资源简介

(共37张PPT)
第3课
自制声控灯——实现开环控制
（清华大学版）五年级
上
1
核心素养目标
3
新知讲解
5
拓展延伸
7
板书设计
2
新知导入
4
课堂练习
6
课堂总结
课后作业
8
01
核心素养目标
信息意识
计算思维
数字化学习与创新
信息社会责任
在学习过程中，提升个人技能和素养，在更广泛的层面上促进信息社会的发展和进步。
提升实践操作能力、问题解决能力、跨学科学习能力、创新思维和学习兴趣。
能在实现开环控制系统学习中，增强问题分解与解决能力、培养系统思考以及激发创新思维等。
掌握具体的制作技能，在信息处理和控制系统的设计方面获得宝贵的信息意识。
02
新知导入
从一开始设计项目方案，选择一种主控板作为项目制作的主要控制器，到下载安装配套的编程软件，不知不觉，我们的项目已经有了这么多进展。接下来就要通过完成项目作品，真正把创意实现出来啦。下一步该怎么做呢 一起来学习吧!
02
新知导入
同学们，想一想，要完成项目作品的制作，需要完成哪些内容。
思考
我的创意如何才能变成现实呢
02
新知导入
明确项目需求：首先要清晰界定项目的目标、功能和预期效果，确保项目有明确的方向。
系统设计与规划：根据需求，设计系统的整体架构，选择合适的控制元件、传感器和执行器等硬件组件，并规划它们之间的连接方式和信号传输路径。
硬件选择与采购：依据设计方案，选购所需的硬件组件，包括控制器、传感器、执行器、电源等，并确保它们的兼容性和性能满足项目要求。
02
新知导入
电路搭建与调试：按照设计连接硬件组件，搭建电路。在此过程中，可能需要进行多次调试，以确保电路连接正确、信号传输稳定。
软件编程与控制算法实现：根据项目的控制逻辑，编写相应的控制程序或算法，并将其嵌入到控制器中。这通常包括数据采集、处理、决策输出等步骤。
系统集成与测试：将硬件和软件部分集成在一起，进行整体测试。测试过程中，需要观察系统的运行状态，验证其是否满足设计要求，并及时解决可能出现的问题。
02
新知导入
03
新知讲解
一、项目简介
同学们的想法各不相同，想要完成的项目作品可能也是丰富多彩的。不过完成项目作品的思路和过程是相似的。本节课我们以“声控灯”这个项目为例，来看一下项目的实现过程，如表 1.3.1 所示。图 1.3.1 是声控灯项目示意图。
表 1.3.1 声控灯项目简介
项目作品名称 声控灯
项目作品目标 功能描述 外观描述
我的作品是一盏声控灯，它可以听到外界的声音。如果声音比较大，例如大喊一声，那么灯就会亮起来，过一段时间再熄灭;如果没有声音，那么灯就不会亮。 我的作品外观是一个路灯，有人走到它下面喊一声，就可以照明了。喂!有人吗
03
新知讲解
图 2.3.2 过程与控制系统
03
新知讲解
根据项目的功能可以知道，声控灯这个作品需要有灯及能够检测外界声音大小的设备,也就是声音传感器。单独准备这些器材有一定难度，而有些主控板上自带 RGB 灯和声音传感器，我们可以用它来实现这个作品，如表 1.3.2 所示。
二、材料准备
表1.3.2 主控板自带 RGB灯和声音传感器基本介绍
元 器 件 基本介绍
RGB 灯 是一种可以发出彩色光的LED灯，它通过混合红、绿、蓝三种色光从而RGB 灯呈现不同的颜色。R、G、B三个数值的范围均是0~255，0表示这种颜色的灯光最暗，255 表示这种颜色的灯光最亮。
声音传感器 能够检测外界的声音值。
03
新知讲解
三、项目实现原理
声音传感器检测到外界声音音量的大小，将这个信号输入主控板的控制器中，控制器根据信号的不同，执行相应的指令，进而控制输出设备，即打开或关闭 RGB 灯，其控制过程如图 1.3.2 所示。
图1.3.2 声控灯的控制过程
声音传感器(输入设备)
输入信号
输出信号
