初中信息技术湘电子版(2019)八年级下册第11节 智能照明——板载传感器与外接传感器教案
展开课题
智能照明一一板载传感器与外接传感器
单元
第三单元
学科
信息技术
年级
八年级
学习
目标
了解板载传感器与外接传感器。
理解板载传感器与外接传感器的功能和作用;学会利用板载传感器与外接传感器设计智能照明。
重点
理解板载传感器与外接传感器的功能和作用;学会利用板载传感器与外接传感器设计智能照明。
难点
理解板载传感器与外接传感器的功能和作用;学会利用板载传感器与外接传感器设计智能照明。
教学过程
教学环节
教师活动
学生活动
设计意图
导入新课
照明是家居生活的基本需求,但是固定的电灯开关时常使用不便。随着技术的发展我们可以利用传感器制作智明照明系统,例如,楼道的声控灯等。这节课我们一块来利用传感器制作智能照明控制系统。
听老师讲解
调动学生学习的积极性,为以下的学习打下良好的基础
讲授新课
活动任务
本节我 们试着开发一个智能照明系统,实现依据用户需求,自动调整环境照明。智能照明也是智能家居的核心功能之一。
我的问题
(1)智能照明系统中如何自动触发开启照明?
(2)智能照明系统根据什么规则自动调节亮度?
活动建议
首先要了解生活中的照明需求,以及目前家居照明方案的不便之处,进而对智能照明项目进行功能设计。
智能照明可以解决现有家居照明中的不便之处:用户触发了照明规则条件后,智能照明系统则自动开启照明,同时根据外部环境条件参数自动调整照明的亮度。
在智能照明项目中,要关注照明系统的需求分析、功能设计和实现,尝试使用更精确的电子元器件提升系统的可靠性。设计制作中,要对照明系统的需求分析和功能设计进行深入思考,同时学会根据功能设计方案进行电子元器件的选型。
活动过程
传感器
传感器是一种检测装置,能感受到被测量的信息,并能将感受到的信息,按一定规律变换成为电信号或其他所需形式的信息输出,以满足信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制等要求。
传感器的特点
微型化、数字化、智能化、多功能化、系统化、网络化。它是实现自动检测和自动控制的首要环节。传感器的存在和发展,让物体有了触觉、味觉和嗅觉等感官,让物体慢慢变得活了起来。
传感器的组成
传感器一般由敏感元件、转换元件、变换电路和辅助电源四部分组成,如图所示。
敏感元件直接感受被测量,并输出与被测量有确定关系的物理量信号;转换元件将敏感元件输出的物理量信号转换为电信号;变换电路负责对转换元件输出的电信号进行放大调制;转换元件和变换电路一般还需要辅助电源供电。
主要功能
常将传感器的功能与人类5大感觉器官相比拟:
光敏传感器——视觉
声敏传感器——听觉
气敏传感器——嗅觉
化学传感器——味觉
压敏、温敏、流体传感器——触觉
一、工作规划
为了更顺利地完成智能照明的功能设计和实现,可以参考如下工作过程:
(1)整理传统照明的不便之处,完成智能照明系统的功能设计和电子元器件选型;
(2)使用顺序图和程序流程图的形式完成照明系统的设计;
(3)根据顺序图的设计,进行智能照明系统相关元器件的连接;
(4)根据流程图编写程序,实现智能照明相关功能;
(5)小组内成员进行交流,同时借鉴其他小组的创意对系统功能进行改进 和优化。
二、需求分析、功能设计与电子元器件选型
1.需求分析
小组成员进行讨论,寻找家庭照明存在的不便之处,进行记录和总结。
讨论改善方案或解决方法,完成下表
“家庭照明系统”问题记录表
2.功能设计和电子元器件选型
根据“家庭照明系统”问题记录表,家庭照明系统中存在的问题和解决方案,对智能照明系统进行功能设计和电子元器件选型。
一个问题的解决可能需要设计多个功能,也可能将多个问题的共性内容通过一个功能来解决。
请你将具体的功能设计记录在下表中。
功能设计表
注意
功能设计表中的功能设计与“家庭照明系统”问题记录表中的解决方案不同。
功能设计表中的功能设计强调功能现象和实现方式;“家庭照明系统”问题记录表中的解决方案往往是同学们的想法描述,体现了创意的想法,与具体实现可能会有一定的距离。
试一试
展示智能照明作品,谈谈你的设计思路。
三、绘制顺序图和程序流程图
智能照明项目中使用的电子元器件逐渐增多,程序逻辑也慢慢复杂起来。 为了让思路更清晰,可以使用“顺序图”梳理各功能模块间的逻辑关系,使用 “程序流程图”梳理程序的逻辑结构。
智能照明系统是否自动开启照明,可以使用自然环境的光照强度、房间中是否有人作为触发条件。
