資源簡介

普 通 高 中 教 科 書
《通用技術》選擇性必修2
機器人設計與制作
第四章　機器人感知與傳感器
第 二 節 機器人的傳感器
教學設計
教學背景
黨的二十大明確指出，“教育、科技、人才是全面建設社會主義現代化國家的基礎性、戰略性支撐。必須堅持科技是第一生產力、人才是第一資源、創新是第一動力，深入實施科教興國戰略、人才強國戰略、創新驅動發展戰略，開辟發展新領域新賽道，不斷塑造發展新動能新優勢”。
機器人是20世紀人類的偉大發明，今天，它不僅能夠代替人類登陸火星和潛入幾千米以下的深海，還可以不知疲倦地工作在各種生產線上，并服務于我們的日常生活。
關于機器人，我國科學家認為機器人是一種自動化的機器，所不同的是這種機器具備一些與人或生物相似的智能能力，如感知能力、規劃能力、動作能力和協同能力，是一種具有高度靈活性的自動化機器。國際標準化組織認為工業機器人是一種具有自動控制的操作和移動功能，能完成各種作業的可編程操作機。
教學目標：
知識與技能目標:
1.了解機器人常用傳感器的種類和特點。
2.掌握傳感器與控制器的接口電路和制作方法。
教學內容分析:
機器人是一種能夠按照預先設計程序而自動執行工作的機械裝置。當前機器人已經大規模地走進工業生產、軍事、政府管理、商業應用等領域，它們可以幫助或代替人類完成不同的工作，在各個方面影響著人類的生活。通過本章的學習，讓我們來初步了解和認識機器人吧。
機器人要準確地模擬人的動作，不但需要類似于人的大腦，還需要各種感覺和靈活的肢體。在機器人中，它的感覺器官由各種傳感器來實現，大腦由控制器實現，肢體則由電機及機械裝置等組成。讓我們通過學習機器人的感知和機器人的傳感器，經歷設計和制作機器人的過程，領略一下機器人感知設計與制作的無窮魅力。
學情分析:
生活在科技迅猛發展的21世紀，同學們有必要了解一些機器人的知識，因為未來的機器人將對我們的生活和工作產生巨大的影響。
　　自己動手制作機器人是讓同學們了解機器人的最好手段。同學們一起進入機器人設計與制作的精彩世界吧。
教學重難點:
了解機器人常用傳感器的種類和特點。
掌握傳感器與控制器的接口電路和制作方法。
教學策略:
本節課教學主要由教師通過實物和多媒體手段設置學習情境，并加以引導，讓學生在過程中發展學生核心素養、培養實踐能力、提升創新意識、開闊認知視野；將自主學習、合作學習、探究學習等多種學習方式滲透進學生的學習和教師的教學當中；不斷嘗試現代教育技術和方法的運用。
教學準備:
展示用的圖片、其他技術產品、多媒體課件。
教學過程:
情景倒入:
老師：本節課我們學習《通用技術》選擇性必修2第四章機器人感知與傳感器第 二 節 機器人的傳感器。
情景
購書中心使用了機器人進行導購，創新活動小組的同學都很好奇，星期天相約去購書中心體驗一下。機器人“小慧”是位漂亮的小姑娘，每當有人靠近“小慧”，她都會熱情地上來打招呼。小輝同學問“小慧”：“請問，在哪里有計算機類圖書？”“小慧”眨了下大眼睛，用清脆的聲音回答：“計算機類圖書在2樓3區第2排，謝謝！ ”
同學們都贊嘆“小慧”的“聰明”，“小慧”安裝了什么傳感器呢？
一、常用傳感器
常用的傳感器有光敏傳感器、熱敏傳感器、聲敏傳感器、濕度傳感器、氣敏傳感器、磁敏傳感器等，它們采用了不同的材料和結構，接收的信息也不相同。表4-3中列出了常用傳感器的外形圖及符號。
表4-3 常用傳感器的外形圖及符號
思考
生活、學習中許多方面都可以應用人工智能技術，你想在哪方面做些嘗試？你認為可能用到哪些種類的傳感器？
機器人的傳感器根據需要選用和配置，如：光敏傳感器能幫助機器人完成“看”的任務。常見的光敏傳感器有CCD圖像傳感器、光敏電阻和光電傳感器等（圖4-8）（參見教材P55）。
機器人安裝觸覺傳感器的目的是檢測某些部位與外界物體是否接觸，以便手爪能牢固地抓住物體，或腿能平穩地踩在地面上等。檢測碰撞或者接觸信號可以采用壓力傳感器，比如機械手可以自動抓取物體，它需要壓力傳感器檢測抓取的松緊程度。檢測是否接觸時，可用微動開關（圖4-9）（參見教材P55）。
給機器人安上“耳朵”，可以使其具有聽覺功能。機器人的“耳朵”就是我們很熟悉的話筒（或稱為聲音傳感器），如圖4-10（參見教材P55）所示，它能夠采集和檢測聲音，并把聲音轉變為電信號，傳送給微控制器處理。
知識窗
超聲波傳感器
超聲波傳感器（圖4-11）（參見教材P56）利用壓電效應實現超聲波的發射與接收。簡易機器人中常常應用超聲波傳感器來檢測前方物體，其原理是模仿蝙蝠的回聲定位法。發送器發射超聲波，根據接收器檢測到的回波狀況來判斷前方是否有物體，其原理示意可見圖4-12（參見教材P56）。
