視力保護(hù)提醒器

王堯坤

教學(xué)背景

學(xué)習(xí)本課前，學(xué)生已掌握簡單的Mind+編程技能，但是對傳感器技術(shù)的認(rèn)知與應(yīng)用還有所欠缺。本課在引導(dǎo)學(xué)生認(rèn)識熱敏、光敏、濕敏、磁敏等常見傳感器的基礎(chǔ)上，圍繞開發(fā)視力保護(hù)提醒器這一目標(biāo)，綜合應(yīng)用Mind+編程，結(jié)合RoboMaster TT無人機(jī)進(jìn)行適當(dāng)拓展，以利于學(xué)生更好地掌握相關(guān)知識。

教學(xué)目標(biāo)

1.會進(jìn)行簡單電路的設(shè)計。

2.學(xué)會利用傳感器進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。

3.通過項目學(xué)習(xí)，培養(yǎng)學(xué)生的物化能力以及創(chuàng)新設(shè)計能力。

教學(xué)重點(diǎn)與難點(diǎn)

教學(xué)重點(diǎn) 簡易電子電路設(shè)計及光敏傳感器的應(yīng)用。

教學(xué)難點(diǎn) RoboMaster TT無人機(jī)拓展項目的設(shè)計制作。

教學(xué)準(zhǔn)備

RoboMaster TT無人機(jī)、RoboMaster TT無人機(jī)拓展板、常用二極管、面包板、電源、導(dǎo)線若干。

教學(xué)過程

一、引入新課

師：近視已成為危害青少年眼睛健康的“第一殺手”。據(jù)相關(guān)調(diào)查顯示，我國青少年近視發(fā)病率居世界第二，小學(xué)生近視率已達(dá)40%，高中生近視率近70%。走進(jìn)校園，不戴眼鏡的學(xué)生屈指可數(shù)。近視眼是多方面因素造成的，其中之一就是在光線太暗或太強(qiáng)的環(huán)境下學(xué)習(xí)。我們是不是可以制作一個視力保護(hù)提醒器，提示周圍環(huán)境是否適合學(xué)習(xí)或閱讀呢？

生：對，這需要一個能測量周圍環(huán)境光照強(qiáng)度的傳感器。

師：上節(jié)課我們學(xué)習(xí)了傳感器一般由敏感元件和輸出部分組成，通過敏感元件獲取外界信息并轉(zhuǎn)換成電信號，通過輸出部分輸出。敏感元件的種類繁多，內(nèi)部結(jié)構(gòu)也各不相同，通常它們是被密封起來，從外形不容易觀察到其內(nèi)部結(jié)構(gòu)。如果要測量光照最好使用哪種傳感器？它的特點(diǎn)是什么？

生：光敏電阻，特點(diǎn)是光線越強(qiáng)，電阻越小。

師：查閱中華人民共和國《建筑照明設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》（GB 50034-2013）的教育建筑照明標(biāo)準(zhǔn)值表，它規(guī)定學(xué)校教室的課桌面照度標(biāo)準(zhǔn)值為300lx（lux，勒克斯）。（1勒克斯等于1流明的光通量均勻分布于1平方米面積上的光照度。）

一般情況下，人在250～750lx的照度環(huán)境下眼睛比較舒適，太高或者太低的照度，對人眼睛都有所傷害。最直接的傷害就是導(dǎo)致近視，絕大多數(shù)近視眼就是在照度很低的環(huán)境下長時間地看書或者用眼過度造成的，這個也是值得我們關(guān)注的。

二、利用所學(xué)知識設(shè)計簡易的視力保護(hù)提醒裝置

師：請大家思考下，視力保護(hù)提醒裝置是個開環(huán)電路還是閉環(huán)電路？

生：開環(huán)電路。

師：對開環(huán)電路的設(shè)計，我們需要按照電路的組成來進(jìn)行。請大家思考下，你需要哪些儀器，分別對應(yīng)開環(huán)電子控制系統(tǒng)的哪個部分？其工作過程大致是怎樣？

