资源简介

(共38张PPT)
跨学科主题学习
—设计并制作简易光控 LED 灯照明系统
（黔科版）六年级
01
教学目标
02
课堂导入
03
学习目标
04
拓展延伸
05
课堂小结
06
板书设计
01
教学目标
1、信息意识：能够了解LED灯的基本原理及应用，掌握光敏传感器的工作原理。
2、计算思维：能够将复杂的光控LED灯项目分解成多个小任务，如传感器数据采集、数据处理、控制逻辑等。
3、数字化学习与创新：能够发挥创意，尝试不同的设计方案，比如使用不同类型的传感器或改进控制系统。
4、信息社会责任：能够提倡节约能源，通过设计高效的照明系统来减少电能消耗。
自爱迪生发明照明灯以来，灯已与我们的日常生活密不可分，家庭、学校工厂、商场、公园都需要灯的照明。为了避免能源浪费，杜绝长明灯现象，许多场所使用了光控灯，如路灯(图1)、公园景观灯、公共区域照明灯和家庭楼道灯等。这些灯在白天常处于关闭状态，到了黑夜或天色,阴暗时会自动亮起天亮后又会自动关闭。
02
项目任务
图1
光控灯既能节约能源，延长灯泡的使用寿命，又能实现无人值守，节省人力。那么，它是如何根据天色明暗程度自动提供照明的呢 让我们通过制作易光控灯实验来共同探究。
02
项目任务
光敏感应器：路灯的光敏感应器是一种能够感知光线强度的装置。通过光敏感应器可以通过天色明暗程度自动提供照明。
以小组为单位完成以下任务:
1.探究光控灯的工作原理;
2.设计光控灯的实现算法，绘制算法流程图;
3.了解光线传感器和 LED灯的工作原理;
4.确定光线传感器的光线值与 LED 灯亮度的对应关系;
5.选择器材，制作一个简易的光控灯系统;
6.对系统进行测试，并针对问题进行改进，实现系统的迭代;
7.总结探究过程，撰写实践报告。
02
项目任务
知识拓展
02
项目任务
03
相关学科
学科 相关要求
数学 通过分析光线传感器的光线值与 LED 灯亮度的关系，培养学生的逻辑思维能力
信息科技 通过光控灯系统的搭建，加深对控制系统的“输入-计算-输出”三环节和连续量、开关量的理解，通过算法设计，培养计算思维;通过作品测试，在解决问题的过程中实现产品的选代。
科学 了解光线传感器和 LED 灯的工作原理
劳动 在完成任务的过程中，能根据目标要求选择合适的器材，综合运用多学科知识和经验解决实验过程中的问题，体验劳动的乐趣，提高动手操作能力。
03
活动器材
硬件
软件
传感器：传感器是智能路灯系统中不可或缺的部分，它们用于感知环境变化并传输数据
控制器：控制器是智能路灯系统的核心部分，它负责接收传感器的数据
通信模块：通信模块用于实现路灯与后台服务器之间的数据传输。
控制算法：控制算法是实现灯光自动调节的核心部分，它可以根据室内光线、时间等因素，自动调节灯光的亮度和色温等参数
03
小组分工
组名
成员 姓名 分工（根据任务需要、组长组织分配工作）
组长
组员
无敌暴龙战士队
张三
李四
王五
赵六
把控全局，跟进每组进度
进行初步路灯系统的设计
根据路灯系统设计图完成路灯设计
材料准备工作
03
项目实践指导
步骤一:分析并设计光控灯控制系统
光控灯是根据周围环境的光线强度自动提供照明的一种灯具。通常情况下，光控灯系统通过光线传感器感知周围环境的光线强度，并将检测到的光线强度转换成光线值输入给系统。
光控灯控制系统三环节如图2所示。
图2
03
项目实践指导
数字化学习
查阅相关资料，了解光线传感器和 LED灯的工作原理。
一、光线传感器工作原理：这种变化随后被转换成电信号，以便电子设备可以读取和处理。光敏元件通常是由半导体材料制成，如硅、锗等，这些材料对光敏感并能有效地转换光能为电能。
二、LED灯的工作原理：是一种固态半导体器件，它可以将电能直接转换为光能。LED的基本结构包括一个PN结，由P型半导体和N型半导体组成。在正向偏压作用下，电子从N区注入到P区，与P区的空穴复合，释放出能量以光子的形式发射出来，从而发光。
03
项目实践指导
做一做
尝试画出光控灯系统结构图(包括系统、子系统、模块)
03
项目实践指导
做一做
尝试画出光控灯系统控制框图。
