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(共34张PPT)
第5课
物联网的感知技术
八年级
上
01
学习目标
内容总览
02
新知导入
03
传感器与感知技术
04
传感器检测技术应用
05
扩展学习
06
课后练习
07
课堂小结
08
板书设计
教学目标
了解物联网应用给人们学习、生活、工作带来的改变，知道传感器的原理。
信息社会责任
选择和构建简单的物联网系统，感受传感器在物联网中的作用，体验数据处理和应用的方法过程。
信息意识
认识到迭代是一种持续优化改进的思维方式。
计算思维
在实践中用传感器解决问题，体验数据处理的方法和过程。
数字化学习与创新
新知导入
吹风机能感觉到温度的变化，当温度过高时，吹风机会自动断电，避免危险发生；当人站上体重秤时，体重秤能感应到人的重量并显示出来；当我们走进某些写字楼、商场、机场、酒店大厅时，大门会自动打开，当我们进入后，门又会自动关闭。帮助这些物品获得"感觉"的装置就是传感器。
探究新知
一、认识传感器
如果将物联网比作一个人，那么传感器就是人体的五官，是全面感知外界的核心元件。可以说，传感器的存在和发展，让物体有了触觉、味觉和嗅觉等"感官"，让物体慢慢地"活了起来"。在物联网的感知层中，传感器检测技术就是核心技术。
探究新知
一、认识传感器
实践一 传感器调查
1. 随着科学技术的不断发展，越来越多的传感器被用于智能家居系统中，例如洗衣机、电冰箱、电视机、微波炉等。家用电器中常用的传感器主要有压力传感器、温度传感器、气体传感器、光传感器、超声传感器和红外传感器等。请对各类家用电器展开调查，完成表5-1。
2. 查阅资料，除了电器，生活中还有哪些地方经常用到传感器？请按照感官给传感器分类，完成表5-2。
实践一：传感器调查
实践活动
表5-1 家用电器的传感器调查
请调查以下家用电器使用了什么传感器：
电视机
电饭锅
电冰箱
微波炉
洗衣机
空调
填写：电器名称 | 应用的传感器 | 传感器的作用
实践活动
表5-2 传感器分类调查表
按照感官给传感器分类：
视觉：摄像头、光敏传感器——看
听觉：麦克风、声控传感器——听
嗅觉：气体传感器（烟雾/CO/甲醛）——闻
触觉：触摸传感器、压力传感器——摸
味觉：味觉传感器——尝
请补充你调查到的传感器名称和作用。
探究新知
一、认识传感器
传感器国家标准（GB7665-87）
传感器是能感受规定的被测量并按照一定的规律转换成可用信号的器件或装置，通常由敏感元件和转换元件组成。
生活中常见的传感器有：温湿度传感器、一氧化碳传感器、甲烷传感器、硫化氢传感器、氧气传感器、水位传感器、烟感探测器、水浸传感器等。
什么是传感器
探究新知
工作原理：
(1)敏感元件直接感受被测的非电学量，并输出与被测量有确定对应关系的、转换元件所能接收的其他物理量。
(2)转换元件将敏感元件感受或响应的被测量转换成适于传输或测量的电信号。
(3)转换电路将转换元件输出的电信号转换成易于处理的电压、电流等电学量。
传感器的组成
探究新知
二、传感器的工作原理
非电学量 → 传感器 → 电学量
被测非电学量（力、温度、磁场、声音等）经过传感器，转换为电信号（电流、电压、电阻、电容等），以便后续电路实现显示、记录、处理等功能。
非电学量→电学量
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三、传感器的分类
传感器有多种分类方法，尚未有权威统一的标准，常见分类如下：
(1)按物理量：位移、力、速度、温度、湿度、流量等传感器
(2)按工作原理：电阻、电容、电感、电压、霍尔、光电、光栅、热电偶等传感器
(3)按输出信号：开关型（0/1）、模拟型、数字型传感器
(4)按能量转换：能量控制型、能量转换型传感器
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分类说明
(1)按物理量分类有利于选择和应用传感器。
(2)按工作原理分类有利于研究和设计传感器、阐述工作原理。
(3)开关型传感器输出只有"1"和"0"（开和关）；数字型传感器输出脉冲或代码，便于与计算机连接，抗干扰强。传感器数字化是发展趋势。
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四、传感器检测技术的应用
认识了传感器的原理和分类后，我们来动手体验常见传感器的使用。本节我们将认识温湿度传感器、蜂鸣器和触摸传感器，并用micro:bit开发板读取传感器数据。
