件，我们就可以让学生有意识的进行一些错误操作，这样既消除了学生心中的疑虑，又达到了我们的实验目的。

总之，虚拟实验软件的使用。学生通过鼠标可以轻松操作整个实验过程，实验现象逼真，具有趣味性，不但让学生做实验如若身临其境，而且还将娱乐同探索科学知识融为一体。学生可以通过实验活动验证自己所学理论知识，掌握实验技能，提高动手操作能力，培养观

察能力，分析能力，想象创新能力和科学探究能力。我想在不久的将来虚拟实验软件一定会成为实现城乡教学均衡发展的有力工具。我们期待着这一天能早日到来。

第四篇：虚拟技术在计算机教学的应用

虚拟技术在计算机教学的应用

虚拟技术在计算机教学的应用 本文关键词：虚拟，计算机教学，技术

虚拟技术在计算机教学的应用 本文简介：摘要：信息化时代，使虚拟技术不断地被广泛利用。它及大地提高了人们的生活质量，使人们的生活更加现代化。同时，它在高校的计算机教学中起到重要作用。本文通过对虚拟技术的特点和优势的说明，充分了解现代化教学模式，并叙述了它在计算机教学中的应用和数字化的现代教育管理方式。关键词：虚拟技术；计算机教学；实际应用

虚拟技术在计算机教学的应用 本文内容：

摘要：信息化时代，使虚拟技术不断地被广泛利用。它及大地提高了人们的生活质量，使人们的生活更加现代化。同时，它在高校的计算机教学中起到重要作用。本文通过对虚拟技术的特点和优势的说明，充分了解现代化教学模式，并叙述了它在计算机教学中的应用和数字化的现代教育管理方式。

关键词：虚拟技术；计算机教学；实际应用

在知识经济发展的浪潮中，高科技的发展越来越快，社会对高科技人才的需求与日俱增。而高校肩负着培养国家优秀人才的使命，需要先进的虚拟技术，不断强化现代化远程教育教学体系。学生需要学习计算机的基础知识，充分利用各种技术资源，提高自身的学习动力，提高学校信息化的教育管理模式。1虚拟技术的特点

虚拟技术是电脑多媒体网络的一种运营形式，可以通过一些硬件的组装，储存大量信息，替换了传统的纸质资料。它使我们的生活更加现代化，通过很多系统的安装，可以查找资料、给朋友发送邮件、写文章、和朋友聊天以及电子化的文档保留形式。它使我们的生活更加便利化。电子商务的网络化运营模式，使人们可以在网上选购自己喜欢的商品，满足不同层次人们的需要，使产品分类更加细化，提升品牌的宣传力度和推广力度，改变以往的销售形式，通过各种系统交流平台，与客户及时有效地沟通。它使我们的业余文化生活更加丰富多彩。如我们到电影院，可以感受3D电影数字化的立体模式，使我们有如同身临其境的感觉，和电影中的人物共同推动故事情节的发展脉络，调动感官的能动性和直觉思维的动态效果，不断开发人们的探险能力。2虚拟技术的优势

它可以提高多媒体的数字化的教学模式，整合书本的有效信息资源，运用特殊的虚拟技术，更好地理解文章的主旨，提高阅读速度和阅读理解力。同时，学生可以有效地利用多媒体的先进设备，在真实的情景中，锻炼口语交际能力。它使听课制度体系更加完善，教师可以利用多媒体的教学资源，使教学目的更加明确，教学重点更加突出，加强课堂的互动性，有利于对教师的正确评估。而且，它可以更有效地传递信息。通过现代化的办公软件的使用，可以制作很多广告信息。如公司产品的宣传单，可以使家长更加了解学校的规模、课程设置和收费标准，节约了公司的人力成本，提高企业的生产效益。这种数字化技术，可以建立多个文档和文件夹，有效地保留各种有效资源。3虚拟技术在高校计算机教学中的应用 3.1硬件教学