03
项目实践指导
步骤二:设计算法
光控灯系统会将输入的光线值与系统设定的点亮灯所必须达到的最低光线值(设定值)进行比较。如果测量到的光线值小于设定值，系统控制LED灯亮起;如果测得的光线值大于设定值，说明没有达到亮灯条件，系统控制LED灯关闭，达到环保节能的目的。光线传感器每天不间断地探测周围环境光的变化，并将变化结果向系统反馈，从而实现亮灯、熄灯的自动控制。
03
项目实践指导
做一做
图3所示是根据设定值控制LED灯亮灭的简易光控灯的算法流程图(局部)，请将其补充完整。
图3
S0 = 100
光线值<100
03
项目实践指导
想一想
为了达到理想的控制效果，该如何确定亮灯光线值的大小
一、明确照明需求
空间大小：根据房间或区域的实际面积来确定所需的光线值。例如，客厅可能需要较高的亮度，而卧室则可能需要柔和的光线。
使用场景：不同的使用场景对光线的需求也有所不同。例如，阅读、工作等场景需要较高的照度，而休息、放松等场景则需要较低的照度。
二、了解灯具参数
光通量：光通量是衡量灯具亮度的重要参数，单位为流明（lm）。在选择灯具时，可以参考产品标签上的光通量值来评估其亮度。
03
项目实践指导
步骤三:编程实现
连接硬件与电脑，启动图形化编程软件，依次打开软件与电子开发板的通信连接，选择开发板类型、上传模式、编程语言，然后就可以进行编程了。
03
项目实践指导
做一做
测试光线传感器在什么情况下获取的环境光的值最大，最大值是多少 在什么情况下获取的环境光的值最小 最小值是多少
一、在晴朗的室外环境下，光照强度通常达到10万lux，这是光线传感器能正常检测到的最大环境光照度。因此，光线传感器在晴朗的户外环境中获取的环境光的值最大，最大值可以达到10万lux。
二、夜晚的光线照度则小于1lux，这是光线传感器能正常检测到的最小环境光照度。因此，光线传感器在夜晚或非常暗的环境中获取的环境光的值最小，最小值接近于0lux。
三、光线传感器在晴朗的户外环境中获取的环境光的值最大，最大值可以达到10万lux；而在夜晚或非常暗的环境中获取的环境光的值最小，最小值接近于0lux。
03
项目实践指导
做一做
LED灯在什么情况下最亮，亮度的最大值是多少 在什么情况下最暗，亮度的最小值是多少
一、影响明暗的情况：
电源匹配：LED灯需要在额定的电压和电流下工作才能达到最大亮度。不匹配的电源可能导致LED灯无法达到其设计的最大亮度。
散热条件：良好的散热可以防止LED因过热而降低亮度。高温会加速LED的光衰，影响其发光效率。
二、最大值和最小值是多少：
功率大小：LED灯的功率与其亮度成正比。例如，一个100瓦的LED灯泡可以提供高达90000流明的亮度，相当于多个家用LED灯泡的亮度总和。
03
项目实践指导
做一做
根据你的流程图完成编程。
03
项目实践指导
步骤四:测试
至此，该光控灯系统已搭建完成。运行上传程序，进行测试，看看是否可以正常运行。
03
项目实践指导
做一做
用移动电源给你的光控灯系统供电，将光控灯放入不同光照强度的测试环境中，观察光控灯是否能根据环境的明暗自动亮灭，或保持灯的状态不变。
测试环境 灯的状态
测试结论：
烈日
关灯状态
阴天
关灯状态
黄昏
微亮状态
深夜
全灯状态
凌晨
微亮状态
光控系统可以根据外部明年环境改变自身状态。
03
项目实践指导
步骤五:优化和改进
把你的光控灯系统放置在一个光线较暗的楼道里，观察其是否始终处于常亮状态。由于这个简易的光控灯系统没有考虑到只在人出现时才需要照明，在光线较暗时灯光会持续亮着，导致能源浪费，不符合节能环保要求，因此需要进行优化和改进。
03
项目实践指导
做一做
在生活中，为了节能，许多地方的照明灯既能由光线控制，又能由声音控制，甚至还可以由人体感应控制。
想一想，如何设计简易光控灯改进方案，做一个更加节能的光控灯系统
硬件优化
高效LED灯具：选择高光效的LED灯具，这些灯具在相同的功率下能提供更高的亮度，从而减少能源消耗。
智能传感器：使用高精度的光敏传感器或照度计，以准确检测环境光线变化，避免误操作导致的能源浪费。