學(xué)生分組進(jìn)行討論并設(shè)計電路，得出需要用到的器材有光敏電阻、電位器、電阻、三極管、蜂鳴器等。工作過程大致是當(dāng)光線亮?xí)r，光敏電阻電阻小，三極管基極電流增大，從而使得蜂鳴器發(fā)聲。這里基極電流就是輸入信號，三極管在這里既是控制器又是執(zhí)行器，而蜂鳴器是被控對象，輸出信號是蜂鳴器的聲音，如圖1、圖2。

學(xué)生搭建實驗電路，隨后教師任意選出兩個小組進(jìn)行交流展示。

師：這個設(shè)計存在什么問題？怎么解決？

生1：只能在光線太亮的時候或者太暗的時候，其中一種情況下進(jìn)行報警。

生2：可以用兩個三極管、兩個光敏電阻來搭建電路，實現(xiàn)光線太亮或太暗時候同時報警。

師：怎么判斷現(xiàn)在的光線是不是太亮（暗）呢？如何讓視力保護(hù)提醒器較為精確地實現(xiàn)低于250lx或高于750lx的照度環(huán)境下報警？

學(xué)生思考并討論。

師：這里我給大家介紹下DFRobot Gravity：模擬環(huán)境光線傳感器，如圖3。它能檢測光強(qiáng)度的范圍為1～6000lx，工作原理與光敏電阻基本類似，但是它能夠準(zhǔn)確地測得光線的強(qiáng)度，滿足我們實驗的需求。接下來請同學(xué)們利用RoboMaster TT無人機(jī)和模擬環(huán)境光線傳感器制作一個視力保護(hù)提醒器，來檢測一下我們教室哪個地方最適合閱讀。

三、無人機(jī)視力保護(hù)提醒器

1.畫出簡單設(shè)計思路

師：請大家畫出簡單設(shè)計思路，并說明它們分別是開環(huán)控制系統(tǒng)中的哪些組成部分。

生：模擬光線傳感器測得的信號是輸入信號，控制器是RoboMaster TT無人機(jī)的拓展板，執(zhí)行器是里面的電子電路，被控對象是LED燈，輸出信號是LED燈的亮滅。

2.編程設(shè)計

編程設(shè)計目的主要是檢測當(dāng)前光線是否滿足看書要求，比如程序可以設(shè)置成照度低于300則亮紅燈提醒，高于800則亮藍(lán)燈提醒，其他情況為綠燈，如圖4。（引腳用26號腳）

3.連接線路

師：將模擬光線傳感器連接到拓展板的排針上，紅色連5V，黑色連GND，綠色信號線連引腳26，如圖5。（引腳可以根據(jù)自己喜好進(jìn)行選擇）

教師根據(jù)學(xué)生安裝情況進(jìn)行適當(dāng)提醒，安裝模擬光線傳感器時，最好保證水平（讓光線垂直射入），無法水平則盡量采用傾斜的方式，以減少拓展板等對光線的影響，如圖6。

學(xué)生上傳程序后，將拓展板固定到RoboMaster TT無人機(jī)上進(jìn)行測試。學(xué)生利用自己的視力保護(hù)提醒器作品測試教室不同位置的光線照度，尋找適合閱讀的場所，如圖7。

學(xué)生分組進(jìn)行討論，指出各自作品的優(yōu)缺點(diǎn)。

四、課后拓展

師：請大家課后思考，利用其他的傳感器，能否設(shè)計出較為實用的作品，如利用超聲波傳感器測物體距離、利用火焰?zhèn)鞲衅鞔_定火情位置等。

教學(xué)反思

本課將RoboMaster TT無人機(jī)與Mind+圖形化編程軟件、光敏傳感器深度結(jié)合，設(shè)計出一款視力保護(hù)提醒器。學(xué)生既體驗了無人機(jī)開源拓展編程，也融合運(yùn)用了物理、信息技術(shù)等學(xué)科知識，不僅培養(yǎng)了綜合實踐能力，還充分發(fā)揮了想象力、創(chuàng)造力，提升了動手操作能力。

（本課件由DF創(chuàng)客社區(qū)推薦）