智控加濕器創意設計

主講人：沈志宏

沈志宏 上海外國語大學附屬浙江宏達南潯學校信息技術教師，浙江省湖州市技術能手，南潯區教學明星，3D打印造型師（國家職業資格三級）。輔導的學生在2017全國中小學生電腦制作活動中獲3D創意設計三等獎，2018年第二屆湖州市“南太湖計劃”青少年創客大賽中榮獲一等獎，2019年中國科學院ACME未來科技挑戰賽無人機自動巡航與定點降落競賽中奪得冠軍。個人著作《輕松玩轉3D One與3D打印》《給3D One點顏色——輕松玩轉三維建模與3D打印》由人民郵電出版社出版并公開發行。

教學背景

隨著冬季的到來，教室、辦公室、住宅的空調使用率上升了。空調制熱功能的使用會使室內空氣變得異常干燥，人的皮膚和身體都會出現不舒適的感覺。研究證明，人在濕度指數為50～60的環境中最感舒適，所以很多人會在使用空調制熱時打開加濕器，補充室內的濕度。

本項目以人體最舒適的濕度值為依據，帶領學生設計并制作一款智控加濕器。當濕度低于60時，加濕器會自動開始工作;當濕度高于60時，加濕器將自動停止工作，時刻保持一個讓人舒適的環境濕度。

教學目標

學會利用3D One 設計智控加濕器的外殼，并結合硬件合理設計安裝位，培養學生的動手能力和設計思維;了解好好搭搭“好搭酷Mini”、DHT11數字溫濕度傳感器模塊、OLED模塊的工作原理;學會通過編程實現根據濕度值控制加濕器的工作，培養學生的計算思維、高階思維。

材料準備

好好搭搭“好搭酷Mini”、OLED模塊、DHT11數字溫濕度傳感器模塊、鋰電池、開關、杜邦線、加濕器模塊、USB模塊、水瓶、電烙鐵、熱熔膠槍、游標卡尺。

教學重點與難點

教學重點 根據加濕器的功能和特點設計個性化的智控加濕器外殼，同時根據開源硬件的尺寸實現各模塊及線材的精準安裝。

教學難點 理解好好搭搭“好搭酷Mini”、DHT11數字溫濕度傳感器模塊、OLED模塊的工作原理，通過編寫程序實現根據濕度值控制加濕器工作的功能。

教學過程

一、情境導入，提出問題

播放一段教師們一邊在辦公室使用空調一邊做皮膚保濕的視頻，讓學生討論如何提升空調房的辦公舒適度。

學生思考并進行交流和分享。

二、初識開源硬件，暢想創意設計

“好搭酷Mini”是一款針對造物的核心板，造型小巧，便于與各種通用模塊連接，并且采用U盤下載模式，程序下載十分簡單。

DHT11數字溫濕度傳感器模塊可以用來同時測量溫度和濕度。工作電壓：3.3～5V;溫度范圍：0～50℃，誤差±2℃;濕度范圍：20%～90%RH;誤差±5%RH。

OLED模塊是一款無需背景光源、自發光式的顯示模塊，可通過連接線與arduino主控板連接。OLED具備較快的響應速度和輕薄的體積優勢，功耗低，抗震性好，可廣泛應用于移動設備的顯示應用上。

三、創意設計，實踐探究

（一）精準測量，合理規劃

使用游標卡尺測量各硬件模塊的外形數據并記錄。

（二）蓋子設計

1.打開3D One軟件，在網格面中繪制一個圓柱，半徑35mm，高15mm，隨后對圓柱進行“抽殼”，“厚度T”為2mm，“開放面O”選擇圓柱的頂面。

2.以圓柱的圓心為中心再繪制一個半徑10mm、高6mm的圓柱，選擇“加運算”參數。隨后在蓋子的小圓柱上繪制一個半徑8.2mm、高-2mm的圓柱，圓心相同，選擇“減運算”參數，單擊確定完成加濕片的安裝位制作。

3.使用“六面體”命令，“對齊平面”選擇加濕片安裝位的環形頂面，“點”的坐標為（-10，0.05，8），繪制一個長4mm、寬2mm、高-6mm的六面體，并選擇“減運算”參數，完成加濕片線槽的制作。

4.以圓柱的圓心為中心再繪制一個半徑4.5mm、高-20mm的圓柱，選擇“減運算”參數，完成加濕器出氣孔的設計。最后選擇“特征造型”—“圓角”，美化蓋子的出氣孔和頂面邊線，圓角距離5mm。

5.在蓋子右側網格面中繪制一個圓柱，“中心”為（100，0，0），半徑13mm，高12mm，隨后在圓柱上繪制一個半徑10.15mm、高-6mm的圓柱，選擇“減運算”參數，單擊確定完成。使用“六面體”命令，“對齊平面”選擇小圓柱的環形頂面，“點”的坐標為（-87，0，12），繪制一個長20mm、寬2mm、高-3mm的六面體，并選擇“減運算”參數。

