《控制系统的设计与实施》教学的案例实现.doc

《控制系统的设计与实施》教学的案例实现 ——基于Arduino平台的控制系统开发 普陀三中 徐 路 《技术与设计2》中的设计实践有一定的难度，尤其是系统设计和控制设计的设计实践。教师要从实际出发，选择一些更生动的，更接近现实，与学生生活经验联系紧密、有一定趣味和创造空间的设计项目作为课堂演示和学生自主活动的内容。 我利用Arduino平台实现一些生活中常见的控制系统作为课堂演示，向学生展示了当今科学的发展和电子技术的必威体育精装版动态，不仅可以激发学生兴趣，提高教学效率，还可以深化学生对技术的认识。 Arduino 是一款便捷灵活、方便上手的开源电子原型平台，包含硬件（各种型号的arduino板）和软件（arduino IDE)。Arduino能通过各种各样的传感器来感知环境，通过控制灯光、马达和其他的装置来反馈、影响环境。 控制系统根据工作方式的不同，分为开环和闭环。现实生活中声控灯、感应水龙头、倒车雷达报警等系统是最常见的开环控制系统，而恒温系统是最常见的闭环控制系统，但是温度不能直观的表现，又要用到强电流和液体，不适合在课堂上演示，市场上有一种恒光台灯的产品，其系统原理就是闭环控制系统。 下面介绍一下我开发的几个控制系统案例，以此抛砖引玉。 控制系统设计一：声控灯 声控灯是学生生活中最常见的一种控制，在Arduino平台非常容易实现。需要的元件有Arduino主板一块、led灯一个、声音传感器一个、电阻两个、面包板一个、连线若干。线路利用面包板搭建，该系统目的是声音传感器感应到声音后，点亮Led灯5秒后熄灭。声音传感器的敏感度和led灯的点亮时间都是可调的。该系统是开环控制系统，方框图为： 此系统中的声音传感器只能识别声音的有无（根据震动原理）不能识别声音的大小或者特定频率的声音。灵敏度可调（蓝色数字电位器调节）。模块在环境声音强度达不到设定阈值时，D0口输出高电平，当外界环境声音强度超过设定阈值时，模块D0输出低电平。 其实输出DO可以直接驱动继电器模块，由此可以组成一个声控开关，来实现声控灯，但为了使项目的知识系统化，扩展性更强，就统一采用通过Arduino平台。 控制系统设计二：测距报警器（倒车雷达） 汽车倒车时，车后面有物体倒车雷达会报警，并且离的越近声音越急促。我设计的这个系统就能实现这样的功能，利用的是一个超声波测距传感器和一个蜂鸣器，电路搭建与声控灯类似。系统工作过程是利用超声波测得与物体的距离，发送给控制电路进行转化、运算和判断，控制蜂鸣器发出相应的声音。该系统是开环控制系统，方框图为： 该系统所用的是最常见的SR04型超声波传感器，其发射器向某一方向发射超声波，在发射的同时开始计时，超声波在空气中传播，途中碰到障碍物就立即返回来，超声波接收器收到反射波就立即停止计时。声波在空气中的传播速度为340m/s，根据计时器记录的时间t，就可以计算出发射点距障碍物的距离s，即：s=340m/s×t/2，这就是所谓的时间差测距法。该传感器的探测距离可以通过电位器调节、具有干扰小、便于装配、使用方便等特点，可以广泛应用于机器人避障、避障小车等众多场合。 控制系统设计三：恒光台灯 恒光就是光照度恒定。指不管环境光或自然光亮度如何变化，台灯工作面的光照度都始终恒定在设定的照度值上。恒光台灯可以作为学生台灯设计活动的延伸，使通用技术教学更具有技术性和连续性。该系统是闭环控制系统，方框图为： 光敏电阻又称为光导管，常用的制作材料为硫化镉，另外还有硫化铝灯材料，这些制作材料具有在特定波长的光照射下，其阻值迅速减小的特性。 以上简单介绍了三个项目的设计思想和原理，在实际制作中还有许多的细节问题需要考虑，还要向Arduino写入简单控制程序。Arduino号称电子积木，非常容易实现所需要的项目，这些项目可以作为课堂演示，也可以作为学生活动内容，更多的项目需要我们教师去研究和开发。 生动有趣的案例是技术教育成功的基石，教师应该给学生提供更多更好的载体，一个动手和动脑相结合的课程，才能激发学生探索与创造兴趣，才能提高学生的技术素养，才能培养学生创新精神和实践能力。 （责编：俞文军） 参考资料： 1.Arduino中文社区（ ） 2. 顾建军、段青:《高中通用技术教学参考书》，江苏教育出版社，2005年。 （此文在舟山市2014年