从理论到实践
探究新知
四、传感器检测技术的应用
（一）温湿度传感器
温湿度传感器是温度传感器与湿度传感器一体化的传感器。它能够将测量得到温度量和湿度量，按照一定的规律转换成电信号，并在温湿度显示装置上显示出来。
温湿度传感器一般包括一个电阻式湿敏元件和一个NTC测温元件。
（一）温湿度传感器
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四、传感器检测技术的应用
NTC测温元件
NTC测温元件利用其内部的负温度系数热敏电阻检测环境温度：当温度升高，电阻变低；反之电阻变高。NTC测温元件通过电阻值的变化得到相应的温度值，用℃表示。
常用的DHT11温湿度传感器就是集成了电阻式湿敏元件和NTC测温元件。
NTC热敏电阻
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四、传感器检测技术的应用
电阻式温度传感器有NTC（负温度系数）和PTC（正温度系数）两种。温度增加阻值增大的是PTC，温度减少阻值降低的是NTC。
电阻式湿敏元件利用内部感湿膜检测环境湿度：湿度增大，感湿膜导电能力变强，电阻变低；反之电阻变高。常用相对湿度%RH表示湿度。
拓展阅读
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实践二
小组合作，运用物理课所学知识：
步骤一：利用热敏电阻和万用表进行实验
1号水杯：水温____℃，电阻值____Ω
2号水杯：水温____℃，电阻值____Ω
3号水杯：水温____℃，电阻值____Ω
我们的发现：水温和电阻的关系……
步骤二：了解温度传感器的主要部件，电阻值是如何变成显示屏中的读数
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四、传感器检测技术的应用
将开发板和计算机连接，再将读取程序烧录至开发板，就可读取传感器实时数值。
打开编程软件，用数据线把micro:bit开发板和计算机连接。点击连接后，如果计算机右下角弹出硬件连接窗口，在设备管理器端口中看到mbed Serial Port，说明连接成功。点击"烧录"，程序就下载到开发板上。
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四、传感器检测技术的应用
开发板通过串口向电脑或其他设备发送消息，也可以接收其他设备的信息。通过"串口"指令下的控制模块，进行数据打印、读取和发送，输出结果显示在串口监视器中。
串口通信
进行串口打印时通常添加延时模块，让打印的数据更方便观察。
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四、传感器检测技术的应用
（二）蜂鸣器和触摸传感器
蜂鸣器是一种会发声的电子元件，广泛应用于各种电子产品中做发声器件。
按驱动方式分为：
有源蜂鸣器：内部有震荡源，通电就发声
无源蜂鸣器：内部无震荡源，必须有信号驱动才发声，声音频率可控
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四、传感器检测技术的应用
蜂鸣器的分类
有源蜂鸣器：内部有震荡源，只要一通电就会发声。
无源蜂鸣器：内部没有震荡源，通电不会发声，必须有信号驱动才可以发声，但声音频率是可控的。
探究新知
四、传感器检测技术的应用
蜂鸣器发声原理
蜂鸣器的发声原理和声音的产生原理一样，都是通过振动发声。
无源蜂鸣器利用电磁感应现象，为音圈接入交变电流后形成的电磁铁与永磁铁相吸或相斥而推动振膜发声。
我们可以通过控制蜂鸣器模块的振动频率，让蜂鸣器发出不同的声音。
发声原理
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拓展阅读
声音由物体振动产生，1秒内振动次数叫频率（Hz）。频率不同，音调不同。
低音1(do)=262Hz 中音1=523Hz 高音1=1046Hz
低音2(re)=294Hz 中音2=587Hz 高音2=1175Hz
低音3(mi)=330Hz 中音3=659Hz 高音3=1318Hz
低音4(fa)=349Hz 中音4=698Hz 高音4=1397Hz
低音5(sol)=392Hz 中音5=784Hz 高音5=1568Hz
低音6(la)=440Hz 中音6=880Hz 高音6=1760Hz
