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第2课
认识微控制器——智能控制的基础
（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，认识到控制系统和编程软件，运用智能控制的便利，促进科学社会的发展。
明白能够利用控制器中的系统结构，学会安装编程软件，探索软件的各个按键作用，实现智能控制。
能在微型控制器的系统学习中，认识到控制器中的结构和编程软件，从而更好地学习智能控制。
意识到智能控制的基础是微控制器，它能够带来便捷生活，理解其生活，社会的意义，从而能够顺利学习本节课内容。
02
新知导入
项目方案已经设计好了，距离科技节的时间也不多了，得赶紧着手准备制作作品。既然想要制作一个智能控制作品，是不是得挑选合适的器材呢？又该如何实现呢？这节课就一起来了解一下智能控制器的相关知识吧！
02
新知导入
请同学们搜索信息并讨论，生活中有哪些智能控制应用，这些应用都是怎么被控制的。
思考
我也想做一个这样的作品，但是怎样才能实现它的功能呢？
02
新知导入
在我看来，计算机计算机依靠传感器来接收外界的信息。就像我们的眼睛和耳朵一样，传感器可以感知光、声音、温度、压力等各种物理量，并将这些信息转化为电信号。例如，摄像头就是一种图像传感器，它可以将外界的图像转化为数字信号，让计算机能够处理和分析。编码就像是一个神秘的密码世界。它虽然看不见摸不着，却在计算机的世界里起着非常重要的作用。
制作一个智能控制作品的步骤：
1.明确目标和功能；
2.选择合适的硬件（控制器、传感器、执行器）；
3.硬件连接；
4.软件编程（选择编程语言、编写控制逻辑）；
5.测试与调试；
6.优化与完善。
02
新知导入
在我看来，计算机计算机依靠传感器来接收外界的信息。就像我们的眼睛和耳朵一样，传感器可以感知光、声音、温度、压力等各种物理量，并将这些信息转化为电信号。例如，摄像头就是一种图像传感器，它可以将外界的图像转化为数字信号，让计算机能够处理和分析。编码就像是一个神秘的密码世界。它
智能窗帘：根据用户的需求自动开合或调节窗帘的位置。智能窗帘系统通常由电机、轨道、控制器和传感器等组成，用户可以通过手机应用、遥控器或定时设置来控制窗帘的开合。
智能门锁：采用多种开锁方式，如指纹识别、密码输入、刷卡、手机蓝牙或远程控制等。智能门锁内部的电子控制模块会对用户输入的信息进行验证，验证通过后控制锁芯的开启或关闭。
02
新知导入
03
新知讲解
一、控制无处不在
人类依靠自身的智慧发明和创造了许多工具和机器，解放了双手，如今进一步发展出精细感知、自动控制、移动通信等先进技术，这些技术的应用被称为智能应用。
生活中的智能控制
生活中的智能控制应用随处可见，如自动推送商品的智能购物平台、傍晚自动亮起的智能路灯、辅助医生诊断的智能医疗、可以远程控制的智能家居等，如图1.2.1所示。
03
新知讲解
图 1.2.1 生活中的智能控制应用场景
智能购物平台
智能医疗
智能路灯
智能家居
03
新知讲解
思考
请同学们思考一下，生活中还有哪些智能控制应用，它们的作用分别是什么。
生活中还有以下智能控制应用和其作用：
1.智能公交系统：通过在公交车辆上安装定位系统、自动报站系统等设备，实现公交车辆的实时位置追踪。
2.智能灌溉系统：通过在农田中安装土壤湿度传感器，系统能够实时监测土壤的含水量。当土壤湿度低于设定的阈值时，自动开启灌溉设备进行灌溉；当土壤湿度达到合适范围后，自动停止灌溉。
03
新知讲解
