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    湘电子版八年级下册信息技术第11节 智能照明一一板载传感器与外接传感器 教案
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    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
    这是一份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,共10页。教案主要包含了工作规划,需求分析,绘制顺序图和程序流程图,实现不同电子元器件的连接,编写程序实现智能照明相关功能,小组交流等内容,欢迎下载使用。


    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。
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    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。
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    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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