计算机的组装与维护是最为基础的教学内容，学生可以通过组装进一步了解硬件设备、分区以及格式化等概念。以往的计算机教学中，这些知识内容都需要教师进行专门讲解，很少会进行相应的演示实验，学生的动手能力无法得到提升。而虚拟技术运用至计算机硬件教学中，学生可以在虚拟机上进行硬盘分区，即使出现操作失误也会很快复原，且不会损坏原本的计算机系统，由此提高了硬件教学效率。学生可以学到简单制表的操作方式，通过对Excel制表的系统学习，可以把很多分散性数据有效地排列起来，使查找更加方便。学生可以学会剪切、复制和粘贴的功能，对一些信息可以重新归类，强化特殊信息的注意事项。还可以学会查找和替换功能，使信息有效地被合理利用。通过键盘的基础操作功能，适当地调整一些内容、数字在表格中的位置和表格的灵活转换，还可以学会求和的功能，使一些数据更加明确化。

3.2网络技术教学

很多高校都配备了现代远程教育的教学系统，通过注册，进入平台，完成正常的必修课的学习任务，可以选择适合自己的选修课。学生可以有效获得教学重点和难点，详细阅读教学内容，并配备了大量的练习题，巩固学习内容。而且很多高校积极和软件公司合作，不断更新教学设施，加强多媒体信息技术的教学管理模式，采用最新的教学软件，运用先进的数字化的教学体系，调动学生学习的积极性，形成正确的学生评估标准。同时，它可以减少课堂的枯燥性。很多高校学生的学习压力日益繁重，学生的课堂听课效率不高，教师无法完成教学任务，教学效果也很差。教师可以在教学中给学生播放一些励志电影，或者听一些轻音乐，可以调动学生学习的积极性，也可以让学生学到其他方面的知识。3.3网络安全技术 自接入互联网后，计算机必然会受到木马及病毒的入侵，而传统的网络安全知识只可以利用教师讲解的方式进行传授，学生在理解与接受方面存在一定难度，而将虚拟技术应用至网络安全教学中，可以在虚拟机上植入病毒文件，而后在进行传播演示，并讲解如何及建立病毒的防御体系，这样便可以提升计算机教学的效率。同时，使用一些先进的软件安装在电脑上，加强学生信息的安全性，对学生的重要资料，如阶段性的成绩单、学生心理变化的资料和缴费情况进行保密，保持数据使用的合法性。同时，加强病毒的查杀能力，不断进行系统升级，加强和软件公司的有效合作，参加必要的病毒防御的知识讲座，积极了解各种病毒的传播方式。4结论

计算机教学在高等教育中起着重要作用。它改变了教学的传统管理模式，使学生学会简单的硬件操作，基本了解办公自动化的基础知识，满足了现代化教育教学的管理需求，使学生熟悉更多的教学软件，提高教学质量，加强教育的技术性改革。通过各种病毒软件的安装，学生可以学习更多的网络安全知识，对计算机教学起到极大的辅助作用。参考文献

[1]韩阳.计算机虚拟现实技术在高校教学中的应用[J].电子制作，2015（6x）.[2]何静.虚拟化技术在高校计算机类课程实验教学中的应用[J].电脑迷，2014（5）：58-58.作者：田静君 单位：大理州财贸学校

第五篇：LED在汽车照明系统中的应用

【本文来源：中国电源博览】引言

在20世纪80年代中期,LED开始被用于汽车中央高位刹车灯(CHMSL)。进入90年代,汽车仪表LCD面板背光照明普遍采用LED这种固态新光源。进入新世纪后,随LED功率和亮度的提升,除了汽车前照灯外,LED全面进入了汽车照明和信号系统中的应用。2005年,全球LED在手机中所占的市场份额达52%。自从2005年以后,由于手机市场趋于饱和,不再呈增长的态势,取而代之的则是汽车、交通信号灯、景观装饰照明和一般照明市场,其中车用LED市场具有较大的诱惑力。传统汽车灯的发展历程及其分类

2.1 传统汽车的发展历程

1879年,爱迪生发明了以电能作能源的真空白炽灯泡。1886年汽车问世之初,老爷车在夜间行驶时悬挂的是摇晃不定的汽灯。由于那时车辆很少,车速很低(不到30km/h),尽管道路狭窄而崎岖不平,既无伤人之虞,更无撞车之险。

在汽车车辆逐渐增加、车速也有所提高的情况下,路上行人也渐多,汽车不再允许仅靠一盏汽灯悠闲晃荡了。于是光源工程师依托新兴的白炽灯为汽车设计了一双铮亮的白炽灯眼睛。当时的汽车的电气工程师已给汽车配备了车载小型发电机,这为汽车电气照明的发展奠定了基础。