智能应用的功能之所以如此强大，主要是因为它们内部有一个“聪明的大脑“，即控制系统。它能根据不同需求做出不同的动作。在生活中，洗衣机里的电路板、计算机的处理器（中央处理器）等，都是控制系统的一种。
控制系统
03
新知讲解
课堂活动
表1.2.1 智能家居应用功能分解
智能家居 输入 智能控制 输出
扫地机器人 按键开关/语音开关 嵌入式主控板 清扫动作执行
智能音箱 按键开关/语音开关 CPU主控板 音频输出
指纹门禁 指纹采集 CPU主控板 自动打开门锁
智能家居中有很多智能控制应用，根据不同的应用场景，有不同的输入和输出形式，请同学们思考并查找资料，完善表1.2.1。
03
新知讲解
计算机具有不同形态，但都拥有复杂的控制系统。其中，卡片式教学用微型计算机体积小、操作灵活、使用方便，适合各种教学应用场景，如图1.2.2所示。同学们可以选用合适的微型计算机进行作品设计和创作，小清综合考虑后选用了一款主控板。
二、教学用微型计算机
图 1.2.2 几种微型计算机
03
新知讲解
主控板的功能与结构
不少教学用微型计算机主控板上自带多种输入设备、中央处理芯片、输出设备，以及方便拓展的外接接口，可以快速实现很多有趣的创意作品。
以小清选用的一种主控板为例，了解微型计算机的基本结构，如图1.2.3所示。
03
新知讲解
按键A
OLED显示屏
按键B
RGB灯×3
声音传感器
光线传感器
触摸键
USB接口
主控芯片
加速度计和陀螺仪
蜂鸣器
磁力计
拓展接口
外部输入接口
图 1.2.3 某种微型计算机的基本结构
03
新知讲解
课堂活动
表1.2.2 查找对应结构
输入设备 输出设备 控制系统
以上图所示的主控板为例，请同学们找出对应的结构，并把结构名称填入表1.2.2对应框中。填完之后思考：要如何使这些结构“动起来？
按键、外部输入接口、声音传感器、光线传感器、触摸键、加速度计和陀螺仪、磁力计
RGB 灯、OLED 显示屏、蜂鸣器
主控芯片、拓展芯片、USB接口
03
新知讲解
三、安装编程软件
主控板是通过执行它里面设置的指令进行工作的。如何才能把指令传达给微型计算机呢？这需要编程软件的协助。
编程软件提供编写程序的环境，并且能将写好的程序转换成主控板可以执行的形式，再通过数据线下载到主控板里，如图1.2.4所示。
计算机一般默认不安装编程软件，需要自行下载安装。
图1.2.4 给微型计算机下载程序
03
新知讲解
下载软件
编程软件可以通过多种方式获取，如图1.2.5所展示的：访问产品的官网阅读产品手册，查看产品包装盒上的二维码等，或者上网搜索相关信息。
图1.2.5 查找软件的几种途径
03
新知讲解
查找和下载图形化编程软件的具体操作如图1.2.6~图1.2.7所示。
图1.2.6 找到相关软件官网的下载中心
打开浏览器，找到软件官网，单击进入下载中心。
03
新知讲解
①有多个不同的软件，选择需要的软件进行下载。
②软件会不定时更新，这里显示当前的版本号。
③同一个软件有针对不同操作系统的版本，下载的时候要选择适合自己计算机系统的版本。
图1.2.7 下载中心
03
新知讲解
温馨小贴士
软件要到官网或正规应用商店下载，尽量不随意下载安装软件，以免计算机中病毒。
03
新知讲解
安装软件
下载完成后，双击软件的安装文件，接下来根据每步的操作提示安装即可。安装完成后，通常可以在桌面上看到软件的快捷方式，快捷方式是快速启动软件的链接，如图1.2.8所示。
图1.2. 8 桌面快捷方式
03
新知讲解
软件界面
双击快捷方式打开编程软件，可以看到软件界面分为几个主要的区域，每个区域具有各自不同的功能，如图1.2.9所示。
