9-10岁美式少儿工程课教案：智能水杯座.docx

21-22智能水杯座课程Ii.i知识与技能学习两位数码管的使用方法了解热敏电阻的使用方法利用3D打印建模完成杯座的设计打印。1.2 过程与方法熟悉工程工程流程提问阶段：批判性思维能力构思阶段：创造力、批判性思维能力计划阶段：系统性思考能力实施阶段：系统性思考能力、合作能力优化阶段：批判性思维能力工程总结：交流沟通能力1.3 情感态度价值观学生在探究的过程中，提升对于科技创新的认知，并将自己的所学综合起来运用到实 际生活中解决生活中的问题。1.2 .材料准备21学生材料序号名称人均数量1Arduino Nano 主控板12迷你面包板2实施蜂鸣器提示温 度 T1阻值Rt温度T1阻值Rt温 度 T1阻值Rt温度T1阻值Rt-40235.83075593225.795966881445.070437823861.4580779678-39221.67240981324.673611964454.9034011598871.4204703156-38208.47382602423.607666567464.7428627464881.3840329328-37196.16305694522.594945784474.5885344983891.3487237721-36184.67403487621.632463086484.4401425688901.314502486-35173.94605364720.717416866494.2974265762911.2813303512-34163.92329912819.847177965504.1601388769921.2491701959-33154.55442376919.019278111514.028043881931.2179863314-32145.792160681018.231399185523.9009174074941.1877444861-31137.592973521117,481363273533.7785460774951.1584117439-30129.916738431216.767123414543.660726742196L1299564843-29122.726455061316.086755023553.5472659437971.1023483265-28115.98798391415.438447903563.4379794071981.075558075-27109.669807111514.820498836573.3326915609991.0495576687-26103.742810931614.231304683583.23123508491001.0243201323-2598.1800873621713.669355966593.13345048391010.99981952932-2492.9567534361813.133230897603.03918568521020.97603091812-2388.0497863131912.621589814612.94829565811030.95293030945-2283.4378728352012.133170007622.86064205551040.93049462625-2179.10127212111.666780884632.77609287481050.90870166515-2075.0216899022211.221299475642.69452213721060.88753005982-1971,1821639242310.795666238652.61580958551070.86695924602-1867.5669587172410.388881138662.5398403981080.84696942817-1764.1614695662510672.46650491721090.8275415475-1660.952134444269.628131096682.39569839471100.80865725166-1557 