在车辆日益增多、车速不断提高的形势下,照明仅是瞻前已经不够,还需左顾右盼和免除后顾之忧,从此不仅车前灯,而且各种尾灯如行车灯、刹车灯、转向灯、后雾灯等一系列灯种相继问世,为避免夜晚行车的追尾或转弯时的相撞起了关键性作用。随后前照灯又发展成近光灯、远光灯、前雾灯等多种灯种。

为在不降低白炽灯寿命的前提下,提高灯丝温度和发光效率,上世纪50年代光源工程师发明了充气白炽灯泡,随后60年代又发明了在充气白炽灯中加入卤素的卤钨灯。20世纪70年代,光效达201m/W的卤钨灯大规模替代了自炽灯用于汽车照明,至今仍然是汽车前照灯中占统治地位的灯种。为满足高速车辆的照明要求,更先进的高强度放电(HID)灯应运而生,其中的代表性光源则是氙气金卤灯。一只35W氙气金卤灯辐射光通(3200lm)为55W卤钨灯(1101lm)的3倍,光效比金卤灯高4.5倍,寿命超过10倍。

2.2 汽车灯的分类

汽车灯按用途分照明灯和信号灯两大类。照明灯犹如汽车的“眼睛”,在黑暗中照亮汽车行驶方向上的道路,延伸和拓宽驾驶员的视野;信号灯如同汽车的“嘴巴”,车辆可通过灯

光信号同其它车辆进行“语言”交流,向其它汽车司机明示本车的存在及其行驶的状态,以使汽车在道路上能够安全快捷行驶。

照明灯又分为车外照明灯和车内照明灯。车外照明灯包括前照灯、前雾灯和牌照灯等;车内照明灯主要是指仪表灯和阅读灯等。

信号灯也分车外信号灯和车内信号灯。车外信号灯是指转向指示灯、制动灯、尾灯、示宽灯、倒车灯等;车内信号灯泛指仪表板指示灯,主要有转向、机油压力、充电、关门提示及音响、空调等指示灯。在这些车灯中,属于控制性检验的有车外照明灯和车外信号灯,因为它们是行车安全的关键部件。

汽车车前灯具如图1所示。其中的前照灯像人的眼睛一样,起到画龙点睛的作用,为汽车增色不少,如图2所示。

在车用灯具中,通常人们还将后转向灯、制动灯、尾灯、后雾灯、倒车灯和行李箱灯等称为辅助灯具,如图3所示。

2.3 汽车灯的重复作用

汽车车灯是汽车行驶必不可少的安全部件。据统计,车辆总行驶里程的25%是在夜晚或自然光线不足的情况下行驶的,而在此间发生的交通事故占到总事故的33%,并且50%的伤亡事故发生在夜间。在多个ECE法规中,与车灯有关的法规就有近40个。我国目前汽车产品的74项强制性检验中,与车灯有关的项目就占23项。新一代固态光源LED成为汽车车灯的新宠

3.1 LED在汽车照明系统中应用的优势

新一代固态冷光源LED于上世纪60年代问世。直到80年代之前,由于那时LED的亮度不高,只是将其作为指示灯等使用,不会有人想到它会能作为汽车车灯。进入80年代后,LED亮度有了较大提高,1985年被用于一辆客车上。1986年Nissan公司在300ZX型汽车上使用了72只φ5mm的LED作为中央高位刹车灯,标志着LED开始进入了汽车领域中的应用。与传统车灯光源比较,LED的优势如下：

(1)寿命长,免维护,在整个汽车使用期限之内有可能不用再更换灯具。

(2)非常节能,比同等亮度的白炽灯节能至少在一半以上。表1列示了汽车信号灯与白炽灯能耗的比较。

根据2003年美国能源署(DOE)车用LED节能审估报告,结果令人吃惊。仅对小轿车而言,若美国全国都使用LED车灯,每年可节省燃料14亿加仑(美制1加仑=3.785升),而且载货卡车节省的燃料比小轿车多2倍。