低功耗控制器：选用低功耗的微控制器作为系统的核心，以减少待机状态下的能耗。
03
项目实践指导
做一做
如果需要光控灯能根据周围环境的亮度自动调节 LED的亮度该如何确定光线传感器的光线值与 【ED 亮度之间的关系 该如何修改前面的算法
建立映射关系：
根据数据分析的结果，建立一个从光线传感器输出值到LED亮度的映射表或函数。
这个映射关系将用于实时控制LED的亮度。
算法修改：
假设你已经有了一个基本的光控灯系统，现在需要修改其算法以实现自动调节LED亮度的功能。在设计映射关系和算法时，应考虑到节能因素，避免不必要的能源浪费。
03
项目实践指导
做一做
需求分析(功能改进)
系统设计
器材准备
算法设计
程序实现
自动调节亮度：根据周围环境的光线强度自动调整LED路灯的亮度，以节省能源并提高用户体验。
远程监控与控制软件：提供一个用户界面，允许管理人员远程查看路灯的状态、修改参数或发送控制命令。
LED灯具及其安装支架、光线传感器（如BH1750光照度传感器）、微控制器（如Arduino、Raspberry Pi等）。
光线采集与处理：定期从光线传感器读取数据，并使用滑动平均或指数移动平均等方法进行平滑处理。
在Python编程中完成代码的完成，使得在不同的亮度下路灯会自动的亮度。
03
展示与交流
小组上台演示本组制作的光控灯系统，并分享设计与制作过程。
03
反思与评价
1、反思
存在的问题:
改进措施:
前期准备工作不够完善，导致后期出现作品瑕疵
前期预留更多时间准备
03
反思与评价
2、评价
评价项目 小组评价 自我评价
小组合作
完成质量
参与态度
07
拓展延伸
1、声控灯
07
拓展延伸
2、光敏传感器在日常生活中造成了哪些影响？
(1)节能照明：光敏传感器广泛应用于自动照明系统中，如街道路灯、室内灯光等。它们能够根据环境光线强度自动调节灯光亮度或开关状态，从而有效减少能源消耗，实现节能减排的目的。、
（2）提高安全性：在户外照明领域，光敏传感器的应用有助于提高夜间行人和车辆的安全性。当光线变暗时，传感器会自动触发路灯开启，为行人和驾驶员提供必要的照明，减少交通事故的发生概率。
07
拓展延伸
3、生活中光敏传感器给我们带来哪些优势？
(1)节能环保：通过自动调节灯光亮度或开关状态，光敏传感器能够显著降低能源消耗，减少碳排放，符合当前绿色低碳的生活理念。这对于推动可持续发展具有重要意义。
（2）提高便利性：光敏传感器的应用使得灯光控制更加智能化和自动化，用户无需手动操作即可享受舒适的照明环境。这不仅提高了生活的便利性，也减少了因人为操作失误而带来的不便。
07
拓展延伸
4、我们如何更好地学习光敏传感器？
(1）理解基本原理：首先需要深入了解光敏传感器的工作原理，包括光电效应、半导体特性以及光敏电阻、光敏二极管等不同类型传感器的工作机制。这有助于我们理解传感器如何响应光线变化并产生电信号。
（2）学习应用领域：研究光敏传感器在不同领域的应用案例，如自动照明系统、智能家居、智能交通等。通过了解实际应用情况，我们可以更好地理解传感器的实际作用和价值，并为将来的应用提供灵感。
08
课堂小结
《设计并制作简易光控 LE0 灯照明系统》课程小结： 本课程中，我们学习了如何设计和制作一个简易的光控LED灯照明系统，它是利用光电效应来检测环境光线的强度啊！然后我们还了解了不同类型的光敏传感器，比如光敏电阻和光敏二极管。不仅让我们学到了新知识，还锻炼了我们的动手能力和解决问题的能力。我们觉得这种理论与实践相结合的教学方式非常棒，希望以后还能有更多这样有趣的课程。我们已经迫不及待想要尝试更复杂的项目了！
09
板书设计
跨学科主题—设计并制作简易光控 LE0 灯照明系统
一、步骤一:分析并设计光控灯控制系统
二、步骤二:设计算法
三、步骤三:编程实现
四、测试、优化和改进
课后作业
1、在父母陪同在网上找到相关的光敏传感器小灯素材，购买并制作光敏小灯。
https：//www.21cnjy.com/recruitment/home/fine

展开更多......

收起↑