RGB灯
(输出设备)
03
新知讲解
在上述声控灯控制系统中，系统输出只依赖输入信号和控制算法，没有被再次引回系统(反馈机制)，也没有对系统输出进行检测和校正，因此无法判断系统输出是否与期望一致，我们称这种控制方式为开环控制(open-loop control)。开环控制一般用于控制对象响应较快、对外界影响较小的系统。
03
新知讲解
四、编程实现
了解了项目实现的原理，就可以给主控板编写程序了。
从软件的编程指令区找到对应的指令，编写声控灯的程序。例如我们可以重复不停地通过声音传感器检测环境声音值，如果检测到的声音值超过某个设定的数值，那么就打开RGB灯，保持几秒后自动关闭;如果声音传感器的数值低于这个值，那么就始终保持RGB灯关闭状态。声控灯程序流程图和程序如图 1.3.3~图 1.3.4 所示。
03
新知讲解
声控灯程序流程图1.3.3
开始
声音值是否超过2000
是
打开RGB灯
等待5秒
关闭RGB灯
关闭RGB灯
否
03
新知讲解
图 1.3.4 声控灯程序
“声音值”在输入指令区。
“如果”指令和“比较”指令在逻辑指令区。
RGB灯的指令在RGB灯指令区。
一直重复”和“等待”指令在循环指令区。
03
新知讲解
主控板和软件建立连接后，我们需要将程序下载到主控板上，如图 13.5 所示。
图1.3.5 下载程序到主控板
主控板和软件建立连接之后才能正常刷入程序。
单击“刷入”按钮，把程序下载到主控板。
03
新知讲解
温馨小贴士
固件是一些下载到主控板中的驱动程序，就像计算机的系统一样。如果主控板长时间没有更新过固件，可以重新烧录一下固件，然后编写程序，以避免一些不必要的问题。
03
新知讲解
课堂活动
请同学们编写程序，下载到主控板中运行，验证程序效果。
程序解释
1.引脚定义：定义了RGB LED和声音传感器的引脚。
初始化：在setup()函数中初始化RGB LED引脚为输出模式，并可选地初始化串口通信。
循环检测：在loop()函数中不断读取声音传感器的值，并根据阈值判断是否点亮RGB LED。
03
新知讲解
课堂活动
颜色变化：当声音超过阈值时，RGB LED的颜色随时间变化。
延时：添加了一个延时以减少CPU负载。
03
新知讲解
课堂活动
下载和验证
将上述代码复制到Arduino IDE中。
选择正确的Arduino板型和端口。
点击“上传”按钮将程序下载到Arduino主控板。
观察RGB LED和串口监视器的输出，验证程序效果。
03
新知讲解
五、外形结构搭建
编写完程序，实现了声控灯的功能，我们还可以给它设计一个外形。可以使用生活中常见的物品，也可以使用其他结构件，还可以使用3D打印机或激光切割机等工具来进行制作，如图1.3.6所示。
图1.3.6 制作外形的材料和工具
04
课堂练习
实践
小清搭建完结构，发现没有留下给作品供电的孔位。请同学们讨论一下：在搭建结构的时候应该注意些什么？
预留接口：在设计之初，就要考虑到作品需要供电、连接数据线等需求，因此必须预留相应的孔位或接口。
空间规划：合理规划作品内部的空间布局，确保各个组件之间有足够的空间进行安装和散热。
材料选择：根据作品的需求和预算，选择合适的材料。
04
课堂练习
实践
加工精度：如果使用3D打印机或激光切割机等工具进行制作，需要确保加工精度符合设计要求。
安全性：在设计过程中，要考虑到作品的安全性。
美观性：除了功能性之外，作品的外观也是非常重要的。
可维护性：考虑到作品在使用过程中可能需要进行维修或更换部件的情况，设计时应该便于拆卸和组装。
05
拓展延伸
传感器
送餐机器人除了能精准送餐之外，还能“看见”眼前障碍物然后躲开，像人一样，好神奇呀!这是怎么做到的呢
人类有五官，而机器人没有，想要让机器人感知到外界的事物，少不了传感器。