(3)无须热启动时间,亮灯响应速度快。普通自炽灯灯泡的启动时间一般为100-300ms,而LED通常不足70ms。对于事关重要的制动灯来说,这样的时间差距意味着高速行驶时的制动距离相差4～7m,从而使汽车追尾事故发生率降低5%。

(4)结构简单,扰震动和耐冲击性能强。

(5)体积小,设计灵活性大,可以随意变换灯具模式,适用各种造型的汽车。

(6)LED的冷光特性,使灯具不会因长期受热而变形,从而提高了整套灯具的寿命。

(7)受电压变换的影响远远小于普通灯泡,而且易于控制。

表2给出了LED高位制动灯与自炽灯高位制动灯的比较。

LED以其卓越的安全性、可靠性、环保性和节能性,成为汽车照明系统的新宠,给汽车车灯的升级和革命带来了楔机。

3.2 LED在汽车照明系统中的应用

LED在汽车中的应用非常广泛,除车头前照灯外,其它一些车外和车内灯、照明与信号灯、高照度与低照度灯均可采用LED光源,如图4所示。

3.2.1 LED在汽车低照度照明中的应用

LED在汽车低照度照明系统中的应用主要是仪表板背光照明、操作开关、阅读灯、示宽灯、牌照灯等,这是汽车制造商最早将LED应用于汽车,同时也是目前LED在汽车中应用最多的部分。

汽车内部的显示,如仪表盘,过去主要采用白炽灯或真空荧光(VF)来提供背光,后来出现了用CCFL作为背光源的显示板。随着LED技术的不断进步,LED已经取代传统光源组合到背光照明中。从仪表盘到整个娱乐、导航、行程计算及信息中心控制显示等等,LED几乎无处不在。LED用于背光照明主要有以下三种方式：

(1)最简单的方式是把LED直接安装在LCD散射膜的后面,可使用许多封装的LED,也可采用未封装的管芯。

(2)另一种方式是将LED发出的光导入光纤束中,在光纤束的散射膜后面构成一个平坦的薄片,可以不同的方式将光从薄片中取出作为LCD的背光照明。

(3)还有一种方式是边缘光LCD背光照明,用一个透明或半透明的矩形塑料块作为导光体,将其直接安装在LCD散射膜后面,塑料块的后表面涂有白色反光材料,LED光从塑料块的一个侧边射入,其余侧边或白色反光材料。

当多个LED一同用于汽车仪表盘照明或娱乐系统控制时,颜色和亮度的一致性就显得特别重要,被照区域的亮度需要均匀一致,不应有任何阴影。

LED在汽车内部的照明主要包括一般照明用顶灯、阅读灯、美容化妆灯、门锁灯等等。其达到的目的是提供放松和友好的和谐气氛,以减轻驾驶员的疲劳,改善和提高舒适程度,帮助驾驶员能得到大量可读和清晰的信息。

3.2.2 LED在汽车高照度照明中的应用

(1)LED在汽车信号灯中的应用

汽车信号灯主要指刹车灯、方向灯和尾灯,对其照度和颜色都有明确的规定。在上个世纪80年代中期,LED开始进入到汽车产业。我国第一个LED车灯是桑塔纳2000型轿车的高位制动灯,它由上海汽车电子工程中心和上海小系车灯有限公司联合开发,并于2000年通过上海大众汽车公司认证而投产。迄今为止,LED在汽车上的应用除了仪表LCD面板背光照明外,最流行的当属中央高位刹车灯,目前已有80%以上的欧系和日系汽车安装了LED中央高位刹车灯。

在2004年北京车展上,法国富奥公司展示了用4个LED做成的高位刹车灯,还有用一个LED灯来实现所有尾部信号灯功能,包括停车灯、后小灯、转弯指示灯、雾灯和倒车指示灯等。到2010年,绝大部分汽车尾灯照明将采用LED,包括倒车灯和牌照灯在内。2000型凯迪拉克和S级奔驰车上,后灯(尾灯、刹车灯和转向灯)全部使用了LED。新奥迪A8轿车侧面转向灯、行车灯、刹车灯和转向灯等,也全部使用了LED。目前国际上新款式高档轿车,如凯迪拉克、宝马、丰田、奔驰和福特等,都装配了五彩缤纷LED灯具。