图1.2. 9 软件界面
①菜单栏：打开或保存文件，有对软件进行设置等基础功能。
②仿真探究区：具有软件仿真功能，可绘制数据变化曲线。
③指令区：选择编程指令。
④编程区：在此处编写程序。
⑤控制台：查看程序运行状态及其他相关信息。
04
课堂练习
实践
请同学们下载并安装软件，安装后自由探索一下软件各个区域各个按钮的功能，和小伙伴交流一下各自的发现。
一、初次启动观察
当你启动软件后，首先看一下界面的整体布局。通常
会有菜单栏、工具栏、工作区和状态栏等不同区域。
二、菜单栏探索
文件菜单：这里通常有新建、打开、保存、另存为等基本操作选项。
编辑菜单：包含复制、粘贴、剪切、查找、替换等功能。
04
课堂练习
实践
视图菜单：用于调整软件的显示方式。可能有缩放功能（如放大查看细节或缩小查看整体布局）、显示模式切换（比如在设计软件中切换到不同的视图模式以方便设计）、显示或隐藏某些界面元素（如隐藏工具栏以获得更大的工作区）。
工具 / 设置菜单：这是软件个性化和一些高级功能所在的地方。
三、工具栏探索
通用功能按钮：这些按钮往往是软件中最常用功能的快捷方式。
04
课堂练习
实践
四、工作区探索
交互区域：如果是图形设计软件，工作区就是你绘制图形
的地方，鼠标指针在这个区域的操作会有不同的效果。
右键菜单：在工作区右键单击可能会弹出与当前操作相关的菜单。
五、状态栏探索
状态信息显示：这里通常会显示一些当前软件的状态信息。
一些小型控制按钮（如果有）：有的软件在状态栏会有一些快捷操作按钮。
05
拓展延伸
微控制器的特有价值--代码效率、实时性高
除了上面学到的主控板，生活中还有哪些控制器呢
控制器是机电控制系统的主令装置，是发布命令的“决策机构”，用于调度整个计算系统的运作。控制器一般分组合逻辑控制器和微程序控制器。合逻辑控制器由逻辑电路构成，完全靠硬件实现指令的功能；微程序控制器的逻辑、时序、功能由内置程序控制，是由软件定义的控制系统。我们教学用的主控板就是微程序控制器，需要软件配合实现控制目标。
05
拓展延伸
微控制器的特有价值--代码效率、实时性高
微控制器和微型计算机又是怎么回事呢？
微控制器(Microcontroller Unit，简称MCU，俗称单片机）是把计算机的性能、资源与规格做适当裁剪，并将内存、计数器、A/D转换、串口等周边接口整合在一块芯片上，形成芯片级的计算机。微控制器和计算机一样用途广泛，可以为不同的应用场合做不同组合控制，如遥控器、智能手机、智能家电、工业控制等。
05
拓展延伸
控制器的威力可真大啊！这是如何做到的呢？
这需要严谨的控制论支撑。控制论的建立是20世纪的伟大科学成就之一，现代社会的许多新概念和新技术几乎都与控制论有着密切关系。控制论为控制器、微控制器、计算机等现代信息科技的发展奠定了理论基础。
微控制器的特有价值--代码效率、实时性高
05
拓展延伸
微型计算机的结构包括哪些呢？
存储器
1.内部存储器（内存）：随机存取存储器（RAM）和只读存储器（ROM）。
2.外部存储器：硬盘、固态硬盘（SSD）和光盘和 U 盘。
中央处理器（CPU）
1.运算器：这是计算机进行算术和逻辑运算的部件。
2.控制器：它是整个计算机系统的指挥中心，负责协调和控制计算机各部件的工作。
05
拓展延伸
微型计算机的结构包括哪些呢？
系统总线
1.数据总线：用于在计算机各部件之间传输数据。
2.地址总线：用于指定数据存储的位置（地址）。
3.控制总线：用于传输控制信号，协调计算机各部件的操作。
输入 / 输出（I/O）设备接口
1.输入设备接口：用于连接各种输入设备。
