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八年级下册第13节 智能马桶 (二)——传感器、控制器与执行器教案
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这是一份八年级下册第13节 智能马桶 (二)——传感器、控制器与执行器教案，共7页。教案主要包含了工作规划，需求分析，智能马桶的结构设计，编写程序实现智能马桶相关功能，调试程序，提出修改方案，班内分享等内容，欢迎下载使用。
课题
智能马桶（二）——传感器、控制器与执行器
单元
第三单元
学科
信息技术
年级
八年级
学习
目标
了解红外传感器原理及应用。
学会给智能马桶添加久坐提醒功能并编写程序、调试完善功能。
重点
学会给智能马桶添加久坐提醒功能并编写程序、调试完善功能。
难点
学会给智能马桶添加久坐提醒功能并编写程序、调试完善功能。
教学过程
教学环节
教师活动
学生活动
设计意图
导入新课
前面我们学习了制作智能马桶，实现了自动打开马桶盖与马桶圈，是不是还可以有其他功能？比如：自动清洗、具有按摩效果和促进血液循环等功能。我们是不是可以增加一些个性化的功能呢？这节课我们来试一试。
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
使用者久坐马桶不利于健康，试着给智能马桶添加久坐提醒功能, 完善智能马桶项目。
我的问题
(1) 常见马桶的使用不便之处有哪些？
(2)智能马桶根据什么条件判断是否需要执行马桶盖打开与关闭?
(3)智能马桶如何实现久坐提醒功能？
活动建议
智能家居是基于物联网的智能应用，系统结构通常包含三部分：用于感知 环境的传感器、用于判断逻辑的控制器、用于执行命令的执行器，如同人类的感知器官、大脑、手脚。
传感器包括按钮传感器、人体红外传感器、光线传感 器等；micr:bit主控板就是控制器；执行器包含LED灯、舵机等。
活动建议
完善的智能马桶作品，也可以从这三个方面进行考虑，并具体实现。
首先，从需求分析入手，设计规划整体项目；其次，从实际出发选择器件；最后，依据设计，不断调整、完善项目。
活动过程
一、工作规划
为了实现智能马桶的各种功能，可参考如下工作过程:
1.智能马桶的功能设计与电子元器件选型；
2.使用顺序图和程序流程图进行智能马桶系统设计；
3.使用乐高零件与其他电子元器件完成马桶结构的搭建；
4.根据顺序图和程序流程图完成智能马桶的程序设计；
5.调试程序，判断程序的合理性；
6.分享作品，发现不足，进行修改调整和高级创作。
二、需求分析、功能设计与电子元器件选型
1.需求分析
卫生间的马桶是否有用户使用不方便等问题？如何解决这些问题呢？请把 这些问题和解决办法记录在下表中。
传统马桶问题记录表
2.功能设计和电子元器件选型
根据传统马桶问题记录表整理的问题和解决方法，我们选择两个问题作为智能马桶的功 能进行设计。设计时既要考虑功能实施的效果，也要考虑实现功能的电子元器件选型。
问题一：使用马桶时，弯腰抬起马桶盖或马桶圈，对于老年人或残疾人很不方便。
问题二：使用马桶时，久坐对身体不好。
回想实现智能门铃和智能照明时的设计方法，根据问题设计功能的细节, 根据功能实现进行电子元器件选型。
针对智能马桶的这两个问题，进行设计方 案的构思，将设计方案填写在下表中。
功能设计表
三、绘制顺序图和程序流程图，完成系统设计
智能照明活动中的顺序图呈现了系统各部分之间的相互关系，能够帮助我 们以清晰的思路进行系统搭建。
在智能马桶的设计中，我们继续按传感器、控 制器、执行器三类电子元器件的关系完成顺序图的绘制，要体现出解决功能设计表中两个问题的系统模块间的信息交互。
请你使用纸和笔，将下图的顺序图绘制完善。
智能马桶交互顺序图
清系统不同模块的信息交互关系后，开始进行程序设计。
根据如图所示的三种结构流程图示例，自主完成对马桶翻盖和久坐提醒程序的流程图绘制。
顺序结构示例
分支结构示例
分支结构示例
四、智能马桶的结构设计
为了更好地呈现智能马桶作品，需要设计一个类似马桶的结构，用于展示 智能马桶具备的诸多功能。
为了便于结构搭建，选择使用乐高零件，并安装与乐高插口兼容的micr:bit geek舵机。
智能马桶包含以下部分：马桶基座、马桶盖、马桶圈、分别驱动马桶盖和马桶圈的两个micr:bit geek舵机和马桶水箱。
使用乐高零件和micr:bit geek舵机完成结构搭建，如图所示。
由于 Rbtbit扩展板上有乐高插孔，可以在水箱上预留插接Rbtbit扩展板的位置, 将扩展板安装在水箱上。
如果还有其他电子元器件需要安装，如红外避障传感器，也需要预留插接位置。
红外避障传感器
红外传感系统是用红外线为介质的测量系统，按照功能可分成五类，按探测机理可分成为光子探测器和热探测器。红外线对射管的驱动分为电平型和脉冲型两种驱动方式。
红外避障传感器工作原理
利用物体的反射性质，在一定范圉内，如果没何障碍物，发射出去的红外线，因为传播距离越远而逐渐减弱，最后消失。
如果右障碍物，红外线遇到障碍物，被反射到达传感器接收头。传感器检测到这一信号，就可以确认正前方有障碍物，并送给单片机，单片机进行一系列的处理分析，协调完成躲避障碍物动作。