低音7(si)=494Hz 中音7=988Hz 高音7=1976Hz
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四、传感器检测技术的应用
触摸传感器主要在物体或个人与其物理接触时起作用。与按钮等手动控制不同，触摸传感器更灵敏，能以不同方式响应敲击、滑动和挤压等触摸。
触摸传感器内部是一个微动开关，在微小外力作用下即可触发，十分灵敏。它作为传感器的测量值只有0和1两个状态，对应开关的关和开。
触摸传感器
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四、传感器检测技术的应用
数字传感器 vs 模拟传感器
触摸传感器有0和1两个值，分别对应开关的关和开两个状态，这与温湿度这类可以输出多个连续值的传感器不同。
数字型（开关型）：输出只有0和1，如触摸传感器、按键
模拟型：输出连续变化值，如温湿度传感器（温度从0℃到50℃连续变化）
数字传感器
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动手实践
蜂鸣器+触摸传感器=小小乐器
蜂鸣器可以和触摸传感器组成一个小小乐器。先在编程界面引入蜂鸣器模块：
from microbit import *
import music
调整播放的音调和节拍，就能播放不同的音调节奏。然后通过检测触摸传感器状态控制蜂鸣器：
pin0.read_digital() == 1 # 被触摸时为1
制作小乐器
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动手实践
音调与节拍
在micro:bit中：
音符C-B对应音乐中的do~si
数字3~5对应三个音阶：低音、中音、高音（如C5表示高音do）
节拍控制声音长短，从八分之一拍到双拍，声音逐渐加长
将触摸传感器和蜂鸣器结合，根据简谱编写程序，就能演奏音乐了。
音调节拍说明
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动手实践
while True:
if (pin0.read_digital() == 1):
music.play(['E4:2'], pin=pin1, wait=True)
music.play(['E4:2'], pin=pin1, wait=True)
music.play(['E4:2'], pin=pin1, wait=True)
music.play(['E4:4'], pin=pin1, wait=True)
music.play(['D4:2'], pin=pin1, wait=True)
music.play(['C4:2'], pin=pin1, wait=True)
...
《兰花草》程序
探究新知
实践活动
实践活动
1. 尝试修改音调框中的参数并运行程序，尝试播放不同音阶的do、re、mi、fa、so、la、si，感受音调的变化。
2. 尝试修改节拍框参数并运行程序，尝试播放同一个音调的不同节拍，感受发声长短的变化。
实践：修改参数
实践活动
3. 在日常生活中，我们还能用触摸传感器和蜂鸣器模块实现哪些用途呢？请在小组中展开讨论。
触摸传感器的用途：________
蜂鸣器的用途：________
提示：触摸传感器可用于触摸开关、电子琴、防撞检测；蜂鸣器可用于报警、提示音、音乐播放。
实践活动
用途参考
触摸开关（灯/门）
电子琴按键
防撞/碰撞检测
手机触摸屏
蜂鸣器的用途：
按键提示音
火灾/煤气报警
倒车提醒
乐器演奏
设备故障警告
探究新知
实践四
根据查找的资料，选择一个你认为可模拟的场景，利用蜂鸣器、触摸传感器或其他传感器进行场景模拟。
我选用的传感器有：________
我想要实现的场景：________
我的实现思路：________
我的主要代码如下：________
实践四：场景模拟
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实践四
可参考场景：
触摸传感器+蜂鸣器：触摸报警、电子琴
温湿度传感器+蜂鸣器：高温/高湿报警
光线传感器+蜂鸣器：黑暗提醒
触摸传感器+LED：触摸灯
迭代优化：先实现基本功能，再不断修改参数、调试代码，逐步完善作品。物联网的感知技术 教学设计
课题 物联网的感知技术 单元 走进物联网
学科 初中信息科技 年级 八年级
