視力保護提醒器

王堯坤

教學背景

學習本課前，學生已掌握簡單的Mind+編程技能，但是對傳感器技術的認知與應用還有所欠缺。本課在引導學生認識熱敏、光敏、濕敏、磁敏等常見傳感器的基礎上，圍繞開發視力保護提醒器這一目標，綜合應用Mind+編程，結合RoboMaster TT無人機進行適當拓展，以利于學生更好地掌握相關知識。

教學目標

1.會進行簡單電路的設計。

2.學會利用傳感器進行數據采集。

3.通過項目學習，培養學生的物化能力以及創新設計能力。

教學重點與難點

教學重點 簡易電子電路設計及光敏傳感器的應用。

教學難點 RoboMaster TT無人機拓展項目的設計制作。

教學準備

RoboMaster TT無人機、RoboMaster TT無人機拓展板、常用二極管、面包板、電源、導線若干。

教學過程

一、引入新課

師：近視已成為危害青少年眼睛健康的“第一殺手”。據相關調查顯示，我國青少年近視發病率居世界第二，小學生近視率已達40%，高中生近視率近70%。走進校園，不戴眼鏡的學生屈指可數。近視眼是多方面因素造成的，其中之一就是在光線太暗或太強的環境下學習。我們是不是可以制作一個視力保護提醒器，提示周圍環境是否適合學習或閱讀呢？

生：對，這需要一個能測量周圍環境光照強度的傳感器。

師：上節課我們學習了傳感器一般由敏感元件和輸出部分組成，通過敏感元件獲取外界信息并轉換成電信號，通過輸出部分輸出。敏感元件的種類繁多，內部結構也各不相同，通常它們是被密封起來，從外形不容易觀察到其內部結構。如果要測量光照最好使用哪種傳感器？它的特點是什么？

生：光敏電阻，特點是光線越強，電阻越小。

師：查閱中華人民共和國《建筑照明設計標準》（GB 50034-2013）的教育建筑照明標準值表，它規定學校教室的課桌面照度標準值為300lx（lux，勒克斯）。（1勒克斯等于1流明的光通量均勻分布于1平方米面積上的光照度。）

一般情況下，人在250～750lx的照度環境下眼睛比較舒適，太高或者太低的照度，對人眼睛都有所傷害。最直接的傷害就是導致近視，絕大多數近視眼就是在照度很低的環境下長時間地看書或者用眼過度造成的，這個也是值得我們關注的。

二、利用所學知識設計簡易的視力保護提醒裝置

師：請大家思考下，視力保護提醒裝置是個開環電路還是閉環電路？

生：開環電路。

師：對開環電路的設計，我們需要按照電路的組成來進行。請大家思考下，你需要哪些儀器，分別對應開環電子控制系統的哪個部分？其工作過程大致是怎樣？

學生分組進行討論并設計電路，得出需要用到的器材有光敏電阻、電位器、電阻、三極管、蜂鳴器等。工作過程大致是當光線亮時，光敏電阻電阻小，三極管基極電流增大，從而使得蜂鳴器發聲。這里基極電流就是輸入信號，三極管在這里既是控制器又是執行器，而蜂鳴器是被控對象，輸出信號是蜂鳴器的聲音，如圖1、圖2。

學生搭建實驗電路，隨后教師任意選出兩個小組進行交流展示。

師：這個設計存在什么問題？怎么解決？

生1：只能在光線太亮的時候或者太暗的時候，其中一種情況下進行報警。

生2：可以用兩個三極管、兩個光敏電阻來搭建電路，實現光線太亮或太暗時候同時報警。

師：怎么判斷現在的光線是不是太亮（暗）呢？如何讓視力保護提醒器較為精確地實現低于250lx或高于750lx的照度環境下報警？

學生思考并討論。

師：這里我給大家介紹下DFRobot Gravity：模擬環境光線傳感器，如圖3。它能檢測光強度的范圍為1～6000lx，工作原理與光敏電阻基本類似，但是它能夠準確地測得光線的強度，滿足我們實驗的需求。接下來請同學們利用RoboMaster TT無人機和模擬環境光線傳感器制作一個視力保護提醒器，來檢測一下我們教室哪個地方最適合閱讀。

三、無人機視力保護提醒器

1.畫出簡單設計思路

師：請大家畫出簡單設計思路，并說明它們分別是開環控制系統中的哪些組成部分。

生：模擬光線傳感器測得的信號是輸入信號，控制器是RoboMaster TT無人機的拓展板，執行器是里面的電子電路，被控對象是LED燈，輸出信號是LED燈的亮滅。

2.編程設計

編程設計目的主要是檢測當前光線是否滿足看書要求，比如程序可以設置成照度低于300則亮紅燈提醒，高于800則亮藍燈提醒，其他情況為綠燈，如圖4。（引腳用26號腳）

3.連接線路

師：將模擬光線傳感器連接到拓展板的排針上，紅色連5V，黑色連GND，綠色信號線連引腳26，如圖5。（引腳可以根據自己喜好進行選擇）

教師根據學生安裝情況進行適當提醒，安裝模擬光線傳感器時，最好保證水平（讓光線垂直射入），無法水平則盡量采用傾斜的方式，以減少拓展板等對光線的影響，如圖6。

學生上傳程序后，將拓展板固定到RoboMaster TT無人機上進行測試。學生利用自己的視力保護提醒器作品測試教室不同位置的光線照度，尋找適合閱讀的場所，如圖7。

學生分組進行討論，指出各自作品的優缺點。

四、課后拓展

師：請大家課后思考，利用其他的傳感器，能否設計出較為實用的作品，如利用超聲波傳感器測物體距離、利用火焰傳感器確定火情位置等。

教學反思

本課將RoboMaster TT無人機與Mind+圖形化編程軟件、光敏傳感器深度結合，設計出一款視力保護提醒器。學生既體驗了無人機開源拓展編程，也融合運用了物理、信息技術等學科知識，不僅培養了綜合實踐能力，還充分發揮了想象力、創造力，提升了動手操作能力。

（本課件由DF創客社區推薦）