资源简介

(共14张PPT)
反馈控制自动浇水
本课程将介绍反馈控制的基本原理及其在自动浇水系统中的应用，并指导学生制作一个简单的自动浇水器。
课程目标
1
知识目标
理解反馈控制原理
掌握土壤湿度传感器、水泵、电磁继电器的工作原理。
2
技能目标
能通过主控板控制水泵的启动与停止，完成自动浇水器的制作。
学会编写程序并调试系统。
导入：
1
数据传输
土壤湿度传感器将数据传输给主控板。
2
判断与决定
主控板对比湿度值并决定是否启动浇水功能。
3
反馈控制
在闭环控制系统中起着重要作用，实现系统自动调节，提高精度。
4
任务
制作自动浇水器，体验反馈控制浇水的过程。
讨论：
日常生活中，很多家用电器都有自动模式。例如，空调在自动模式下， 会对比环境温度值和设定的温度值，自动选择进行制冷或制热，也会自动调 节风速，实现温度的自动调节。分组讨论还知道哪些家用电器有自动模式， 并将它的自动工作过程填写在教材的横线上。
反馈控制原理
定义
将系统的输出信息送回输入端，与输入信息比较，利用偏差进行控制的过程。
关键点
闭环系统，抗干扰能力。
浇水功能装置
本单元的实验中使用的水泵如右图所示，它是卧式小潜水泵。
请仔细观察，一起讨论、分析它是如何将 水从一个容器泵入另一个容器的。
潜水泵与电磁继电器
潜水泵
叶轮高速旋转，液体离心排出，中心形成低压区，液体被吸入。
电磁继电器
通电时，电磁铁吸合衔铁，触点闭合，电路导通。断电时，弹簧复位，触点断开，电路关闭。
分组讨论：
在使用水泵浇水的过程中，如何控制水泵开始工作、停 止工作？需要添加什么样的硬件设备？这个硬件设备受什么变量影响？
完成教材15页写一写。
自动浇水器硬件设计
1
主控板
控制中心，负责接收传感器数据，控制水泵。
2
土壤湿度传感器
采集土壤湿度数据，反馈给主控板。
3
电磁继电器
控制水泵电路的开关，由主控板控制。
高电平——开
低电平——关
4
潜水泵
执行浇水任务，由电磁继电器控制。
5
电池盒
为系统供电。
硬件连接与编程步骤
硬件连接
主控板连接电磁继电器信号控制端，电池盒连接电磁继电器电源输入，电磁继电器连接潜水泵电源输出。
编程流程
初始化变量，设置按钮程序，采集湿度值，对比设定值，控制水泵启停。
实验操作与调试
准备硬件
主控板、电池盒、电磁继电器、水泵。
连接设备
连接主控板、继电器、水泵。
实验操作与调试
编写程序
(1)初始化。
首先，设置两个变量，分别代表倒计时和时间值。
倒计时初始值设置为 0,时间初始值设置为3。
然后，设置主控板液晶屏的显示界面，如下图所示。
初始化参考程序，如下图所示。
实验操作与调试
编写程序
（2）编写两个采样时间按钮程序。
设置两个采样时间选择按钮，一个是3秒，
一个是6秒。水泵运行时 间设定程序如下图所示。
实验操作与调试
编写程序
（3）编写主程序。
在主程序中，先等待3秒，然 后从主控板引脚P24输出高电平，
电磁继电器导通，电池盒给水泵供 电，启动水泵，同时开始
10秒的倒 计时，主控板界面上水泵状态变为 “开”。倒计时
结束后，引脚P24输 出低电平，电磁继电器断开，水泵停 止
工作，主控板界面上水泵状态变为 “关”。参考程序如右图所示。
4.运行调试。
运行上述程序，并观察、分析结 果。遇到问题时，尝试调试解决。教学教案
总第 03 课时
课 题 名 称 反馈控制自动浇水
学习目标 （包含学科核心素养） 知识与技能：理解反馈控制的基本原理，掌握闭环控制系统的组成和工作流程，能够编写程序实现土壤湿度阈值判断与水泵的自动控制。 过程与方法：通过调试反馈控制系统，培养逻辑推理和问题解决能力，学会使用数据反馈优化浇水策略。 核心素养：培养科学思维、技术应用和实践创新能力，体验自动化技术对生活的便利性，增强对物联网技术实际应用价值的认知。
问 题 类 型 学生问题 土壤湿度传感器是如何检测土壤湿度的？它是如何将数据传输给主控板的？ 自动浇水系统是如何判断是否需要浇水的？反馈控制在其中起到了什么作用？ 电磁继电器在自动浇水系统中的作用是什么？它是如何控制水泵工作的？
学科问题 1. 反馈控制系统的基本原理是什么？自动浇水系统如何通过反馈控制实现智能浇水？ 2. 在自动浇水系统中，传感器、控制器和执行器是如何相互协作完成任务的？ 3. 如何分析采集到的土壤湿度数据，并利用这些数据优化浇水策略？
教师问题 1. 在自动浇水系统中，如何通过程序设计实现“根据土壤湿度自动决定是否开启水泵”的功能？关键的编程逻辑是什么？ 2. 自动浇水系统在实际应用中可能存在哪些局限性？如何优化该系统，使其更加智能和高效？
