新型液位控制系統教學演示裝置的開發研究

叢 敏 陳 磊

（1.福建教育學院理科研修部，福建 福州 350025；2.福州第十五中學，福建 福州 350015）

“控制”這一概念出現在普通高中通用技術學科必修二《技術與設計二》的教材中，屬于教學重難點，因其專業性較強，教師在課堂教學中很難通過語言表達清楚，常常要借助于一些教學方法，如案例分析、教學演示等。基于《普通高中通用技術課程標準（2017 年版2020 年修訂）》中對“控制及其設計”一單元的要求，學生需要理解控制及控制系統的含義，能通過案例分析來了解手動控制與自動控制的特點，在熟悉了簡單的控制系統后，在此基礎上進行簡易的控制系統裝置的設計與搭建。［1］基于此，筆者通過長期教學實踐，設計了一種新型液位控制系統教學演示裝置（以下簡稱“演示裝置”），在教學中由教師用該裝置演示給學生看，可以幫助學生更直觀的理解控制過程的不同，以及“人”在控制系統中所起的作用，為學習簡單控制系統的設計打下良好的基礎。

一、演示裝置的基本組成及功能

本新型液位控制系統教學演示裝置，可以實現人工注水、循環定時注水以及全自動恒定液位注水過程的演示，使學生能夠更直觀地了解控制過程。

本演示裝置主要包括儲水箱、演示箱、電控箱以及控制將儲水箱內的水輸送到演示箱內的控制組件。其中，控制組件包括手動進水單元、定時進水單元以及全自動進水單元。裝置設計簡圖如圖1 所示。

其中，圖1 中的部件1 為儲水箱，通過輸水管路（部件502）與演示箱（部件2）連通，輸水管路上設有與控制組件電連接的輸送泵（部件6）。部件323 為測距儀，設置在演示箱的頂部。演示箱的底部還開有排水口（部件504），所述排水口的出水端與儲水箱的開口對應設置。部件1 和部件2 的頂部開有溢流口（部件503），溢流口通過輸水管與儲水箱連通。

圖1 新型液位控制系統教學演示裝置結構圖

部件3 為內部設有控制器的電控箱，控制器與輸送泵電連接，電控箱上設有手動進水單元、定時進水單元以及全自動進水單元。其中手動進水單元包括分別與控制器電連接的手動進水模式選擇按鈕（部件301）和手動進水模式控制按鈕（部件302）。定時進水單元包括用于控制輸送泵啟動的定時進水模式控制按鈕（部件311），以及用于控制輸送泵間歇工作的循環時間繼電器（部件312），兩者均與控制器電連接。全自動進水單元包括用于控制輸送泵啟動的全自動進水模式控制按鈕（部件321）、用于設定目標水位的調節旋鈕（部件322）以及用于實時監測演示箱內水位的超聲波測距儀（部件323），三者均與控制器電連接。電控箱上還設有用于顯示當前工作狀態和演示箱內液位的顯示屏（部件331）。

二、演示裝置的工作原理與操作流程

為了解決現有控制系統演示教具存在的功能單一的問題，本演示裝置提供設在低位的儲水箱1、設在高位的與儲水箱1 連通的演示箱2 以及將儲水箱1內的水輸送到演示箱2 內的控制箱3，控制箱3 中的控制組件包括手動進水單元、定時進水單元以及全自動進水單元。這三個單元實現了可在同一控制系統演示教具中的手動控制、自動控制及智能控制的多功能問題。

（一）硬件部分的工作原理與操作流程

在本演示裝置中，如圖1 所示，為了實現儲水箱1位于低位，演示箱2 位于高位，可以將儲水箱1 放置在地面上，而將演示箱2 放置在置物架4 上。其中，演示箱2 的頂部開有注水口，注水口上設有注水管501，儲水箱1 的底部設有輸送泵6，輸送泵6 的出水端連通有輸水管路502，輸水管路502 的頂端與注水管501 連接以將儲水箱1 與演示箱2 連通，這樣可以將儲水箱1 內的水輸送到演示箱2 內。為了防止演示箱2 內的水滿溢流，演示箱2 的頂部開有溢流口，溢流口上連通有溢流管503，溢流管503 的底端延伸到儲水箱1 內以將溢出的水引導至儲水箱1 內；演示箱2 的底部還開有排水口，排水口上設有帶閥門的排水管504，排水管504 的出水端與儲水箱1 的開口對應設置，可以通過排水管504 演示演示箱2 內水的消耗。

控制組件為內部設有控制器的電控箱3，控制器為Arduino UNO R3 控制板，且控制器與輸送泵6 電連接以控制輸送泵動作；為了提高控制系統工作的穩定性，電控箱3 采用強弱電分離設計；電控箱3 上設有手動進水單元、定時進水單元以及全自動進水單元以對多種控制模式進行模擬。

其中，手動進水單元包括分別與控制器電連接的手動進水模式選擇按鈕301 和手動進水模式控制按鈕302；當進行手動進水模式演示時，按下手動進水模式控制按鈕302，控制器接收到信號后控制啟動輸送泵6 進行水流輸送；釋放手動進水模式控制按鈕302，控制器接收到信號后關閉輸送泵6，停止水流輸送。

