溫控報警系統(tǒng)模型實驗

陳杰

● 教學目標

知識與技能目標：了解什么是傳感器，學習使用溫度傳感器制作溫控報警系統(tǒng)模型。認識Arduino平臺，正確連接溫控報警系統(tǒng)模型物理線路。能夠使用S4A編寫程序控制溫度傳感器實現溫度感應控制。

過程與方法目標：通過圖片展示認識LM35溫度傳感器、LED燈、220歐姆電阻等設備的電器特點，并使用它們組裝單燈溫度報警系統(tǒng)。拋出問題“分段報警系統(tǒng)”制作，分組思考，設計算法。依據上述單燈模型的經驗，分組制作，教師巡視指導。測試檢驗系統(tǒng)功能。

情感態(tài)度與價值觀目標：通過模型實驗，激發(fā)學習興趣，加強動手能力，感受技術，使用技術，提升創(chuàng)造力。

● 教學重、難點

重點：認識Arduino系統(tǒng)，利用S4A編寫程序實現溫控報警系統(tǒng)模型。

難點：正確的物理線路連接。設計算法，解決問題。

● 教學過程

1.情境引入

教師展示芯世界、創(chuàng)客空間、英特爾等機構組織的極創(chuàng)48小時作品BMW。

師：各位同學是否知道，小黃人是憑借著什么躲避別人去摸它嗎？

學生對BMW十分感興趣，認真觀察了機器人的視頻。

設計意圖：通過視頻資料激發(fā)學生學習興趣，引出新課內容。

2.新知講授

（1）傳感器

師：小黃人能夠躲避人，憑借的是紅外線傳感器，通過它可以實現在手觸摸到它之前，提前躲避的功能，那什么是傳感器呢？（傳感器是一種檢測裝置，能感受到被測量的信息，并能將感受到的信息，按一定規(guī)律變換成為電信號或其他所需形式的信息輸出，以滿足信息的傳輸、處理、存儲、顯示、記錄和控制等要求。它是實現自動檢測和自動控制的重要環(huán)節(jié)。）

今天是第一次帶大家做實驗，所以我們玩點簡單的，做一個溫控報警裝置。它的功能是當溫度高于20度，綠色LED報警燈亮起。請同學們從材料盒中找出LM35溫度傳感器和led燈及電阻，讓我們一起來認識一下它們。

學生觀察溫度傳感器和LED燈，教師介紹相關引腳及極性。先觀察LM35溫度傳感器三根引腳的連接線。平的一面朝上，從左到右依次為5V、模擬口、GND。LED燈長的引腳為正極，短的引腳為負極。

設計意圖：通過觀察傳感器和LED實物，初步認識LM35溫度傳感器和LED燈的結構。

（2）器件與控制板連接方式

師：這些器件無法實現上述功能，它們要與Arduino控制板正確連接以后，才能發(fā)揮應有的作用。

◇LED燈與控制板連線。

先將綠色LED燈的正負引腳插入到面包板不同的列，再使用一根220歐姆電阻，一端插入LED燈正極所在列，另一端插入數字口10。使用一根杜邦線，一端插入LED燈負極所在列，另一端插入Arduino控制板的GND口。連接圖如圖1。

◇LM35溫度傳感器與控制板連線。

將LM35溫度傳感器平面朝前，三只引腳分別插在面包板不同的列。用一根紅色的杜邦線，一端插在LM35正5V口所在的列，另一端插在控制板5V口上。用一根黑色的杜邦線，一端插在LM35模擬口所在的列，另一端插在控制板模擬口0上。用一根綠色的杜邦線，一端插在LM35的GND口所在的列，另一端插在控制板模擬口GND口上（如圖2）。

學生按照圖示用杜邦線把LED與傳感器連接到Arduino主控板。

教師巡堂指導學生連線，學生小組互相檢查連線正確與否。確認連線正確后再插入USB線。

設計意圖：傳感器和LED實物連接Arduino主控板的操作十分重要。如果連接錯誤，輕則實驗無效果，嚴重的會造成Arduino主控板燒毀。使用對照圖示連線的方式可以降低操作難度。同時，利用小組成員互助，讓動手能力強的學生幫助其他學生完成連線任務，確保連線正確。

（3）編制程序

師：傳感器和LED實物連好線后，怎樣控制讓他們工作起來呢？我們需要告訴Arduino控制板如何進行工作。

學生思考問題算法：如果溫度高于20度，讓綠燈亮起；否則綠燈不亮。

師：使用S4A的的積木塊，可以設定相應數字端口高低電壓。而積木塊可以獲取模擬口0的溫度變化值。具體腳本如圖3。

（4）檢測功能

學生運行程序，觀察LED燈是否亮（環(huán)境溫度值事先測量好），另外可以修改程序的溫度值，測試觀察，小組交流。

師：這樣一個模型能否對多個溫度節(jié)點區(qū)間實現不同的報警效果？

生：不能。

設計意圖：讓學生通過自主探究的方式感受了解傳感器溫度感應，并為后面多燈感應做好準備。

3.拓展延伸

師：通過剛才的實驗，大家已經掌握對單個溫度區(qū)間的感應的控制，如果我們想對多個溫度區(qū)間進行感應控制該如何去做呢？請各組同學思考利用手中的設備可以實現什么樣的功能。（器材中有紅綠黃三只LED燈，三只電阻）

學生利用現有器材進行功能設計，并匯報。

教師給出功能設計：溫度大于60度時亮紅燈；溫度在40～59度時亮黃燈；溫度在20度以上39度以下亮綠燈。

學生根據多溫度報警的設計，小組制作，教師巡視指導，啟發(fā)引導學生在原有基礎上進行完善，完成多燈感應程序。

教師選取制作好的學生作品，進行演示實驗。程序代碼如圖4。

師：今天我們制作的溫控感應實驗，它們可以應用在日常生活的哪些方面呢？

學生小組內討論，推薦交流。點子有：溫控杯、孵化室、大棚養(yǎng)殖……

教師點評學生想法，鼓勵應用。

設計意圖：通過談話激發(fā)學生的創(chuàng)新思維。在制作中，通過分析任務，為學生搭建解決問題的框架。幫助學生逐步養(yǎng)成解決問題的能力。

4.課堂總結

師：今天我們認識了傳感器LED燈，知道了它們的連接方法，還能夠編寫腳本控制它們，最后還用它們做了個多溫度區(qū)間的溫控杯。

下面有幾個問題你能夠回答嗎？①傳感器的的三根引腳分別接到Arduino的哪些插孔？②LED燈的正極引腳為什么接在數字口；而LM35溫度傳感器的中間引腳接在了模擬口呢？③如果實驗現象不對，我們應該按照什么順序檢查？

設計意圖：教師通過問題引導學生回顧本課所學知識。

● 教學反思

本課課堂氣氛十分活躍，教學設計合理，學生的興趣被充分調動，都認真參與投入到實驗中。小組成員之間相互配合，共同完成連線、編程、測試。更難能可貴的是，做好的小組能夠充當小老師，去幫助其他沒有調試好的小組。在教學設計上的獨特之處：第二部分多溫度區(qū)間的報警模型的制作，教師并沒有直接去告訴學生制作一個什么樣的報警模型，而是讓學生依據手上有的器材進行設計，把創(chuàng)作的權利交給了學生，讓學生去設計，去制作。另外，本課中為了激勵學生學習興趣，我們送出了一套DFRobot Arduino基礎套件，作為最先完成實驗小組的獎勵，學生的熱情再一次被點燃，小組合作、組間的競爭順利展開。endprint