926353332279.2724319585692.32732074881110.79029886564-1455,072414241288.9321064055702.2612763351120.77244936406-1352.379425349298.6064017588712.197473731130.75509234467-1249.837252709308.2946062436722.13582552551140.73821200302-1147.436463044317.9960465557732.07624813411150.72179310832-1045.168271181327.710085586742.01866160541160.70582098028-943,024491729337.4361202907751.96298945091170.69028146703-840.997494622347.1735796969761.90915847931180.67516092404-739,080164223356.9219230346771.85709863911190.66044619385-637.26586165366.6806379874781.80674287021200.64612458683-535.54839008376.4492390516791.75802696291210.63218386263-433.921962772386.2272659994801.71088942441220.61861221257-332.381173574396.0142824362811.66527135141230.60539824268-230.920969714405.809874448821.621116311240.59253095752-129,536626693415.6136493318831.57837022141250.57999974472028.223725086425.4252344036841.53698125331260.56779436007126,978129124435.2442758792851.49689971661270.55590491342蜂鸣器是一种一体化结构的电子讯响器，采用直流电压供电，广泛应用于计算机、打 印机、复印机、报警器、电子玩具、汽车电子设备、 机、定时器等电子产品中作发声器件。按其驱动方式的原理分，可分为：有源蜂鸣器（内含驱动线路，也叫自激式蜂鸣 器）和无源蜂鸣器（外吾网区动，也叫他激式蜂鸣器）；有源蜂鸣器直接接上额定电源（新的蜂鸣器在标签上都有注明）就可连续发声；而无 源蜂鸣器那么和电磁扬声器一样，需要接在音频输出电路中才能发声。有源蜂鸣器与无源蜂鸣器的区别：注意：这里的源不是指电源，而是指震荡 源。也就是说，有源蜂鸣器内部带震荡源，所以只要一通电就会叫；而无源内部不带 震荡源，所以如果用直流信号无法令其鸣叫。有源蜂鸣器往往比无源的贵，就是因为里面多个震荡电路。我们以前电路与逻辑课程中使用的蜂鸣器全部都是有源封蜂鸣器，还记得它的电 路符号么？让我们一起编写水温报警的程序吧。参考例如Demo02 ,实际数据需要根据热敏 电阻模块的返回值进行修改。色如果（r执行否那么3 3 模拟输入管脚=数字输出管脚#延时数字输出管脚#3 延时数字输出管脚#330< 高，设为设为IjO设为:低J思考：如何让程序仅仅执行有限次数呢?增加标志位。参考 Demo03.1.5 知识两位数码管如何将温度实时显示给用户呢？我们之前用过显示屏、一位数码管等模块，这次我们使用两位数码管，来显示0- 99度。实际使用中，我们不会喝0度的水，且水温一般不会超过100度所以两位数码管足够我们用来显示温度信息。所以两位数码管足够我们用来显示温度信息。相比一位数码管，两位数码管有哪些变化呢？体积变大了，两个一位数码管拼起来的样子；引脚数量相同。两位数码管内部是怎样接起来的呢？我们选用两位共阳数码管作为探究对象。7和8号管脚分别控制点亮左侧还是右侧的数码管，其余8个管脚分别控制点亮 数码管的哪一段，这样讲就可以实现在两个数码管上显示数字了。让我们一起用程序实验一下吧。数码管的引脚和Arduino的连接,数码管字段引脚号ArduinoRight数码管7D2Left数码管8D3A10D4B9D5C1D6D4D7E3D8F6D9G5DIO首先是点亮其中某个数码管，并显示特定数字DigitalWrite PIN#DigitalWrite PIN#DigitalWrite PIN#DigitalWrite PIN#DigitalWrite PIN#DigitalWrite PIN#DigitalWrite PIN#DigitalWrite PIN#DigitalWrite PIN#J_do DigitalWrite PIN#DigitalWrite PIN#DigitalWrite PIN#DigitalWrite PIN#DigitalWrite PIN#DigitalWrite PIN#DigitalWrite PIN#DigitalWrite PIN#DigitalWrite PIN#建议设置子程序，因为某个数字都要屡次调用。以下程序显示效果为10s计时，从09依次显示。