定時進水單元包括用于控制輸送泵6 啟動的定時進水模式控制按鈕311，以及用于控制輸送6 泵間歇工作的時間繼電器312，時間繼電器312 為循環時間繼電器，定時進水模式控制按鈕311、時間繼電器312 均與控制器電連接；當進行定時進水模式演示時，先在時間繼電器312 上設定輸送泵6 工作時間和輸送泵6 停止時間，然后按壓定時進水模式控制按鈕311，控制器接收到信號后啟動輸送泵6 進行水流輸送，當時間繼電器312 上設定的工作時間結束后，輸送泵6 則停止工作，停止時間為時間繼電器6 上設定的停止時間，當停止時間結束后，輸送泵6 又重新開始工作，如此循環進行水流的輸送。

全自動進水單元包括用于控制輸送泵6 啟動的全自動進水模式控制按鈕321、用于設定目標水位的調節旋鈕322 以及用于實時監測演示箱內水位的測距儀323，全自動進水模式控制按鈕321、調節旋鈕322 以及測距儀323 均與控制器電連接；當進行全自動進水模式演示時，先按壓全自動進水模式控制按鈕321，然后通過調節旋鈕322 調節目標水位，控制器接收到信號后控制輸送泵6 進行水流輸送并保持演示箱2 內的水位恒定。

（二）電路部分的工作原理與操作流程

本演示裝置電路部分的工作原理是：如圖2 所示，220V 交流電通過S-25-12 開關電源降壓整流為12V 直流電，并為Arduino UNO R3 控制板、DH48S-S時間繼電器312 和MB-102 電源模塊供電。MB-102電源模塊將12V 直流電降壓到5V，為12864LCD 顯示屏331、HC-SR04 超聲波模塊（即測距儀323）和2 路繼電器模塊供電，HC-SR04 超聲波模塊將液位信號傳遞給Arduino UNO R3 控制板，并通過12864LCD 顯示屏331 實時顯示當前液位。

圖2 演示裝置電路圖

當壓觸S1（手動進水模式選擇按鈕301）時，LED1 亮起，LED2、LED3 熄滅，Arduino UNO R3 控制板控制電路工作狀態為手動進水模式，12864LCD 顯示屏顯示“手動進水模式”和當前液位。此時若接通S4（即手動進水模式控制按鈕302），Arduino UNO R3控制板控制2 路繼電器模塊中的第1 路吸合導通，輸送泵6 工作，LED4（即指示燈332）亮起。此時若斷開S4，Arduino UNO R3 控制板控制2 路繼電器模塊中的第1 路斷開，輸送泵6 停止工作，LED4 熄滅。

當壓觸S2（即定時進水模式控制按鈕311）時，LED2 亮起，LED1、LED3 熄滅，Arduino UNO R3 控制板控制電路工作狀態為定時進水模式，12864LCD 顯示屏331 顯示“定時進水模式”和當前液位。Arduino UNO R3 控制板同時還控制2 路繼電器模塊中的第2路吸合導通，DH48S-S 時間繼電器312 工作。DH48S-S 時間繼電器312 根據設定的時間控制2 路繼電器模塊中的第1 路導通或斷開狀態，從而控制輸送泵6 工作與否，以及LED4 的亮滅。

當壓觸S3（即全自動進水模式控制按鈕321）時，LED3 亮起，LED1、LED2 熄滅，Arduino UNO R3 控制板控制電路工作狀態為全自動進水模式，12864LCD顯示屏331 顯示“全自動進水模式”、目標水位和當前液位。Arduino UNO R3 控制板同時還根據目標水位和當前水位的關系來控制2 路繼電器模塊中的第1路導通或斷開狀態，從而控制輸送泵6 工作與否，以及LED4 的亮滅。

三、教學應用及建議

控制概念在通用技術學科教學中一直都是疑難雜癥。隨著一輪又一輪的教學，許多一線教師在講授這個知識點時，教學方法越來越多，逐漸由原來的教學視頻展示到現在的教學用具演示，演示所用的教具也由購買的教學用具到自行開發的教學用具。［2］教師在授課中用自己開發的教具時講解的會更透徹更有說服力，也更能提高學生動手的積極性。文中的裝置，就是在此過程中應運而生的，也獲得了相關專利，在教學中效果良好。

對于本演示裝置在教學中如何應用，筆者提一些自己在課堂中的嘗試，以期對學科教學有所幫助。筆者在普通高中通用技術必修二《技術與設計二》的第四單元中的第四部分“控制系統的設計與實施”中應用本演示裝置，具體過程為：通過問題設計，讓學生觀察并對比該演示裝置在人工控制、自動控制情況下的優缺點，來總結哪種控制比較容易設計，容易設計的控制是否更適用等。整個觀察的過程，教師均站在引導者而不是授課者的位置，教師的功能只是引導學生由現有問題到觀察裝置、再由觀察裝置到發現問題的一個循環。［3］

本演示裝置的創新點在于：采用了Arduino UNO R3 控制板作為整個裝置的控制器、采用了超聲波測距模塊測量水箱液位，解決了原來測試水位傳感器與液體接觸容易損壞的問題，解決了水箱水滿溢出帶來的問題，提高了控制系統的整體穩定性。通過這樣一個過程的鍛煉，不僅培養了學生的技術意識和工程思維，對學生下一步設計自己的控制系統也起到了很好的啟發作用。