饮水提示装置

沈志宏 沈霄霄

沈志宏 上海外国语大学附属浙江宏达南浔学校信息技术教师，浙江省湖州市技术能手，南浔区教学明星，3D打印造型师。个人著作《轻松玩转3D  One 与3D 打印》《给3D One点颜色——轻松玩转三维建模与3D打印》《青少年3D 打印课程——轻松玩转123D Design》由人民邮电出版社出版并公开发行。

沈霄霄 浙江省湖州市南浔镇马腰小学信息技术教师，湖州市STEAM初级讲师，南浔区教学新苗。多篇STEAM教学案例在市级比赛中获奖。曾辅导学生在历年省、市电脑制作活动中多次获奖。

教学背景

水是生命之源，人体体重的70%左右是水。水不仅仅是构成身体的重要成分，还具有重要的生理功能：润滑组织和关节，输送营养成分，转移代谢产物，并将代谢废物通过尿液排出体外。人体内所有的生化反应都依赖于水，它是人体体温调节系统的主要组成成分。人离不开水，而且要科学健康地饮水。可是现代人的生活节奏都很快，人们往往由于工作、生活的压力，忽视了科学饮水的重要性，在很大程度上影响了自己的身体健康。基于这一背景，本节课就来设计一款饮水提示装置，让它时刻关注我们的饮水情况，并根据每个人每天的饮水情况进行个性化提示。

教学目标

1.学会利用3D One软件设计饮水提示装置的外壳，并结合硬件合理设计安装位，培养学生的动手能力和设计思维;

2.了解DFRduino UNO R3主控板、重量传感器模块（电子秤）、OLED单色显示屏的工作原理;

3.学会通过编程实现喝水量提示的效果，培养创意思维、高阶思维。

教学重点与难点

教学重点 根据饮水提示装置的功能需求设计外壳，同时根据开源硬件的尺寸实现各模块及线材的精准安装。

教学难点 通过编程实现饮水提示装置显示和提示饮水量的功能。

教学过程

一、情境导入，引发思考

师：水是人类赖以生存的源泉。大家为了自己的幸福生活都在努力地工作，但忙碌的同时却忘记了要科学饮水，给身体的正常生理活动带来了负担，并进一步影响身体健康。我们是否可以设计一款作品，让它时刻关注我们的饮水情况，并根据每个人每天的饮水情况进行个性化的提示呢？

学生思考并进行交流和分享。

二、初识硬件，畅想创意

1.认识传感器

重量传感器模块：包括重量测量模块与转接模块。重量测量模块感知自身所受重量的变化后，会表现为微弱的电流变化。此时转接模块会利用内置的程序解读电流变化，输出为Arduino可以理解的模拟信号或者数字信号。

OLED单色显示屏：0.96英寸OLED显示模块采用SSD1306驱动芯片，有128×64个自发光的白色像素点，具有功耗低、对比度高等优点，可用于许多显示应用。

2.线路连接

将红色、黄色、绿色发光二极管分别连接到扩展板上的D13、D12、D11管脚，正极接信号（绿色），负极接GND（黑色）。

准备一个重量传感器模块，将它的重量测量模块的红线接转接模块的E+、黑线接转接模块的E-、白线接转接模块的S-、绿线接转接模块的S+;使用第1根3P模拟传感线，一头和转接模块的DOUT接口连接，另一头和扩展板上的A2管脚相连;使用第2根3P模拟传感线，一头和转接模块的SCK接口连接，另一头和扩展板上的A3管脚相连，连接线的颜色与扩展板上的管脚颜色相对应即可。

准备一个OLED单色显示屏模块，使用4P传感线与扩展板上的IIC接口连接，分别为VCC（红色）、GND（黑色）、SCL（绿色）、SDA（蓝色）。具体线路连接参看图1。

3.程序设计

师：正常人每天摄入和排出的水要基本上保持平衡，有医学专家指出，人一天要喝大约1000ml的水。而水的密度是1g/ml，水的质量=水的密度×体积，由此可知，人一天要喝的水的重量应当不少于1000g。所以我们可以先测量一杯水的重量，然后统计喝水的杯数，根据喝水杯数的多少分别点亮红、黄、绿等颜色的发光二极管，提醒人们及时喝水。请同学们想一想怎么测量喝水的总量与杯数。

学生思考讨论，画出算法流程图，并动手编写程序。

首先，编写重量传感器重量校准程序，如图2。

校准值“1992”在校准的过程中是可以调整的，每调整一次校准值就要重新上传一次程序，以50克的砝码为例进行校准，最后的校准值可设为“2100”。

其次，编写提示喝水量的程序，如图3。

参数说明：“437”是指杯子装满水后的总重量，此数值因杯子重量不同，使用时需要进行调整;“190”是指杯子装水的总量，此数值同样因杯子容量不同，使用时需要进行调整。

最后，将编写好的程序上传到DFRduino UNO R3主控板上后进行测试，测试成功即可。

三、外形设计，實践探究

1.精准测量，充分准备

使用游标卡尺测量DFRduino UNO R3主控板、IO传感器扩展板、发光二极管、重量传感器模块（电子秤）、OLED单色显示屏的外形数据并记录，如下表。

[电子元件 部位 尺寸 DFRduino UNO R3主控板与IO传感器扩展板 整体 70mm×54mm×40mm USB接口 13mm×12mm DC插头 12mm×10mm 发光二极管 灯珠直径 5mm 重量传感器模块

（电子秤） 固定孔

孔距 80mm×13.5mm

×13.5mm OLED单色显示屏 显示尺寸 29mm×21.5mm ]

2.三维建模，创意设计

利用3D One建模软件为饮水提示装置设计制作外形，整个装置分为四个部分，分别是主体盒、顶板、底板和垫片，如图4。

四、作品装配

1.按照电路连接图将传感器和主控板、扩展板连接。

2.将DFRduino UNO R3主控板和扩展板组合后放进盒子中，将USB接口和DC电源接口对准饮水提示装置的开孔处，并加以固定。

3.将OLED单色显示屏安装到饮水提示装置的显示屏安装位，发光二极管从左往右分别是红色、黄色、绿色，然后将发光二极管安装到饮水提示装置的发光二极管孔位。

4.安装重量传感器的顶板和底板。

5.将重量传感器放置在盒体内后，接通电源就可以测试，如图5。

教学反思

本课从学生生活中客观存在的问题出发，综合了数学、物理、信息技术等学科知识，致力于引导学生解决人们因忘记饮水而引起的身体亚健康问题。希望通过本课的学习，学生能够明白幸福生活的不易，更多地去关心自己身边的亲人，并通过自己的知识和能力创意设计出身边人所需的作品，例如本节课的作品可以提示亲友时刻注意科学饮水，保持身体健康。同时，也能在活动中提升自己创意设计能力和动手实践能力，培养团结协作的精神，提高核心素养。