当光照强度大于某个阈值时,说明室内光线充足,不会开启照明,房间内无人时,同样照明不会开启;
当光照强度低于某个阈值, 并且房间内有人时,照明将会自动开启,同时随着自然光照强度的持续降低, 照明灯的亮度会逐渐增加。
本项目涉及多个传感部件和控制部件,部件之间的交互较为复杂,如果不进行规划设计就直接编写程序,容易遗漏关键要素造成功能不能实现。
为了更好地梳理照明系统的交互关系,我们需要将交互活动绘制成顺序图,从图形中观察不同部件间的信息交互。
请根据图中的内容,填写完善系统交互顺序图。
梳理清楚各模块的交互关系后,开始进行程序设计。
先梳理程序的执行思路和过程,将程序面临不同情况的过程绘制成流程图。
从交互顺序图中能发现,程序会有多种状态的判断,同时在照明系统开启后还需要继续监测各状态的变化,这些判断和检测会用到程序的顺序、分支、循环三种结构。
如图所示根据实际情况,完成智能照明程序流程图的绘制。
顺序结构示例
分支结构示例
循环结构示例
四、实现不同电子元器件的连接
顺序图能够清晰地呈现智能照明系统各部件间的交互关系,可以根据顺序图的内容完成相应部件之间的连接。
制作智能照明系统时,可以使用micr:bit板载光照传感器获取室内光线强度,使用Rbtbit板载LED灯代替照明灯具,外接人体红外检测传感器检测 房间内是否有人。
连接过程中,micrrbit插在Rbtbit插槽中即完成连接,需要关注外接 传感器如何与micr:bit开发板进行连接。
micr:bitJF发板的P0、P1、P2等数据口均可以外接传感器,Rbtbit将这些数据口扩展出来更便于线路的连接, Rbtbit板上的I0数据口分布如图所示。
实现智能门铃的功能时使用了 Rbtbit板载蜂鸣器,Rbtbit的蜂鸣器与P0口连接,如果需要使用P0口的I0口读写功能,需要把蜂鸣器跳帽拔下来, 这时蜂鸣器就不起作用了。
为了保留智能门铃的功能,不再使用P0 口。
外接的人体红外传感器选用HC-SR505mini版本,样式如图所示, 传感器有三个针脚(VCC、GND、DATA)。
连线时传感器的VCC针脚接Pl口的红色针脚,GND针脚接P1口的黑色针脚,DATA针脚接Pl口的黄色针脚。
传感器的DATA数据为高、低电平两种状态
代表两种结果:高电平为检 测到有活动人体,低电平为没有检测到活动人体。
想一想
你还有其他人体传感器可以选择吗?如果选用了其他人体感应传感器,可以自行测试连接方式和数据状态。
五、编写程序实现智能照明相关功能
完成各元器件连接后,根据程序流程图完成程序编写,要完成光照阈值条件测量和人体条件判定两部分内容。
程序编写时需要使用makecde的“循环方块”、“逻辑方块” 、“变量方块” 、“引脚方块”和“输入方块”。
Makecde默认状态中,没有Rbtbit板载LED灯编程的方块,需要进行扩展实现LED灯编程控制,具体步骤为:
(1).单击“高级”选项,选择底部的“扩展”选项;
(2).在右侧出现的搜索框内,输入“rbtbit”进行搜索;
(3).选择搜索框下方搜索出来的扩展包,并进行安装;
(4).扩展包安装成功后,程序方块区会扩展出新增的程序方块。
makecde扩展 Rbtbit的方法
1.构建程序循环检测的逻辑关系
——循环结构方块选择
在makecde中,能够完成循环结构的方块共有五个,如图所示。
makecde “循环方块”
蓝色的“无限循环方块”为micr:bit开发板基本运转的一种情况。
其他四 种循环结构的方块各有不同,需要设置循环的条件。
想一想
从makecde “循环方块”图中选择一个循环方块完成程序流程图中的循环结构,你选择的 是“无限循环方块、A、B、C、D”中的 方块。
说一说
说说你在设计循环条件和判定条件时,运用了哪些方块指令。
2.获得外接传感器的数据
为了获得通过I0引脚连接外接传感器测量的数值,需要使用“引脚方块” 和“变量方块”。
创建变量用于存储引脚传递来的数值,变量为程序中使用引脚数据提供了便利。
使用“引脚方块”获取传感器的数值,可以读取引脚传递 的模拟值或者数字值,如图所示。
makecde “引脚方块”
外接的HC-SR505 mini传感器数据口仅有高、低电平两种值,因此编程时选择数字读取引脚值即可。
3.板载光线传感器与LED灯
除了实现人体检测功能,还需要完成光线传感器与LED灯的程序编写, 在“输入方块”“Rbtbit方块” “Nepixel方块”中找到相应指令,根据流程 图的逻辑完成编写。