05
拓展延伸
主控板的特殊引脚
到底什么是传感器 好神秘的样子。
传感器是一种检测装置，能感受到被测量的信息，并能将测量到的信息传送给中央控制器进行加工处理，根据程序，输出相应的指令，使输出设备做出相应反应。例如，声音传感器可以作为机器人的耳朵使它“听见”声音;视觉传感器可以让机器人“看见”物体。
05
拓展延伸
开环控制系统的优缺点。
优点：
结构简单，易于实现。
响应速度快，适合实时性要求较高的场合。
缺点：
无法根据输出状态进行反馈调整，控制精度和稳定性较差。
易受外界干扰，如噪声等可能导致误触发。
05
拓展延伸
开环控制在生活中有哪些应用
音响系统：用户通过调节音量旋钮来控制音量的大小，旋钮的旋转角度直接决定了音频信号的放大倍数，从而影响了音响输出的音量。
灯光控制：在剧场、演唱会等场合，灯光师根据需要手动调整灯光的亮度和颜色。
家用电器：电风扇、电磁炉、电饭煲等家用电器也常采用开环控制。
05
拓展延伸
开环控制控制在生活中有哪些应用
交通信号灯：根据预设的时间表或交通流量数据来切换不同方向的信号，其控制过程也不依赖实时的交通状况反馈。
洗衣机：在设定洗涤程序后，洗衣机按照预设的时间、水位和洗涤方式完成洗涤。
倒水：人们依据水杯的大小和倾斜角度来控制水的流量和流速，而不考虑水的密度、温度等因素的影响。
05
拓展延伸
开环控制系统与闭环控制系统有什么区别？
开环控制 闭环控制
定义 输出只受系统输入控制的没有反馈回路的系统 将输出量的一部分或全部反送回输入端，通过比较反馈信息与原输入信息进行调整的控制方式
工作原理 控制器根据输入信号直接产生控制作用，不考虑输出状态 根据输出量的反馈信号与给定信号比较，调整控制信号以实现精确控制
系统结构 结构相对简单，主要由控制器、执行器和被控对象组成 结构较为复杂，包括给定元件、比较元件、控制器、执行元件和被控对象等
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活动日志
活动日志 班级：XX 姓名：XX
活动名称 自制声控灯——实现开环控制
活动环节 1口 2口 3口 4口（在对应环节画V）
活动完成内容 学习过程与准备—声控灯的开环控制、学习控制流程—编程后验证实验结果
活动完成度 口口口口口口口口口(100%)
活动小结 问题与反思：拓展与优化的过程中缺乏创新性。
改进的方法：强化学习等先进创新技术。
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课堂总结
1
引入新知内容
自制声控灯——实现开环控制
2
学习过程与准备—声控灯的开环控制
3
学习控制流程—编程后验证实现结果
4
完成课题练习
5
进行相关知识拓展
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4
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08
板书设计
自制声控灯——实现开环控制
1.进行新知引入
2.学习过程与准备—声控灯的开环控制
3. 学习控制流程——编程后验证实现的结果
4.完成课堂练习
5.进行知识拓展
09
课后作业
01
设计并制作一个简单的声控灯模型，要求能够根据声音大小自动调节亮度，记录实现过程及遇到的问题。
09
课后作业
02
分析声控灯开环控制系统的优缺点，并提出一种可能的改进方案，撰写一篇短文。
https://www.21cnjy.com/recruitment/home/fine

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