6.以小圓柱的圓心作為中心點，再繪制一個半徑4.5mm、高-20mm的圓柱，選擇“減運算”參數，完成加濕器棉棒插孔的設計。

（三）儲水體設計

1.在網格面中繪制一個圓柱，圓柱“中心”為（0，-75，0），半徑35mm，高120mm，隨后以圓柱的頂面圓心為中心，再繪制一個半徑為27.5mm、高為-118mm的圓柱，選擇“減運算”參數。

2.將視圖導航器調整到“前”，在圓柱上繪制一個寬5mm、長-20mm、高85mm的六面體，并選擇“減運算”參數，完成水量觀察位制作。

3.將視圖導航器調整到“上”，使用“草圖繪制”—“圓形”命令，在儲水體頂面上繪制半徑27.5mm的圓形和半徑33mm的圓形，圓心相同。隨后，使用“拉伸”命令拉伸圓形草圖，拉伸高度5mm，并選擇“加運算”參數。

4.使用“六面體”命令，“對齊平面”選擇儲水體的環形頂面，“點”的坐標為（-27.5，-75，125），繪制一個長7mm、寬6mm、高-150mm的六面體，并選擇“減運算”參數，完成儲水體線槽的制作。

（四）硬件倉設計

1.在網格面中繪制一個六面體，“中心”為（100，-75，0），長80mm，寬80mm，高60mm;選擇“圓角”命令，依次點擊六面體的四條豎邊，圓角距離20mm;隨后選擇“抽殼”命令，“厚度T”為-2mm，開放面不選擇;然后在六面體的頂面繪制一個半徑為33mm的圓柱，高度-20mm，選擇“減運算”參數。

2.將視圖導航器調整到“前上”，在硬件倉內部正面上方繪制一個長40mm、寬33mm、高-1mm的六面體，選擇“減運算”參數;隨后在剛才的位置上再繪制一個長27.2mm、寬21mm、高-20mm的六面體，并選擇“減運算”參數，這樣，OLED模塊的安裝位就制作完成了。

3.將視圖導航器調整到“右”，在硬件倉右側面繪制一個長16.2mm、寬13mm、高-20mm的六面體，并選擇“減運算”參數，這樣，DHT11數字溫濕度傳感器模塊的安裝位就制作完成了。

4.將視圖導航器調整到“后上”，在硬件倉內部正面繪制一個長13mm、寬7mm、高-1mm的六面體，選擇“減運算”參數;隨后在剛才的位置上再繪制一個長6.8mm、寬4.6mm、高-20mm的六面體，并選擇“減運算”參數，這樣，開關模塊的安裝位就制作完成了。

5.將視頻導航器調整到“前上”，在開關位的下方繪制一個長20mm、寬8mm、高4mm的六面體;使用“移動”—“動態移動”命令，將六面體往上移動3mm，往硬件倉方向移動10mm;使用“組合編輯”—“減運算”，“基本體”是硬件倉，“合并體”是六面體，這樣，鋰電池的充電安裝位就制作完成了。

至此，智控加濕器的三維造型設計全部完成，如圖1。

（五）切片打印

將智控加濕器分成蓋子、加濕片蓋子、儲水體、硬件倉四個模塊進行切片，然后通過3D打印機進行打印。

四、安裝調試

（一）模塊安裝

將準備好的好好搭搭“好搭酷Mini”、OLED模塊、DHT11數字溫濕度傳感器模塊、鋰電池、開關、杜邦線、加濕器模塊、USB模塊、水瓶等材料，利用電烙鐵、熱熔膠槍組裝在加濕器造型中。

（二）模塊接線

分別將OLED模塊、DHT11數字溫濕度傳感器模塊、USB模塊、鋰電池與好搭酷Mini進行連接：DHT11數字溫濕度傳感器模塊接在A1接口，OLED模塊接在I2C/UART接口，USB模塊接在D0接口，鋰電池接在電源接口。最后將加濕器模塊連接到USB模塊上。

（三）程序設計

進入好好搭搭網站（http：//www.haohaodada.com/），登錄賬號，選擇“創作—U盤下載模式編程—好搭酷Mini”，進入程序設計界面，根據功能需求完成程序設計，如圖2。程序設計完成后，將程序下載到好搭酷Mini，通上電源，就大功告成啦！

教學反思

本項目以生活中的真實情境為切入點，找出生活中的真實問題，讓學生依托自身的能力解決問題。在項目實施過程中，學生接觸到了眾多學科的知識，例如皮膚舒適的濕度值、三維模型和實際尺寸之間的差值、開源硬件和編程知識等，學生在解決問題的過程中自身的能力和知識得到了拓展和鞏固，思維能力得到了提升。

（本課件由i3DOne青少年三維創意社區推薦）