(2)LED在汽车前照灯中的应用初见端倪

前照灯是汽车在夜问行驶时照明前方道路的灯具,是保障汽车安全运行的重要部件之

一。前照灯的照明距离越远,配光性越好,汽车行驶的安全性能也就越高。汽车前照灯发出远光和近光两种光束,其中远光在无对方来车的道路上,汽车以较高速度行驶。远光应保证在车前100m或更远的路面上得到明亮而均匀的照明。

在全部车LED灯具中,最难也是最后投入使用的则是车头前照灯。目前LED前照灯都是用在一些车展上的概念车上,如图5所示。

自2003年以来,有15多家汽车制造厂在相关车展上展出了采用LED头灯的概念车。在北美一次国际车展上登场的福特概念车中,其中一辆则采用了LED头灯。日本小系等公司也有样灯展出。2007款林肯Aviator等车型同样采用全新的照明系统,其中包括LED前照灯。Lexus公司在2007年推出一款2008LSGoohL混合动力豪华汽车量产车,其前照灯采用了LED设计。日本丰田于2007年在凌志600H车型上开始安装LED车头前照灯,德国大众计划于2008年在奥迪R8车型上安装LED前照灯。从目前的情况来看,LED前照灯还处在研发阶段,预计在10年之内将会在普通轿车上比较普遍地被采用。

LED这种新光源,对于汽车前照灯的形状和排列有着较大的灵活性。利用LED体积小这一优势,可以大幅缩小前照灯整组灯具的体积,让出一些宝贵的空间给其它相关装置。现有的卤钨灯或HID灯灯具总长约30cm,而许多概念车上的LED灯具只有12.5cm,而且可以在造型上突破传统灯具的圆形设计。由于LED采用模块化设计,从造型上看,前照灯设计给人们以全新的视觉冲击。使用LED作为前照灯,不仅颜色识别性比卤钨灯等老式灯高,而且由于老式灯只有一个光源,难以扩大照明区域,而LED灯具有多个光源,由此可使照明区域广度扩大。

(3)LED在汽车前照灯中应用面临许多挑战

在LED全面进军汽车应用市场中,一个最大的障碍就是前照灯。前照灯传统光源已经十分成熟,像代表性光源卤钨灯,虽然光效不是很高(约201m/W),但价格低廉。高压氙灯虽然价格相对较高,但安全、高效、节能,而且体积小,灯具设计简单,因而倍受青睐。LED要在汽车头灯中取代传统光源,并非是一件容易的事情,需要解决以下几方面的问题。

一是亮度输出。前照灯的亮度要求是：近灯900lm,远灯1100lm,整体为2000lm,约是Lumileds公司的40个1W的LuxeonLED在25℃时的总光源输出。这类LED当环境温度升至50℃时,效率会降至80%以上。为提高亮度,需要更多数量的LED,这不仅会引起成本增加,而且会使LED的故障率增加。

二是散热问题。传统光源产生的热虽然远远高于LED,但不会囚高温而降低其光输出。然而,LED光输出却会因结温升高而下降。因此,散热问题在LED前照灯灯具设计工作中至关重要。为防止LED过热而烧毁,需要为其加装散热片。由于前照灯需用很多个LED,加设散热片后体积会过于庞大,难以纳入灯具之中。

三是光学设计,利用LED作为光源设计灯具,需要对传统的柱光源变为面光源。为得到需要的流明输出,LED需要较大的封装面积,致使光学设计难度增大。在目前一些概念车上,都以模块化设计取代现有的单一灯室设计,利用多组灯光源来达到传统灯具的照明水平,从而减小了光学设计难度,并增加了车体造型设计感。

3.3 LED在汽车中应用市场前景看好

在2006年之前,LED最大的应用亮点是手机,其在全球所占的份额达52%。2005年之后,手机趋于饱和,取而代之的是汽车、交通灯、景观照明和一般照明。

汽车产业在全球经济中仍然是一个支柱产业。目前我国的汽车年产能达800多辆,已超过德国,产量位居世界第三。规模如此之大的汽车产业,拉动了车用灯具的发展,同时为LED在汽车上的应用提供了广阔的市场空间。按目前LED的技术水平,一辆汽车需要300多个LED,其需求量非常之大。未来几年我国车灯将会有较大的发展,形成超过10亿元的年产值。