教材 赣科版八年级上册 课时 第一课时
课型 理论+实践课 工具 micro:bit开发板
教材分析
本课是物联网感知层的核心内容，从学生熟悉的生活现象（吹风机感温、体重秤感应重量、自动门）引入，讲解传感器的概念、组成、工作原理和分类。传感器是物联网全面感知的核心元件，教材将其比喻为"人体的五官"，帮助学生理解。理论部分包括传感器国家标准定义（敏感元件+转换元件）、非电学量到电学量的转换过程、按物理量和工作原理的分类方法。实践部分包括：家用电器传感器调查、NTC热敏电阻实验（万用表测不同水温下电阻值）、micro:bit开发板读取温湿度数据、串口通信、蜂鸣器（有源/无源）与触摸传感器的使用，最后用蜂鸣器+触摸传感器制作"小小乐器"演奏《兰花草》，并进行场景模拟拓展。
学习目标
信息意识：了解物联网应用给人们学习、生活、工作带来的改变，知道传感器的原理。
计算思维：认识到迭代是一种持续优化改进的思维方式，理解数字传感器与模拟传感器的区别。
数字化学习与创新：在实践中用传感器解决问题，通过micro:bit读取传感器数据，体验数据处理的方法和过程。
信息社会责任：选择和构建简单的物联网系统，感受传感器在物联网中的作用，体验数据处理和应用的方法过程。
重点
传感器的定义与组成（敏感元件+转换元件）；传感器工作原理（非电学量→电学量）；温湿度传感器、蜂鸣器、触摸传感器的使用；micro:bit读取传感器数据。
难点
NTC/PTC热敏电阻的工作原理（温度变化与电阻值的关系）；有源与无源蜂鸣器的区别；数字传感器与模拟传感器的区别；程序控制蜂鸣器播放音乐。
教学过程
教学环节 教师活动 学生活动 设计意图
导入新课 1. 生活现象引入：
吹风机能感觉温度变化，温度过高自动断电
体重秤能感应人的重量并显示
走进写字楼、商场，大门自动打开
这些设备为什么能"感觉"到环境变化？
2. 比喻：如果将物联网比作一个人，传感器就是人体的五官，是全面感知外界的核心元件。传感器让物体有了触觉、味觉、嗅觉，让物体"活了起来"。 列举生活中的感应设备。
思考：这些设备靠什么"感觉"？ 从生活现象出发，用"五官"比喻建立传感器的直观认识。
实践一
传感器调查 1. 布置调查任务：家用电器中常用的传感器有压力传感器、温度传感器、湿度传感器等。
2. 表5-1：调查电视机、电饭锅、电冰箱、微波炉、洗衣机、空调各用了什么传感器，起什么作用。
3. 表5-2：按感官给传感器分类：
视觉：摄像头、光敏传感器——看
听觉：麦克风、声控传感器——听
嗅觉：气体传感器（烟雾/CO/甲醛）——闻
触觉：触摸传感器、压力传感器——摸
味觉：味觉传感器——尝 小组讨论填写调查表。
按视觉/听觉/嗅觉/触觉/味觉分类。
举例：冰箱用温度传感器，空调用温湿度传感器。 通过调查和分类，让学生将抽象的传感器概念与具体家电联系起来。
一、认识传感器 1. 传感器定义（GB7665-87）：传感器是能感受规定的被测量并按照一定规律转换成可用信号的器件或装置，通常由敏感元件和转换元件组成。
2. 传感器组成：
敏感元件：直接感受被测的非电学量，输出与被测量有确定关系的其他物理量
转换元件：将敏感元件感受的被测量转换成适于传输或测量的电信号
3. 工作原理：非电学量（力、温度、磁场、声音等）→传感器→电学量（电流、电压、电阻、电容等），以便后续电路显示、记录、处理。 记录传感器定义和组成。
理解：传感器把物理量变成电信号。
举例：温度变化→电阻变化→电信号→显示温度。 从国家标准定义入手，讲清传感器的本质——非电学量到电学量的转换。
二、传感器分类 传感器常见分类：
（1）按物理量：位移、力、速度、温度、湿度、流量等传感器——有利于选择和应用。
（2）按工作原理：电阻、电容、电感、电压、霍尔等传感器——有利于研究和设计。
（3）按输出信号：开关型（输出0和1）、数字型（输出脉冲）、模拟型（输出连续变化值）。
数字传感器vs模拟传感器：触摸传感器只有0和1（开/关）；温湿度传感器输出连续变化值。 记录三种分类方式。
区分数字传感器（0/1）和模拟传感器（连续值）。 系统讲解分类方法，为后续选择传感器打基础。
三、温湿度传感器 1. 介绍温湿度传感器：温度传感器与湿度传感器一体化，将温度量和湿度量转换成电信号显示。
2. NTC测温元件：负温度系数热敏电阻——温度升高，电阻变低；温度降低，电阻变高。通过电阻值变化得到温度值。
3. 对比：PTC是正温度系数——温度升高，电阻变大。
