资源简介

普 通 高 中 教 科 书
《通用技术》选择性必修2
机器人设计与制作
第四章　机器人感知与传感器
第 二 节 机器人的传感器
教学设计
教学背景
党的二十大明确指出，“教育、科技、人才是全面建设社会主义现代化国家的基础性、战略性支撑。必须坚持科技是第一生产力、人才是第一资源、创新是第一动力，深入实施科教兴国战略、人才强国战略、创新驱动发展战略，开辟发展新领域新赛道，不断塑造发展新动能新优势”。
机器人是20世纪人类的伟大发明，今天，它不仅能够代替人类登陆火星和潜入几千米以下的深海，还可以不知疲倦地工作在各种生产线上，并服务于我们的日常生活。
关于机器人，我国科学家认为机器人是一种自动化的机器，所不同的是这种机器具备一些与人或生物相似的智能能力，如感知能力、规划能力、动作能力和协同能力，是一种具有高度灵活性的自动化机器。国际标准化组织认为工业机器人是一种具有自动控制的操作和移动功能，能完成各种作业的可编程操作机。
教学目标：
知识与技能目标:
1.了解机器人常用传感器的种类和特点。
2.掌握传感器与控制器的接口电路和制作方法。
教学内容分析:
机器人是一种能够按照预先设计程序而自动执行工作的机械装置。当前机器人已经大规模地走进工业生产、军事、政府管理、商业应用等领域，它们可以帮助或代替人类完成不同的工作，在各个方面影响着人类的生活。通过本章的学习，让我们来初步了解和认识机器人吧。
机器人要准确地模拟人的动作，不但需要类似于人的大脑，还需要各种感觉和灵活的肢体。在机器人中，它的感觉器官由各种传感器来实现，大脑由控制器实现，肢体则由电机及机械装置等组成。让我们通过学习机器人的感知和机器人的传感器，经历设计和制作机器人的过程，领略一下机器人感知设计与制作的无穷魅力。
学情分析:
生活在科技迅猛发展的21世纪，同学们有必要了解一些机器人的知识，因为未来的机器人将对我们的生活和工作产生巨大的影响。
　　自己动手制作机器人是让同学们了解机器人的最好手段。同学们一起进入机器人设计与制作的精彩世界吧。
教学重难点:
了解机器人常用传感器的种类和特点。
掌握传感器与控制器的接口电路和制作方法。
教学策略:
本节课教学主要由教师通过实物和多媒体手段设置学习情境，并加以引导，让学生在过程中发展学生核心素养、培养实践能力、提升创新意识、开阔认知视野；将自主学习、合作学习、探究学习等多种学习方式渗透进学生的学习和教师的教学当中；不断尝试现代教育技术和方法的运用。
教学准备:
展示用的图片、其他技术产品、多媒体课件。
教学过程:
情景倒入:
老师：本节课我们学习《通用技术》选择性必修2第四章机器人感知与传感器第 二 节 机器人的传感器。
情景
购书中心使用了机器人进行导购，创新活动小组的同学都很好奇，星期天相约去购书中心体验一下。机器人“小慧”是位漂亮的小姑娘，每当有人靠近“小慧”，她都会热情地上来打招呼。小辉同学问“小慧”：“请问，在哪里有计算机类图书？”“小慧”眨了下大眼睛，用清脆的声音回答：“计算机类图书在2楼3区第2排，谢谢！ ”
同学们都赞叹“小慧”的“聪明”，“小慧”安装了什么传感器呢？
一、常用传感器
常用的传感器有光敏传感器、热敏传感器、声敏传感器、湿度传感器、气敏传感器、磁敏传感器等，它们采用了不同的材料和结构，接收的信息也不相同。表4-3中列出了常用传感器的外形图及符号。
表4-3 常用传感器的外形图及符号
思考
生活、学习中许多方面都可以应用人工智能技术，你想在哪方面做些尝试？你认为可能用到哪些种类的传感器？
机器人的传感器根据需要选用和配置，如：光敏传感器能帮助机器人完成“看”的任务。常见的光敏传感器有CCD图像传感器、光敏电阻和光电传感器等（图4-8）（参见教材P55）。
机器人安装触觉传感器的目的是检测某些部位与外界物体是否接触，以便手爪能牢固地抓住物体，或腿能平稳地踩在地面上等。检测碰撞或者接触信号可以采用压力传感器，比如机械手可以自动抓取物体，它需要压力传感器检测抓取的松紧程度。检测是否接触时，可用微动开关（图4-9）（参见教材P55）。
给机器人安上“耳朵”，可以使其具有听觉功能。机器人的“耳朵”就是我们很熟悉的话筒（或称为声音传感器），如图4-10（参见教材P55）所示，它能够采集和检测声音，并把声音转变为电信号，传送给微控制器处理。
知识窗
超声波传感器
超声波传感器（图4-11）（参见教材P56）利用压电效应实现超声波的发射与接收。简易机器人中常常应用超声波传感器来检测前方物体，其原理是模仿蝙蝠的回声定位法。发送器发射超声波，根据接收器检测到的回波状况来判断前方是否有物体，其原理示意可见图4-12（参见教材P56）。