安装了Rbtbit扩展板和两个红外避障传感器的智能马桶结构如图所示。
安装两个红外避障传感器
安装Rbtbit与micr:bit
想一想
智能马桶结构设计中使用了两个舵机，分别连接马桶盖和马桶圈，如图所示，你能明白这两个舵机的用途吗？
议一议
图使用了两个红外避障传感器，你能明白这两个传感器的用途吗？把你理解的用途填写在下表中。
试一试
两个舵机和两个红外避障传感器如何与Rbtbit扩展板进行连接呢？参考如图所示的连接方法，你能成功连接它们吗？
五、编写程序实现智能马桶相关功能
完成智能马桶的结构设计后，就可以根据流程图开始程序的编写。
编程中要关注两部分内容：一个是红外避障传感器状态变化与舵机的控制；另一个是马桶使用计时与久坐提醒。
1.红外避障传感器状态变化与舵机控制的程序编写
红外避障传感器与前面使用的人体红外传感器很相似。
你是否能够根据之 前的学习经验，测出使用手遮挡红外避障传感器和无遮挡两种状态时，对应连接引脚反馈的数据吗？
将你试验的数据记录在下表中。
红外避障传感器试验表
将红外避障传感器的值存入相应变量，根据变量值的变化，编写程序控制舵机转动，实现马桶盖和马桶圈开合的控制。
2.计时与久坐提醒功能的程序编写
micr:bit自身并没有计时器的功能，但每当micr:bit开机运行时，芯片能 够反馈一个运行时间，与之对应的makecde编程方块如图所示，为“运行时间(毫秒)”。
每当micr:bit开机运行或开发板重启时，运行时间从0开始计数，直至开发板断电或重启。
如何调用运行“时间方块”实现计时功能呢？
请参考图中的程序示例实现计时，当按下micr:bit开发板A按键时开始计时，按下B按键时反馈一个计时的时间。
需要注意的是，这个时间的单位为毫秒，不要忘记换算。
将计时时间的值存入相应变量，判断变量值是否超过系统设置的久坐提醒 时间，如果超过就控制蜂鸣器发声实现久坐提醒功能。
试一试
结合这些方法完成智能马桶作品全部程序的编写。
说一说
你在编程环节遇到了什么问题？采用了什么解决办法？
六、调试程序，提出修改方案
针对智能马桶的硬件结构和功能模块对程序进行调试，不断优化智能马桶的功能。
调试中程序是否满足如下要求：
(1)遮挡红外避障传感器A,马桶盖是否能够自动打开？□是 □否
(2)遮挡红外避障传感器B,马桶盖和马桶圈是否同时打开？ □是□否
(3)马桶盖打开时，遮挡红外避障传感器B,马桶圈是否能够自动打开？□是□否
(4)计时超时后，是否能够进行久坐提醒？□是□否
(5)智能马桶程序能否稳定运行？□是□否
七、班内分享、优化方案
各小组进行智能马桶作品分享，发现同学作品的亮点，为对方提岀改进建 议，并在下表中做好记录。
试一试
针对同学提出的改进建议重新对程序结构进行梳理和修正，完成程序的优化。同时尝试给自己的作品添加更多的创意功能。
课堂练习
(1)如何为智能马桶设计更多的智能化方案？如实现自动清洗功能。
(2)有同学说我们设计的智能马桶相当于一个家用机器人，你认可他的说 法吗？为什么？
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。
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。
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。
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
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
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
锻炼学生的语言组织能力和表达的能力。
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，完成系统设计
四、智能马桶的结构设计
五、编写程序实现智能马桶相关功能
1.红外避障传感器状态变化与舵机控制的程序编写
2.计时与久坐提醒功能的程序编写
六、调试程序，提出修改方案
七、班内分享、优化方案
课题
智能马桶（二）——传感器、控制器与执行器
单元
第三单元
学科
信息技术
年级
八年级
学习
目标
了解红外传感器原理及应用。
学会给智能马桶添加久坐提醒功能并编写程序、调试完善功能。
重点
学会给智能马桶添加久坐提醒功能并编写程序、调试完善功能。
难点
学会给智能马桶添加久坐提醒功能并编写程序、调试完善功能。
教学过程
教学环节
教师活动
学生活动
设计意图
导入新课
前面我们学习了制作智能马桶，实现了自动打开马桶盖与马桶圈，是不是还可以有其他功能？比如：自动清洗、具有按摩效果和促进血液循环等功能。我们是不是可以增加一些个性化的功能呢？这节课我们来试一试。
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
使用者久坐马桶不利于健康，试着给智能马桶添加久坐提醒功能, 完善智能马桶项目。
我的问题
(1) 常见马桶的使用不便之处有哪些？
(2)智能马桶根据什么条件判断是否需要执行马桶盖打开与关闭?