问题系统 （星号标出核心问题） 1. 反馈控制系统的基本原理是什么？自动浇水系统如何通过反馈控制实现智能浇水？ 2. 在自动浇水系统中，传感器、控制器和执行器是如何相互协作完成任务的？ 3. 如何分析采集到的土壤湿度数据，并利用这些数据优化浇水策略？
问题探究流程 导（问题引导）、学（自主探究）、探（合作探究）、测（课堂检测）、拓（知识拓展）
导（问题引导）： 情境创设 教师播放一段农业或园艺中的智能灌溉系统视频，展示如何通过自动浇水系统检测土壤湿度并精准浇水。然后提出问题： “如果我们家里的花草可以自己判断‘渴了’并自动浇水，会不会很方便？” 引导问题 问题1: “土壤湿度传感器是如何检测土壤湿度的？它是如何将数据传输给主控板的？” 学生思考讨论 教师总结知识点 反馈控制：自动浇水系统通过传感器实时检测土壤湿度，并决定是否启动水泵，实现闭环控制。 系统组成：传感器（数据采集）、主控板（数据处理）、水泵（执行控制）。 学（自主探究）： 自主探究任务 任务1: 研究土壤湿度传感器的工作原理 阅读教材，查找相关资料，理解土壤湿度传感器如何将土壤水分转换为电信号，并发送给控制器。 探讨传感器数据的波动情况及影响因素，如温度、环境湿度等。 任务2: 分析自动浇水系统的反馈控制逻辑 观察系统运行逻辑，回答：“如何设定湿度阈值，使得系统在适当的时候浇水，而不会过度浇水？” 思考数据如何在系统中流动（传感器 → 主控板 → 继电器 → 水泵）。 问题探讨 “采集到的土壤湿度数据是如何存储和传输的？数据传输的过程是怎样的？”（学生问题2） “如何分析采集到的土壤湿度数据，并利用这些数据优化浇水策略？”（学科问题3） 教师总结知识点 土壤湿度传感器的工作原理：传感器检测湿度后，转换为电压信号，并由主控板进行处理。 反馈控制的实现：通过设定一个阈值，当湿度低于设定值时，系统自动启动水泵；当湿度达到标准时，系统停止浇水。 三、探（合作探究）： 目标：通过小组讨论，深化对数据采集、传输和分析的理解，培养团队协作能力。 任务1: 搭建并调试自动浇水系统 各小组按照提供的电路图连接土壤湿度传感器、继电器、水泵和主控板。 运行系统，测试不同土壤湿度条件下水泵的启停情况。 任务2: 优化浇水策略，提升系统智能性 研究不同的土壤湿度阈值设定对浇水效果的影响，避免频繁启停水泵。 讨论如何通过数据分析优化浇水策略，例如统计一天内湿度变化情况，制定合理的浇水时间。 问题探讨 “电磁继电器在自动浇水系统中的作用是什么？它是如何控制水泵工作的？”（学生问题3） “自动浇水系统在实际应用中可能存在哪些局限性？如何优化该系统，使其更加智能和高效？”（教师问题2） 教师总结知识点 电磁继电器的作用：继电器充当开关，接收主控板的信号，控制水泵的开关状态。 智能优化方法：通过数据分析优化湿度阈值，避免不必要的浇水，提高用水效率。 四（课堂检测）： 选择题 自动浇水系统中，哪个组件用于检测土壤湿度？（单选题） A. 水泵 B. 继电器 C. 土壤湿度传感器 D. 主控板 答案: C. 土壤湿度传感器 反馈控制在自动浇水系统中的作用是什么？（单选题） A. 记录土壤湿度但不执行操作 B. 依据实时湿度自动决定是否浇水 C. 通过定时方式控制浇水时间 D. 只提供数据给用户，不做处理 答案: B. 依据实时湿度自动决定是否浇水 教师总结知识点 反馈控制的作用是实时调整系统状态，提高自动化水平。 传感器的作用是提供数据支持，主控板则进行计算和决策。 五、拓（知识拓展）： 任务1: 结合气象数据，优化智能灌溉系统 研究如何结合天气数据（如降雨预测），智能调整浇水计划，避免浪费水资源。 任务2: 远程监控与控制 探讨如何利用物联网技术，使用户可以通过手机查看土壤湿度数据，并远程控制水泵。 展示与讨论 各小组分享他们的优化方案，并讨论不同方案的优缺点。 教师总结知识点 智能农业的发展趋势：现代农业已广泛采用智能灌溉系统，结合天气、土壤数据，提高农业生产效率。 物联网+农业的应用：通过远程监控、自动调节，实现精准农业，提高资源利用率。 课后作业: 请设计一个改进版的智能浇水系统，结合外部数据（如天气、时间）优化灌溉策略，并撰写一篇短文说明改进方案。
板 书 设 计 反馈控制自动浇水
一、系统工作原理 传感器：检测土壤湿度，转换为电信号 主控板：处理数据，执行反馈控制 执行器：继电器控制水泵，完成自动浇水 二、反馈控制机制 湿度低 → 启动水泵浇水 湿度高 → 关闭水泵停止浇水 三、系统优化 设定合理湿度阈值，避免频繁浇水 结合天气数据，提高智能性 远程监控，实现精准灌溉
教 学 反 思
1

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