4. 电阻式湿敏元件：湿度增大，感湿膜电阻变化，以此测量湿度。 听讲NTC/PTC原理。
理解温度与电阻的反向/正向关系。 结合物理课热敏电阻知识，跨学科理解传感器原理。
实践二
热敏电阻实验 1. 实验步骤：利用热敏电阻和万用表进行实验。
2. 测量三杯不同水温下的电阻值：
1号杯水温____℃，电阻值____Ω
2号杯水温____℃，电阻值____Ω
3号杯水温____℃，电阻值____Ω
3. 引导学生发现规律：水温越高，NTC电阻值越低。 分组实验，用万用表测量。
记录数据，验证NTC特性。
发现温度与电阻的关系。 动手实验验证理论，培养实证精神。
四、micro:bit与串口 1. 将开发板与电脑连接，烧录读取程序。
2. 串口通信：开发板通过串口向电脑发送消息，在串口监视器中显示。
3. 串口打印时添加延时模块，方便观察数据。
4. 指导学生读取温湿度传感器实时数值。 连接micro:bit，烧录程序。
打开串口监视器，观察温湿度数据变化。 从理论到实践，学会用开发板读取传感器数据。
五、蜂鸣器 1. 蜂鸣器是会发声的电子元件。
2. 分类：
有源蜂鸣器：内部有振荡源，通电就发声，频率固定
无源蜂鸣器：内部无振荡源，需信号驱动才发声，频率可控
3. 发声原理：通过振动发声。无源蜂鸣器利用电磁感应，音圈通入交变电流后与永磁铁相吸/相斥推动振膜。
4. 拓展：频率与音调——1秒振动次数叫频率(Hz)，频率不同音调不同。低音do=262Hz，中音do=523Hz，高音do=1046Hz。 区分有源和无源蜂鸣器。
理解频率与音调的关系。
观察两种蜂鸣器实验效果。 结合物理声学知识，理解蜂鸣器发声原理。
六、触摸传感器 1. 触摸传感器在物体或人体物理接触时起作用，比按钮更灵敏，能响应敲击、滑动、挤压。
2. 内部是微动开关，微小外力即可触发。
3. 数字型传感器：输出0和1，对应关和开。与温湿度这类输出连续值的模拟传感器不同。 触摸传感器，观察输出0/1。
对比数字传感器和模拟传感器。 通过触摸实验直观理解数字量与模拟量。
动手实践
小小乐器 1. 任务：蜂鸣器+触摸传感器=小小乐器。
2. 编程：引入music模块，调整播放频率和节拍。
3. micro:bit音符：C-B对应do~si，数字3-5对应低/中/高音（如C5=高音do）。
4. 节拍控制声音长短（八分之一拍到整拍）。
5. 示例程序：《兰花草》演奏程序。
6. 实践：修改参数播放不同音阶；修改节拍感受长短变化。 编写程序连接蜂鸣器和触摸传感器。
按触摸按键播放不同音符。
修改参数，尝试演奏简单乐曲。 综合运用传感器和执行器，在趣味项目中学习编程和硬件。
实践四
场景模拟 1. 讨论：触摸传感器和蜂鸣器还能实现什么？
触摸传感器：触摸开关、电子琴按键、碰撞检测、手机触摸屏
蜂鸣器：按键提示音、火灾报警、倒车提醒、乐器演奏、设备故障警告
2. 实践四：选择一个场景模拟，如：
触摸+蜂鸣器：触摸报警、电子琴
温湿度+蜂鸣器：高温/高湿报警
光线+蜂鸣器：黑暗提醒
3. 迭代优化：先实现基本功能，再逐步改进。 小组讨论应用场景。
选择一个场景设计模拟方案。
迭代优化作品。 举一反三，将传感器知识迁移到新场景，培养创新思维。
课堂总结 本课我们学习了物联网的感知技术。传感器是物联网的"五官"，由敏感元件和转换元件组成，将非电学量转换为电学量。我们认识了温湿度传感器（NTC/PTC热敏电阻）、蜂鸣器（有源/无源）和触摸传感器（数字型0/1），学会了用micro:bit读取传感器数据、通过串口监视数据，还制作了小小乐器演奏《兰花草》。传感器技术是物联网全面感知的基础。 回顾本课内容。
梳理：传感器定义→组成→分类→三种传感器→实践。 总结知识体系，强化感知层在物联网中的作用。
课后作业 1. 画出本课知识思维导图。
2. 观察家中5个用电器，列出各用了什么传感器。
3. 用蜂鸣器和触摸传感器设计一个"触摸报警"装置。
4. 选做：查阅资料，了解还有哪些新型传感器（如气体传感器、GPS传感器）。 完成课后作业。 巩固课堂知识，延伸探索。
板书设计
第5课 物联网的感知技术
一、传感器 = 五官
敏感元件 + 转换元件：非电学量 → 电学量
二、分类
按物理量 / 按工作原理 / 数字型(0,1) vs 模拟型(连续)
三、实践
温湿度传感器(NTC/PTC) → 串口读取
蜂鸣器(有源/无源) + 触摸传感器(0/1) = 小乐器

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