(3)智能马桶如何实现久坐提醒功能？
活动建议
智能家居是基于物联网的智能应用，系统结构通常包含三部分：用于感知 环境的传感器、用于判断逻辑的控制器、用于执行命令的执行器，如同人类的感知器官、大脑、手脚。
传感器包括按钮传感器、人体红外传感器、光线传感 器等；micr:bit主控板就是控制器；执行器包含LED灯、舵机等。
活动建议
完善的智能马桶作品，也可以从这三个方面进行考虑，并具体实现。
首先，从需求分析入手，设计规划整体项目；其次，从实际出发选择器件；最后，依据设计，不断调整、完善项目。
活动过程
一、工作规划
为了实现智能马桶的各种功能，可参考如下工作过程:
1.智能马桶的功能设计与电子元器件选型；
2.使用顺序图和程序流程图进行智能马桶系统设计；
3.使用乐高零件与其他电子元器件完成马桶结构的搭建；
4.根据顺序图和程序流程图完成智能马桶的程序设计；
5.调试程序，判断程序的合理性；
6.分享作品，发现不足，进行修改调整和高级创作。
二、需求分析、功能设计与电子元器件选型
1.需求分析
卫生间的马桶是否有用户使用不方便等问题？如何解决这些问题呢？请把 这些问题和解决办法记录在下表中。
传统马桶问题记录表
2.功能设计和电子元器件选型
根据传统马桶问题记录表整理的问题和解决方法，我们选择两个问题作为智能马桶的功 能进行设计。设计时既要考虑功能实施的效果，也要考虑实现功能的电子元器件选型。
问题一：使用马桶时，弯腰抬起马桶盖或马桶圈，对于老年人或残疾人很不方便。
问题二：使用马桶时，久坐对身体不好。
回想实现智能门铃和智能照明时的设计方法，根据问题设计功能的细节, 根据功能实现进行电子元器件选型。
针对智能马桶的这两个问题，进行设计方 案的构思，将设计方案填写在下表中。
功能设计表
三、绘制顺序图和程序流程图，完成系统设计
智能照明活动中的顺序图呈现了系统各部分之间的相互关系，能够帮助我 们以清晰的思路进行系统搭建。
在智能马桶的设计中，我们继续按传感器、控 制器、执行器三类电子元器件的关系完成顺序图的绘制，要体现出解决功能设计表中两个问题的系统模块间的信息交互。
请你使用纸和笔，将下图的顺序图绘制完善。
智能马桶交互顺序图
清系统不同模块的信息交互关系后，开始进行程序设计。
根据如图所示的三种结构流程图示例，自主完成对马桶翻盖和久坐提醒程序的流程图绘制。
顺序结构示例
分支结构示例
分支结构示例
四、智能马桶的结构设计
为了更好地呈现智能马桶作品，需要设计一个类似马桶的结构，用于展示 智能马桶具备的诸多功能。
为了便于结构搭建，选择使用乐高零件，并安装与乐高插口兼容的micr:bit geek舵机。
智能马桶包含以下部分：马桶基座、马桶盖、马桶圈、分别驱动马桶盖和马桶圈的两个micr:bit geek舵机和马桶水箱。
使用乐高零件和micr:bit geek舵机完成结构搭建，如图所示。
由于 Rbtbit扩展板上有乐高插孔，可以在水箱上预留插接Rbtbit扩展板的位置, 将扩展板安装在水箱上。
如果还有其他电子元器件需要安装，如红外避障传感器，也需要预留插接位置。
红外避障传感器
红外传感系统是用红外线为介质的测量系统，按照功能可分成五类，按探测机理可分成为光子探测器和热探测器。红外线对射管的驱动分为电平型和脉冲型两种驱动方式。
红外避障传感器工作原理
利用物体的反射性质，在一定范圉内，如果没何障碍物，发射出去的红外线，因为传播距离越远而逐渐减弱，最后消失。
如果右障碍物，红外线遇到障碍物，被反射到达传感器接收头。传感器检测到这一信号，就可以确认正前方有障碍物，并送给单片机，单片机进行一系列的处理分析，协调完成躲避障碍物动作。
安装了Rbtbit扩展板和两个红外避障传感器的智能马桶结构如图所示。
安装两个红外避障传感器
安装Rbtbit与micr:bit
想一想
智能马桶结构设计中使用了两个舵机，分别连接马桶盖和马桶圈，如图所示，你能明白这两个舵机的用途吗？
议一议
图使用了两个红外避障传感器，你能明白这两个传感器的用途吗？把你理解的用途填写在下表中。
