温控报警系统模型实验

教学目标

知识与技能目标：了解什么是传感器，学习使用温度传感器制作温控报警系统模型。认识Arduino平台，正确连接温控报警系统模型物理线路。能够使用S4A编写程序控制温度传感器实现温度感应控制。

过程与方法目标：通过图片展示认识LM35温度传感器、LED灯、220欧姆电阻等设备的电器特点，并使用它们组装单灯温度报警系统。抛出问题“分段报警系统”制作，分组思考，设计算法。依据上述单灯模型的经验，分组制作，教师巡视指导。测试检验系统功能。

情感态度与价值观目标：通过模型实验，激发学习兴趣，加强动手能力，感受技术，使用技术，提升创造力。

教学重、难点

重点：认识Arduino系统，利用S4A编写程序实现温控报警系统模型。

难点：正确的物理线路连接。设计算法，解决问题。

教学过程

1.情境引入

教师展示芯世界、创客空间、英特尔等机构组织的极创48小时作品BMW。

师：各位同学是否知道，小黄人是凭借着什么躲避别人去摸它吗？

学生对BMW十分感兴趣，认真观察了机器人的视频。

设计意图：通过视频资料激发学生学习兴趣，引出新课内容。

2.新知讲授

（1）传感器

师：小黄人能够躲避人，凭借的是红外线传感器，通过它可以实现在手触摸到它之前，提前躲避的功能，那什么是传感器呢？（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。它是实现自动检测和自动控制的重要环节。）

今天是第一次带大家做实验，所以我们玩点简单的，做一个温控报警装置。它的功能是当温度高于20度，绿色LED报警灯亮起。请同学们从材料盒中找出LM35温度传感器和led灯及电阻，让我们一起来认识一下它们。

学生观察温度传感器和LED灯，教师介绍相关引脚及极性。先观察LM35温度传感器三根引脚的连接线。平的一面朝上，从左到右依次为5V、模拟口、GND。LED灯长的引脚为正极，短的引脚为负极。

设计意图：通过观察传感器和LED实物，初步认识LM35温度传感器和LED灯的结构。

（2）器件与控制板连接方式

师：这些器件无法实现上述功能，它们要与Arduino控制板正确连接以后，才能发挥应有的作用。

LED灯与控制板连线。

先将绿色LED灯的正负引脚插入到面包板不同的列，再使用一根220欧姆电阻，一端插入LED灯正极所在列，另一端插入数字口10。使用一根杜邦线，一端插入LED灯负极所在列，另一端插入Arduino控制板的GND口。连接图如图1。

LM35温度传感器与控制板连线。

将LM35温度传感器平面朝前，三只引脚分别插在面包板不同的列。用一根红色的杜邦线，一端插在LM35正5V口所在的列，另一端插在控制板5V口上。用一根黑色的杜邦线，一端插在LM35模拟口所在的列，另一端插在控制板模拟口0上。用一根绿色的杜邦线，一端插在LM35的GND口所在的列，另一端插在控制板模拟口GND口上（如图2）。

学生按照图示用杜邦线把LED与传感器连接到Arduino主控板。

教师巡堂指导学生连线，学生小组互相检查连线正确与否。确认连线正确后再插入USB线。

设计意图：传感器和LED实物连接Arduino主控板的操作十分重要。如果连接错误，轻则实验无效果，严重的会造成Arduino主控板烧毁。使用对照图示连线的方式可以降低操作难度。同时，利用小组成员互助，让动手能力强的学生帮助其他学生完成连线任务，确保连线正确。

（3）编制程序

师：传感器和LED实物连好线后，怎样控制让他们工作起来呢？我们需要告诉Arduino控制板如何进行工作。

学生思考问题算法：如果温度高于20度，让绿灯亮起；否则绿灯不亮。

师：使用S4A的的积木块，可以设定相应数字端口高低电压。而积木块可以获取模拟口0的温度变化值。具体脚本如图3。

（4）检测功能

学生运行程序，观察LED灯是否亮（环境温度值事先测量好），另外可以修改程序的温度值，测试观察，小组交流。

师：这样一个模型能否对多个温度节点区间实现不同的报警效果？

生：不能。

设计意图：让学生通过自主探究的方式感受了解传感器温度感应，并为后面多灯感应做好准备。

3.拓展延伸

师：通过刚才的实验，大家已经掌握对单个温度区间的感应的控制，如果我们想对多个温度区间进行感应控制该如何去做呢？请各组同学思考利用手中的设备可以实现什么样的功能。（器材中有红绿黄三只LED灯，三只电阻）

学生利用现有器材进行功能设计，并汇报。

教师给出功能设计：温度大于60度时亮红灯；温度在40～59度时亮黄灯；温度在20度以上39度以下亮绿灯。

学生根据多温度报警的设计，小组制作，教师巡视指导，启发引导学生在原有基础上进行完善，完成多灯感应程序。

教师选取制作好的学生作品，进行演示实验。程序代码如图4。

师：今天我们制作的温控感应实验，它们可以应用在日常生活的哪些方面呢？

学生小组内讨论，推荐交流。点子有：温控杯、孵化室、大棚养殖……

教师点评学生想法，鼓励应用。

设计意图：通过谈话激发学生的创新思维。在制作中，通过分析任务，为学生搭建解决问题的框架。帮助学生逐步养成解决问题的能力。

4.课堂总结

师：今天我们认识了传感器LED灯，知道了它们的连接方法，还能够编写脚本控制它们，最后还用它们做了个多温度区间的温控杯。

下面有几个问题你能够回答吗？①传感器的的三根引脚分别接到Arduino的哪些插孔？②LED灯的正极引脚为什么接在数字口；而LM35温度传感器的中间引脚接在了模拟口呢？③如果实验现象不对，我们应该按照什么顺序检查？

设计意图：教师通过问题引导学生回顾本课所学知识。

教学反思

本课课堂气氛十分活跃，教学设计合理，学生的兴趣被充分调动，都认真参与投入到实验中。小组成员之间相互配合，共同完成连线、编程、测试。更难能可贵的是，做好的小组能够充当小老师，去帮助其他没有调试好的小组。在教学设计上的独特之处：第二部分多温度区间的报警模型的制作，教师并没有直接去告诉学生制作一个什么样的报警模型，而是让学生依据手上有的器材进行设计，把创作的权利交给了学生，让学生去设计，去制作。另外，本课中为了激励学生学习兴趣，我们送出了一套DFRobot Arduino基础套件，作为最先完成实验小组的奖励，学生的热情再一次被点燃，小组合作、组间的竞争顺利展开。