参考下图所示获取“板载光照传感器”数值,点亮“板 载LED全彩灯”并调节亮度的程序示例,完成“智能照明”的程序编写。
光照传感器与LED程序示例
其中A键为显示光照传感器数值,B键为设置LED亮度并打开LED灯,A+B键为关闭LED。
议一议
编写程序时,思考把“人体红外检测”和“光照检测”相关程序添加到哪个位置,二者的先后逻辑关系是怎样的,以及如何根据光照的数值变化调节LED灯的亮度。
六、小组交流、优化方案
小组间互相介绍并体验彼此的智能照明作品,发现同伴作品的亮点,为对方提出意见和改进建议。
针对同伴提出的改进意见重新对程序结构进行梳理和修正,完成程序的优化。
议一议
尝试给自己的作品添加更多的创意,如怎样获得 室外环境的光照强度等。
资料
模拟读取与数字读取
引脚模拟读取与数字读取是有区别的,究竟使用哪种读取方式取决 于引脚连接的电子元器件或你想要获得的数据类型。
引脚能读到的数据 类型分为模拟数据(Analg data)和数字数据(Digital data) 。
模拟数据也称为模拟量,其取值范围是连续的变量或者数值。
例如,LED灯光明暗度对应着其亮度数值的变化,这种变化是连续的,因此亮 度属于模拟量。类似的还有声音、图像、温度、压力等。
数字数据也称为数字量,其取值范围是离散的变量或者数值。
通常数字量只有两个值,习惯用0与1表示,体现的是电子元器件的高 电平与低电平。
HC-SR505 mini传感器就是测量数字量的 传感器,类似的还有“开关元件”,仅有开与关两种状态值。
课堂练习
(1)你是否考虑增加判定条件的复杂度来提升该项目的功能?请简要叙述你的设计思路和实现方法。
(2)智能照明系统使用的板载传感器精度有限,同时作品也没有控制外部照明灯具的功能。如何扩展电子元器件,如外接传感器、LED灯等,让环境检测更加精确?
了解本节课的问题
通过教师的讲解,以小组合作的方式,开展探讨交流,完成任务。
通过教师的讲解,以小组合作的方式,开展探讨交流,完成任务。
学生小组间讨论,共同完成任务。
通过教师的讲解,以小组合作的方式,开展探讨交流,完成任务。
学生小组间讨论,共同完成任务。
通过教师的讲解,以小组合作的方式,开展探讨交流,完成任务。
通过教师的讲解,以小组合作的方式,开展探讨交流,完成任务。
通过教师的讲解,以小组合作的方式,开展探讨交流,完成任务。
学生小组间讨论,共同完成任务。
通过教师的讲解,以小组合作的方式,开展探讨交流,完成任务。
通过教师的讲解,以小组合作的方式,开展探讨交流,完成任务。
学生小组间讨论,共同完成任务。
通过教师的讲解,以小组合作的方式,开展探讨交流,完成任务。
学生小组间讨论,共同完成任务。
通过教师的讲解,以小组合作的方式,开展探讨交流,完成任务。
学生小组间讨论,共同完成任务。
通过教师的讲解,以小组合作的方式,开展探讨交流,完成任务。
学生小组间讨论,共同完成任务,并分组汇报。
带着问题可更好的去解决问题
通过小组合作,加强学生组内团结、共同完成任务
通过小组合作,加强学生组内团结、共同完成任务
锻炼学生的语言组织能力和表达的能力。
通过小组合作,加强学生组内团结、共同完成任务
锻炼学生的语言组织能力和表达的能力。
通过小组合作,加强学生组内团结、共同完成任务
通过小组合作,加强学生组内团结、共同完成任务
通过小组合作,加强学生组内团结、共同完成任务
锻炼学生的语言组织能力和表达的能力。
通过小组合作,加强学生组内团结、共同完成任务
通过小组合作,加强学生组内团结、共同完成任务
锻炼学生的语言组织能力和表达的能力。
通过小组合作,加强学生组内团结、共同完成任务
锻炼学生的语言组织能力和表达的能力。
通过小组合作,加强学生组内团结、共同完成任务
锻炼学生的语言组织能力和表达的能力。
通过小组合作,加强学生组内团结、共同完成任务
培养学生独立完成练习的能力。
课堂小结
总结本节课所学内容
学生回答
梳理本节课的知识点,完成学习目标,培养学生总结概况能力
板书设计
一、工作规划
二、需求分析、功能设计与电子元器件选型
1.需求分析
2.功能设计和电子元器件选型
三、绘制顺序图和程序流程图
四、实现不同电子元器件的连接
五、编写程序实现智能照明相关功能
1.构建程序循环检测的逻辑关系
——循环结构方块选择
2.获得外接传感器的数据
3.板载光线传感器与LED灯
六、小组交流、优化方案
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