超聲波傳感器不但可以檢測物體的存在，還可以通過檢測超聲波的往返時間來計算距離。
二、傳感器與接口電路
思考
傳感器將外界的信息轉換成電信號，其中有些是數字信號，有些是模擬信號。如果是模擬信號，應該怎樣處理？
數字信號能夠直接傳送到微控制器進行數據處理；模擬信號則需要先轉換成數字信號，然后再傳送到微處理器進行處理。能夠將模擬信號轉換成數字信號的器件叫模—數轉換器（簡稱A/D轉換器）。
開關直接輸出數字信號，它與微控制器的接口電路如圖4-13（參見教材P57）所示。開關的兩個引腳分別接信號線和地線，開關斷開時，數字端口2接口得到高電平（邏輯1）；開關閉合時，數字端口2得到低電平（邏輯0）。
圖4-14（參見教材P57）為光敏電阻與微控制器的典型接口電路。光敏電阻是一個可變電阻，它與一個阻值為10kΩ的電阻串聯，形成一個分壓電路。當光敏電阻被強光照射時，阻值變小，輸出電壓接近于0V；當光敏電阻在黑暗環境時，阻值變大，輸出電壓接近于5V。輸出電壓就在0～5V兩個極限值之間變化。這是一個模擬信號，必須通過A/D轉換器將其轉換為數字信號，傳送至微控制器進行相應的處理。很多微控制器都在內部配備有A/D轉換器，此時只要將待測信號接入模擬端口即可。
思考
光敏電阻具有被強光照射時阻值變小，在黑暗環境下阻值變大的特點。請大家討論能否將其用作開關傳感器？
三、機器人傳感器的安裝與調試
根據機器人的需要，選擇了合適的傳感器，還需要安裝和調試，我們以常用的觸碰傳感器和反射式光電傳感器進行安裝和調試體驗。
（一）觸碰傳感器
普通自鎖開關可以用作觸碰傳感器。利用開關的兩種狀態，實現不同的命令或選擇。
實踐
嘗試進行觸碰傳感器的安裝、調試。
方法指導
（1）觸碰傳感器的安裝?？梢詫㈤_關觸碰傳感器封裝，并配置規范的接線口和積木接口，以便于安裝和連線（圖4-15）（參見教材P58）。其與帶外殼控制器模塊的安裝示意如圖4-16（參見教材P58）所示。
（2）用觸碰傳感器識別開關狀態。當觸碰傳感器接微控制器數字接口，并且為松開狀態時（圖4-17）（參見教材P58），微控制器采集顯示
數字接口的值為0，無觸碰顯示，控制蜂鳴器不發音。當觸碰傳感器接微控制器數字接口，并且為按下狀態時（圖4-18）（參見教材P58），微控制器采集顯示數字接口的值為1，有觸碰顯示，同時控制蜂鳴器發音。
（二）反射式光電傳感器
將發光二極管和光接收器結合起來可實現反射式光電傳感器。反射式光電傳感器是機器人常用的傳感器，機器人可以通過它來識別地面標記，實現沿著黑線行走或路徑選擇。
反射式光電傳感器的外形和工作原理見圖4-19（參見教材P59），發光二極管發出光線，光線在地面被反射回來，光接收器接收到被反射回來的光線后，發出電信號給機器人的“大腦”，判斷地面是否有黑線存在。
實踐
安裝和測試光電傳感器，并填寫測試結果。
被測區域顏色越亮，反射光線 ＿＿＿＿，數值＿＿＿＿ 。
被測區域顏色越暗，反射光線 ＿＿＿＿，數值＿＿＿＿ 。
方法指導
（1）構成應用的光電傳感器需要加入驅動電路，將驅動電路和傳感器安裝在一塊電路板上，有時還將它封裝并配置為規范的接線口和積木接口，以便于安裝和連線（圖4-20）（參見教材P59）。反射式光電傳感器應用模塊與控制器模塊的連接示意見圖4-21（參見教材P60）。
（2）將光電傳感器接上控制器模塊的模擬接口，光電傳感器對準白色區域（圖4-22）（參見教材P60），模擬接口采集數值就是光電傳感器檢測到的白色區域反射光強數值。
將光電傳感器接上控制器模塊的模擬接口，光電傳感器對準黑色區域（圖4-23），模擬接口采集數值就是光電傳感器檢測到的黑色區域反射光強數值。
（3）要很好地區分黑白區域，應根據光電傳感器的測量數據來尋求邊界界限，也就是閾值。當檢測到反射光線強度小于閾值時，則認為檢測到黑色區域；當檢測到反射光線強度大于或等于閾值時，則認為檢測到白色區域。
板書設計
第 二 節 機器人的傳感器
一、常用傳感器
二、傳感器與接口電路
三、機器人傳感器的安裝與調試
（一）觸碰傳感器
（二）反射式光電傳感器
教學反思
通用技術
選擇性必修2
電子控制技術
普 通 高 中 教 科 書
主 編 劉瓊發
副 主 編：李 榕 周衛星 朱美健 席春玲
本 冊 主 編：李 榕
本冊副主編：鄭永駒 鐘清華
編 寫 人 編：
張百睿 李 榕 鄭永駒 鐘清華　周 嘉 龔澤祥 胡智豪
廣東教育出版社
廣東科技出版社

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