初中湘电子版（2019）第11节 智能照明——板载传感器与外接传感器课文配套课件ppt

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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。

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调动学生学习的积极性，为以下的学习打下良好的基础

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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micro:bit板载光照传感器获取室内光线强度，使用Robotbit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，microrbit插在Robotbit插槽中即完成连接，需要关注外接 传感器如何与micro:bit开发板进行连接。

micro:bitJF发板的P0、P1、P2等数据口均可以外接传感器，Robotbit将这些数据口扩展出来更便于线路的连接, Robotbit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 Robotbit板载蜂鸣器，Robotbit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makecode的“循环方块”、“逻辑方块” 、“变量方块” 、“引脚方块”和“输入方块”。

Makecode默认状态中，没有Robotbit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“robotbit”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。

makecode扩展 Robotbit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makecode中，能够完成循环结构的方块共有五个，如图所示。

makecode “循环方块”

蓝色的“无限循环方块”为micro: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makecode “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。

makecode “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”“Robotbit方块” “Neopixel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(Analog 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。

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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。

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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

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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