2.输出设备接口：用于连接各种输出设备。
05
拓展延伸
安装编程和软件时需要注意什么呢？
一、系统要求方面
1.操作系统兼容性：不同的编程软件对操作系统有不同的要求。
2.硬件要求：处理器性能、内存容量、硬盘空间。
二、软件来源和安全性方面
1.官方渠道优先：为了确保软件的完整性和安全性，最好从官方网站下载编程软件。
2.软件授权和许可：注意软件的授权类型。
05
拓展延伸
安装编程和软件时需要注意什么呢？
三、安装过程方面
1.依赖项安装：许多编程软件需要先安装一些依赖项才能正常运行。
2.安装路径和环境变量配置：安装路径的选择很重要。
四、更新和维护方面
1.及时更新软件：定期更新软件可以保证软件的安全性和稳定性。
2.卸载和清理残留文件：卸载编程软件要使用软件自带的卸载程序或者在操作系统的控制面板中进行卸载。
05
拓展延伸
控制系统有哪些类型的系统呢
一、反馈控制系统
1.闭环控制系统：它是一种最典型的反馈控制系统，系统的输出信号会被反馈回来与输入信号进行比较，通过比较后的差值（误差信号）来调整控制动作。
2.开环控制系统：没有反馈环节，系统根据预先设定的输入信号进行控制动作，不考虑输出的实际情况。
二、计算机控制系统
1.直接数字控制系统（DDC）：计算机直接对生产过程中的参数进行检测和控制。
05
拓展延伸
控制系统有哪些类型的系统呢
2.集散控制系统（DCS）：它是一种分布式控制系统，采用分散控制、集中管理的模式。
三、智能控制系统
1.模糊控制系统：基于模糊逻辑，利用模糊规则来描述输入输出之间的关系。
2.神经网络控制系统：模仿生物神经网络的结构和功能。
四、顺序控制系统
1.时间顺序控制系统：按照预先设定的时间顺序来执行一系列操作。
2.事件顺序控制系统：根据事件的发生顺序来触发控制动作。
05
拓展延伸
智能控制器的原理。
智能控制器是一种能够根据预设的规则和输入信号，自动进行控制决策并输出控制信号的设备。
其原理主要涉及以下几个关键部分：
一、信号采集与输入部分：传感器接口、模拟 - 数字转换。
二、核心处理单元（微处理器或微控制器）部分：程序存储与执行、数据处理与运算。
三、控制算法部分：简单逻辑控制、复杂控制算法。
四、信号输出部分：数字 - 模拟转换、执行器驱动。
06
活动日志
活动日志 班级：XX 姓名：XX
活动名称 认识微控制器——智能控制的基础
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 生活中的智能控制、教学用微型计算机、安装编程软件
活动完成度 口口口口口口口口口(100%)
活动小结 问题与反思：学习智能控制相关知识时缺乏思维发散性。
改进的方法：罗列相关知识以图形，导图等方式化简。
07
课堂总结
1
引入新知内容
认识微控制器——智能控制的基础
2
控制无处不在
3
教学用微型计算机
5
完成课题练习
1
2
3
5
5
进行相关知识拓展
6
3
安装编程软件
4
08
板书设计
认识微控制器——智能控制的基础
1.进行新知引入
2.控制无处不在
3.教学用微型计算机
4.安装编程软件
5.完成课堂练习
6.进行知识拓展
09
课后作业
01
挑选家中的一个智能家居，分析它的智能控制系统并找到对应的结构，绘制出一个表格与同学们分享。
09
课后作业
02
学完本节课，总结智能控制的基础的相关知识并绘制成思维导图。
https://www.21cnjy.com/recruitment/home/fine

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