参考程序Demo05do L_ONEDelay ED1do L_TWrO1Delay0D 【门：门1do L_THREEDelay匕）：g Ido L_FOUR HHMMDelay E5J MM 1do L_FITDelay【中Ido L_SIXIDelay E3D U：61 1do L_SE'EN 8HBM1Delaydo L_EIGHTDelay E3 ：口】do L_IXE1Delay （3 【（,力do L ZEROdo L_ONEDelay ED1do L_TWrO1Delay0D 【门：门1do L_THREEDelay匕）：g Ido L_FOUR HHMMDelay E5J MM 1do L_FITDelay【中Ido L_SIXIDelay E3D U：61 1do L_SE'EN 8HBM1Delaydo L_EIGHTDelay E3 ：口】do L_IXE1Delay （3 【（,力do L ZEROLOW -LOW*3 Egr HIGH LOW-HIGH*DigitalWrite PIN#。PINs Stat IdoDigitalWrite PIN#DigitalWrite PIN萍 IDigitalWrite PINs |DigitalWrite PIN# |DigitalWrite PIN# |DigitalWrite PIN#DigitalWrite PIN#DigitalWrite PIN#为什么人眼能看到两位数码管上显示的数字呢?原理是一视觉暂留，由于人类眼睛的特殊生理结构,如果所看画面之帧率高于每 秒约10-12帧的时候，就会认为是连贯的，超过10-12帧就感觉不出画面是有间隔的，帧 数就是在1秒钟时间里传输的图片的量，也可以理解为图形处理器每秒钟能够刷新几次。我们在写点亮数码管程序的时候，在不停的分别点亮左侧数码管和右侧数码管, 当频率到达一定值的时候，人眼就不能分辨出来了。1.6 数码管显示温度如何让数码管显示温度呢？首先，获取温度,将热敏电阻的串口返回值映射到温度范围。其次分别判断温度的十位数和个位数是多少，用到数学运算中取余运算：1.7 设计杯子底座问题1 ：热敏电阻不能插到水杯中，只能在水杯外侧进行测温，如何将返回值和温 度进行连接？问题2 :如何才能保证热敏电阻测到的温度更加接近实际温度？可不可以增加多个 热敏电阻模块？我们在设计杯子底座的时候，推荐使用3D打印机进行建模，这样能更贴合杯子的 外壁，同时需要考虑空间布局和打印时的膨胀等情况，为了提高打印成功率，推荐分模块进行打印，将底座的内壁、外壁等模块分开设计。1.8 完成组装将电路和外壳进行整体的组装，同时对程序进行优化。3.10提供以演讲的形式对工程进行总结，演讲内容要包括以下几点：自我介绍,本工程的是要解决什么问题？你是分哪几个步骤开展工程的？通过本项 目你学到了到了什么？在工程制作中你遇到了哪些问题是如何解决的？完成这个工程后你有什么感觉？每个工程结束之后，都会有工程的总结报告，学生从提问开始回顾、梳理整个工程 流程，一开始有的孩子可能表达不是很流畅、有的孩子会怯场和紧张，这个时候老师 要做示榻口鼓励学生按照上述的逻辑表达。这个环节一方面是锻炼孩子的表达沟通能 力，另一方面，也是让孩子再从整体上把握工程流程。4 .课后反响家长们好，今天是智能提示喝水杯座的第四次课也是最后一节课，本次课主要 在之前的基础功能上进行功能的优化。这个工程我们从日常生活中喝水被烫到这个问题出发进行提问和构思，计划设计一款可以检测 温度并显示出来，提醒用户应该及时喝水的杯座。我们主要用了两位数码管，原理是：我们利用热敏电阻检测温度，它检测温度的原理是：基于热敏电阻和数码管，我们设计出来了这个水杯座，还用到了 3D建模。通过整个四次课的学习，成功顺利的完成了最初设想的方案。5 .参考3MINI USB数据线145.5-2.1DC 线15蜂鸣器160.56英寸数码管17DC座18杜邦线209热敏电阻310电阻511热敏电阻模块222工具序号工具人均数量1十字螺丝刀1把2一字螺丝刀1把3电烙铁1把4热熔胶枪1把5电脑1台6剥线钳1把73D打印机1台3 上课流程热场和引入今天老师来到校区之后啊，用纸杯接了一杯热水，晾了一会儿拿起来就喝了，就烫了 我一下，搞得我现在说话都说不清楚。3.1 提问你们有没有遇到这种问题呢？今天，小明在看到一条新闻： 有一个小朋友着急喝水，抱起来一杯没有凉的热水就喝了下去，造成了舌头和口腔的 烫伤，现在吃饭说话都是有困难的。小明想到自己也是，有的时候运动完了，抱起杯子就喝水，也不管水杯里面的水 是热还是凉，也是被烫过，只是没有新闻中小朋友烫伤那么严重而已。翻开百度，输 入关键词：喝热水烫伤，就会从出现很多的新闻，都是关于烫伤了舌头口腔的，更有 甚者到达了烫伤二级，造成食道的烫伤。怎么样才能让我或者让更多的人喝水不被烫伤呢？如果你是一个创造家，你能想到什么更好的方法？问题一提完，孩子们的第一反响肯定是举手要回答以下问题，这个时候示意孩子们把 手放下，让他们思考，我们真正要解决什么问题。