视力保护提醒器

王尧坤

教学背景

学习本课前，学生已掌握简单的Mind+编程技能，但是对传感器技术的认知与应用还有所欠缺。本课在引导学生认识热敏、光敏、湿敏、磁敏等常见传感器的基础上，围绕开发视力保护提醒器这一目标，综合应用Mind+编程，结合RoboMaster TT无人机进行适当拓展，以利于学生更好地掌握相关知识。

教学目标

1.会进行简单电路的设计。

2.学会利用传感器进行数据采集。

3.通过项目学习，培养学生的物化能力以及创新设计能力。

教学重点与难点

教学重点 简易电子电路设计及光敏传感器的应用。

教学难点 RoboMaster TT无人机拓展项目的设计制作。

教学准备

RoboMaster TT无人机、RoboMaster TT无人机拓展板、常用二极管、面包板、电源、导线若干。

教学过程

一、引入新课

师：近视已成为危害青少年眼睛健康的“第一杀手”。据相关调查显示，我国青少年近视发病率居世界第二，小学生近视率已达40%，高中生近视率近70%。走进校园，不戴眼镜的学生屈指可数。近视眼是多方面因素造成的，其中之一就是在光线太暗或太强的环境下学习。我们是不是可以制作一个视力保护提醒器，提示周围环境是否适合学习或阅读呢？

生：对，这需要一个能测量周围环境光照强度的传感器。

师：上节课我们学习了传感器一般由敏感元件和输出部分组成，通过敏感元件获取外界信息并转换成电信号，通过输出部分输出。敏感元件的种类繁多，内部结构也各不相同，通常它们是被密封起来，从外形不容易观察到其内部结构。如果要测量光照最好使用哪种传感器？它的特点是什么？

生：光敏电阻，特点是光线越强，电阻越小。

师：查阅中华人民共和国《建筑照明设计标准》（GB 50034-2013）的教育建筑照明标准值表，它规定学校教室的课桌面照度标准值为300lx（lux，勒克斯）。（1勒克斯等于1流明的光通量均勻分布于1平方米面积上的光照度。）

一般情况下，人在250～750lx的照度环境下眼睛比较舒适，太高或者太低的照度，对人眼睛都有所伤害。最直接的伤害就是导致近视，绝大多数近视眼就是在照度很低的环境下长时间地看书或者用眼过度造成的，这个也是值得我们关注的。

二、利用所学知识设计简易的视力保护提醒装置

师：请大家思考下，视力保护提醒装置是个开环电路还是闭环电路？

生：开环电路。

师：对开环电路的设计，我们需要按照电路的组成来进行。请大家思考下，你需要哪些仪器，分别对应开环电子控制系统的哪个部分？其工作过程大致是怎样？

学生分组进行讨论并设计电路，得出需要用到的器材有光敏电阻、电位器、电阻、三极管、蜂鸣器等。工作过程大致是当光线亮时，光敏电阻电阻小，三极管基极电流增大，从而使得蜂鸣器发声。这里基极电流就是输入信号，三极管在这里既是控制器又是执行器，而蜂鸣器是被控对象，输出信号是蜂鸣器的声音，如图1、图2。

学生搭建实验电路，随后教师任意选出两个小组进行交流展示。

师：这个设计存在什么问题？怎么解决？

生1：只能在光线太亮的时候或者太暗的时候，其中一种情况下进行报警。

生2：可以用两个三极管、两个光敏电阻来搭建电路，实现光线太亮或太暗时候同时报警。

师：怎么判断现在的光线是不是太亮（暗）呢？如何让视力保护提醒器较为精确地实现低于250lx或高于750lx的照度环境下报警？

学生思考并讨论。

师：这里我给大家介绍下DFRobot Gravity：模拟环境光线传感器，如图3。它能检测光强度的范围为1～6000lx，工作原理与光敏电阻基本类似，但是它能够准确地测得光线的强度，满足我们实验的需求。接下来请同学们利用RoboMaster TT无人机和模拟环境光线传感器制作一个视力保护提醒器，来检测一下我们教室哪个地方最适合阅读。

三、无人机视力保护提醒器

1.画出简单设计思路

师：请大家画出简单设计思路，并说明它们分别是开环控制系统中的哪些组成部分。

生：模拟光线传感器测得的信号是输入信号，控制器是RoboMaster TT无人机的拓展板，执行器是里面的电子电路，被控对象是LED灯，输出信号是LED灯的亮灭。

2.编程设计

编程设计目的主要是检测当前光线是否满足看书要求，比如程序可以设置成照度低于300则亮红灯提醒，高于800则亮蓝灯提醒，其他情况为绿灯，如图4。（引脚用26号脚）

3.连接线路

师：将模拟光线传感器连接到拓展板的排针上，红色连5V，黑色连GND，绿色信号线连引脚26，如图5。（引脚可以根据自己喜好进行选择）

教师根据学生安装情况进行适当提醒，安装模拟光线传感器时，最好保证水平（让光线垂直射入），无法水平则尽量采用倾斜的方式，以减少拓展板等对光线的影响，如图6。

学生上传程序后，将拓展板固定到RoboMaster TT无人机上进行测试。学生利用自己的视力保护提醒器作品测试教室不同位置的光线照度，寻找适合阅读的场所，如图7。

学生分组进行讨论，指出各自作品的优缺点。

四、课后拓展

师：请大家课后思考，利用其他的传感器，能否设计出较为实用的作品，如利用超声波传感器测物体距离、利用火焰传感器确定火情位置等。

教学反思

本课将RoboMaster TT无人机与Mind+图形化编程软件、光敏传感器深度结合，设计出一款视力保护提醒器。学生既体验了无人机开源拓展编程，也融合运用了物理、信息技术等学科知识，不仅培养了综合实践能力，还充分发挥了想象力、创造力，提升了动手操作能力。

（本课件由DF创客社区推荐）