试一试
两个舵机和两个红外避障传感器如何与Rbtbit扩展板进行连接呢？参考如图所示的连接方法，你能成功连接它们吗？
五、编写程序实现智能马桶相关功能
完成智能马桶的结构设计后，就可以根据流程图开始程序的编写。
编程中要关注两部分内容：一个是红外避障传感器状态变化与舵机的控制；另一个是马桶使用计时与久坐提醒。
1.红外避障传感器状态变化与舵机控制的程序编写
红外避障传感器与前面使用的人体红外传感器很相似。
你是否能够根据之 前的学习经验，测出使用手遮挡红外避障传感器和无遮挡两种状态时，对应连接引脚反馈的数据吗？
将你试验的数据记录在下表中。
红外避障传感器试验表
将红外避障传感器的值存入相应变量，根据变量值的变化，编写程序控制舵机转动，实现马桶盖和马桶圈开合的控制。
2.计时与久坐提醒功能的程序编写
micr:bit自身并没有计时器的功能，但每当micr:bit开机运行时，芯片能 够反馈一个运行时间，与之对应的makecde编程方块如图所示，为“运行时间(毫秒)”。
每当micr:bit开机运行或开发板重启时，运行时间从0开始计数，直至开发板断电或重启。
如何调用运行“时间方块”实现计时功能呢？
请参考图中的程序示例实现计时，当按下micr:bit开发板A按键时开始计时，按下B按键时反馈一个计时的时间。
需要注意的是，这个时间的单位为毫秒，不要忘记换算。
将计时时间的值存入相应变量，判断变量值是否超过系统设置的久坐提醒 时间，如果超过就控制蜂鸣器发声实现久坐提醒功能。
试一试
结合这些方法完成智能马桶作品全部程序的编写。
说一说
你在编程环节遇到了什么问题？采用了什么解决办法？
六、调试程序，提出修改方案
针对智能马桶的硬件结构和功能模块对程序进行调试，不断优化智能马桶的功能。
调试中程序是否满足如下要求：
(1)遮挡红外避障传感器A,马桶盖是否能够自动打开？□是 □否
(2)遮挡红外避障传感器B,马桶盖和马桶圈是否同时打开？ □是□否
(3)马桶盖打开时，遮挡红外避障传感器B,马桶圈是否能够自动打开？□是□否
(4)计时超时后，是否能够进行久坐提醒？□是□否
(5)智能马桶程序能否稳定运行？□是□否
七、班内分享、优化方案
各小组进行智能马桶作品分享，发现同学作品的亮点，为对方提岀改进建 议，并在下表中做好记录。
试一试
针对同学提出的改进建议重新对程序结构进行梳理和修正，完成程序的优化。同时尝试给自己的作品添加更多的创意功能。
课堂练习
(1)如何为智能马桶设计更多的智能化方案？如实现自动清洗功能。
(2)有同学说我们设计的智能马桶相当于一个家用机器人，你认可他的说 法吗？为什么？
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。
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。
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。
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
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
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
锻炼学生的语言组织能力和表达的能力。
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，完成系统设计
四、智能马桶的结构设计
五、编写程序实现智能马桶相关功能
1.红外避障传感器状态变化与舵机控制的程序编写
2.计时与久坐提醒功能的程序编写
六、调试程序，提出修改方案
七、班内分享、优化方案
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