超声波传感器不但可以检测物体的存在，还可以通过检测超声波的往返时间来计算距离。
二、传感器与接口电路
思考
传感器将外界的信息转换成电信号，其中有些是数字信号，有些是模拟信号。如果是模拟信号，应该怎样处理？
数字信号能够直接传送到微控制器进行数据处理；模拟信号则需要先转换成数字信号，然后再传送到微处理器进行处理。能够将模拟信号转换成数字信号的器件叫模—数转换器（简称A/D转换器）。
开关直接输出数字信号，它与微控制器的接口电路如图4-13（参见教材P57）所示。开关的两个引脚分别接信号线和地线，开关断开时，数字端口2接口得到高电平（逻辑1）；开关闭合时，数字端口2得到低电平（逻辑0）。
图4-14（参见教材P57）为光敏电阻与微控制器的典型接口电路。光敏电阻是一个可变电阻，它与一个阻值为10kΩ的电阻串联，形成一个分压电路。当光敏电阻被强光照射时，阻值变小，输出电压接近于0V；当光敏电阻在黑暗环境时，阻值变大，输出电压接近于5V。输出电压就在0～5V两个极限值之间变化。这是一个模拟信号，必须通过A/D转换器将其转换为数字信号，传送至微控制器进行相应的处理。很多微控制器都在内部配备有A/D转换器，此时只要将待测信号接入模拟端口即可。
思考
光敏电阻具有被强光照射时阻值变小，在黑暗环境下阻值变大的特点。请大家讨论能否将其用作开关传感器？
三、机器人传感器的安装与调试
根据机器人的需要，选择了合适的传感器，还需要安装和调试，我们以常用的触碰传感器和反射式光电传感器进行安装和调试体验。
（一）触碰传感器
普通自锁开关可以用作触碰传感器。利用开关的两种状态，实现不同的命令或选择。
实践
尝试进行触碰传感器的安装、调试。
方法指导
（1）触碰传感器的安装。可以将开关触碰传感器封装，并配置规范的接线口和积木接口，以便于安装和连线（图4-15）（参见教材P58）。其与带外壳控制器模块的安装示意如图4-16（参见教材P58）所示。
（2）用触碰传感器识别开关状态。当触碰传感器接微控制器数字接口，并且为松开状态时（图4-17）（参见教材P58），微控制器采集显示
数字接口的值为0，无触碰显示，控制蜂鸣器不发音。当触碰传感器接微控制器数字接口，并且为按下状态时（图4-18）（参见教材P58），微控制器采集显示数字接口的值为1，有触碰显示，同时控制蜂鸣器发音。
（二）反射式光电传感器
将发光二极管和光接收器结合起来可实现反射式光电传感器。反射式光电传感器是机器人常用的传感器，机器人可以通过它来识别地面标记，实现沿着黑线行走或路径选择。
反射式光电传感器的外形和工作原理见图4-19（参见教材P59），发光二极管发出光线，光线在地面被反射回来，光接收器接收到被反射回来的光线后，发出电信号给机器人的“大脑”，判断地面是否有黑线存在。
实践
安装和测试光电传感器，并填写测试结果。
被测区域颜色越亮，反射光线 ＿＿＿＿，数值＿＿＿＿ 。
被测区域颜色越暗，反射光线 ＿＿＿＿，数值＿＿＿＿ 。
方法指导
（1）构成应用的光电传感器需要加入驱动电路，将驱动电路和传感器安装在一块电路板上，有时还将它封装并配置为规范的接线口和积木接口，以便于安装和连线（图4-20）（参见教材P59）。反射式光电传感器应用模块与控制器模块的连接示意见图4-21（参见教材P60）。
（2）将光电传感器接上控制器模块的模拟接口，光电传感器对准白色区域（图4-22）（参见教材P60），模拟接口采集数值就是光电传感器检测到的白色区域反射光强数值。
将光电传感器接上控制器模块的模拟接口，光电传感器对准黑色区域（图4-23），模拟接口采集数值就是光电传感器检测到的黑色区域反射光强数值。
（3）要很好地区分黑白区域，应根据光电传感器的测量数据来寻求边界界限，也就是阈值。当检测到反射光线强度小于阈值时，则认为检测到黑色区域；当检测到反射光线强度大于或等于阈值时，则认为检测到白色区域。
板书设计
第 二 节 机器人的传感器
一、常用传感器
二、传感器与接口电路
三、机器人传感器的安装与调试
（一）触碰传感器
（二）反射式光电传感器
教学反思
通用技术
选择性必修2
电子控制技术
普 通 高 中 教 科 书
主 编 刘琼发
副 主 编：李 榕 周卫星 朱美健 席春玲
本 册 主 编：李 榕
本册副主编：郑永驹 钟清华
编 写 人 编：
张百睿 李 榕 郑永驹 钟清华　周 嘉 龚泽祥 胡智豪
广东教育出版社
广东科技出版社

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