一句话概括你要解决的问题：防止喝温度过高的水，温度过高对身体造成损害对于这个问题，也还是要先引导学生对问题进行提问，找到真正要解决的问题。3.2 构思-头脑风暴通过海报、白板画气泡图，构思如何设计才能到达我们所要解决的问题需求让学生在学生用书上记录好头脑风暴的结果。热敏电阻感应温度；温湿度模块DHT11感应温度；蜂鸣器报警提示水比拟适合喝了；灯光提醒；数码管显示当前水温知识热敏电阻3.2.1 热敏电阻热敏电阻器是敏感元件的一类，按照温度系数不同分为正温度系数热敏电阻器（PTC） 和负温度系数热敏电阻器（NTC ） o热敏电阻器的典型特点是对温度敏感，不同的温 度下表现出不同的电阻值。正温度系数热敏电阻器（PTC）在温度越高时电阻值越大， 负温度系数热敏电阻器（NTC）在温度越高时电阻值越低，它们同属于半导体器件。热敏电阻的主要特点是:灵敏度较高，其电阻温度系数要比金属大10100倍以上，能检测出10-6的温度 变化；工作温度范围宽，常温器件适用于-55315V ,高温器件适用温度高于315T （目前最高可到达2000 ）,低温器件适用于-273 -55 ;体积小，能够测量其他温度计无法测量的空隙、腔体及生物体内血管的温度；使用方便，电阻值可在0.1 100k。间任意选择;易加工成复杂的形状，可大批量生产；热敏电阻在生活中的应用：NTC热敏电阻在体温探头的作用体温探头其温度精度到达±0. 1C。这对NTC热敏电阻的要求是:体枳小，高精度, 高“I靠，良好的耐热循环能力.档监护仪采用双道体温测量电路,用于重症病人监护方面.它要求一个体温探头 能同时提供双道测量温度，以配合监护仪的双道测量电路,传统的做法，是将两 粒XTC热敏电阻并联起来.制作成一个体温探头。但因受其尺寸限制,这种做法 不能适应其小型化要求。NTC热敏电阻医用植入式传感器植入式传感器应当体积小,重量轻，并且和身体兼容，同时还要求其功率M常小。更互要的是.它们不能随着时间的推移而衰变。由尸这类传感器属r第川类医疗 器械,因此需要疗食品及药物管理局（FDA）的批准才能使用。一般来讲，这类 传感器价格非常昂贵，而FI需要专家做外科尸术进行移植。NTC热敏电阻太阳能热水器水温水位传感器传感器就是一种能够感受水温水位，并口将感受到的水温水位转变成变化的电信 号的仪器。在太阳热水器的开展史上，水温水位传感器一直起着举足轻重的作用. 热水器的智能化、人性化都与水温水位传感器密不可分.水温水位测控仪更是离 不开水温水位传感器，水温水位传感新工作柜定是*j整个热水器智能控制的保障。汽车工业现在代替空间工业成为传感技术进步的推动者。热敏电阻广泛地用来测 试汽车的空调、发动机、水箱温度，现在，那么有许多新的应用。现在对热敏电阻工业提出了很高的要求：较小的尺寸、较高的稳定性、较好的高 温测试性能，等等。在所有这些方面现在所取得的进展。在这些进展的基础上将会有许多新的应用：包括微小温差传感器、改进燃气效率 的汽车中的高温传感器，等等。342热敏电阻为了更方便的进行温度测量，我们使用热敏电阻模块，如以下图所示：该模块的电路原理图如以下图所示:灵敏度调节电位器 电源指示LED接电源正极 凄卷原负极 开关信号输出 模拟信号输出开关指示LED我们使用过其中的那些电子元件呢？ ？ ？LM393 :比拟器R电阻热敏电阻D LED 灯R2滑动变阻器C电容谁能简单解释一下它的原理呢？3.4探热敏电阻与温度我们可以一起探究一下，热敏电阻阻值的大小和温度以及串口读数之间的关系，并记 录在表中。探究前准备：温度计，人手一个（找科学老师们借用一节课。）烧杯，人手一个（找科学老师们借用一节课）写好串口监视器输出返回值程序的开发板，并连接热敏电阻模块,万用表，人手一个其他相关的，电脑是不可以少的。同时准备热水和冷水备用，加入冷水，可以快速降低水温，提高探究的效率。此时注意千万不要烫伤！组别温度值热敏电阻值串口数据17820627026034234442836451837268500分析数据，得出结论:负温度系数热敏电阻的电阻值与温度之间是负相关：温度越高电阻值越小，反之电阻 值越大。热敏电阻与温度关系得到串口监视器的返回值之后，我们可以计算出热敏电阻的阻值，通过查表可以得到 对应的温度值。同时根据公式，我们也可以大致计算出温度是多少：计算公式：Rt =R*EXP（B*（1/T1-1/T2）说明：1、Rt是热敏电阻在T1温度下的阻值;2、R是热敏电阻在T2常温下的标称阻值；3、B值是热敏电阻的重要参数.4、EXP是e的n次方；5、这里T1和T2指的是K度即开尔文温度，K度= 273.15（绝对温度）+摄氏 度；开尔文温度（开氏温度）：热力学温度单位开尔文（K）是国际单位制（SI）基本单位之一。其他基本单位是米、干 克、秒、安培、摩尔和坎德拉。开氏温度和摄氏温度的换算：开氏温度=摄氏温度+273.15°C = K-27*/<= Kelvin= Celsius附表：热敏电阻阻值和温度的关系