資源簡介

(共38張PPT)
跨學科主題學習
—設計并制作簡易光控 LED 燈照明系統
（黔科版）六年級
01
教學目標
02
課堂導入
03
學習目標
04
拓展延伸
05
課堂小結
06
板書設計
01
教學目標
1、信息意識：能夠了解LED燈的基本原理及應用，掌握光敏傳感器的工作原理。
2、計算思維：能夠將復雜的光控LED燈項目分解成多個小任務，如傳感器數據采集、數據處理、控制邏輯等。
3、數字化學習與創新：能夠發揮創意，嘗試不同的設計方案，比如使用不同類型的傳感器或改進控制系統。
4、信息社會責任：能夠提倡節約能源，通過設計高效的照明系統來減少電能消耗。
自愛迪生發明照明燈以來，燈已與我們的日常生活密不可分，家庭、學校工廠、商場、公園都需要燈的照明。為了避免能源浪費，杜絕長明燈現象，許多場所使用了光控燈，如路燈(圖1)、公園景觀燈、公共區域照明燈和家庭樓道燈等。這些燈在白天常處于關閉狀態，到了黑夜或天色,陰暗時會自動亮起天亮后又會自動關閉。
02
項目任務
圖1
光控燈既能節約能源，延長燈泡的使用壽命，又能實現無人值守，節省人力。那么，它是如何根據天色明暗程度自動提供照明的呢 讓我們通過制作易光控燈實驗來共同探究。
02
項目任務
光敏感應器：路燈的光敏感應器是一種能夠感知光線強度的裝置。通過光敏感應器可以通過天色明暗程度自動提供照明。
以小組為單位完成以下任務:
1.探究光控燈的工作原理;
2.設計光控燈的實現算法，繪制算法流程圖;
3.了解光線傳感器和 LED燈的工作原理;
4.確定光線傳感器的光線值與 LED 燈亮度的對應關系;
5.選擇器材，制作一個簡易的光控燈系統;
6.對系統進行測試，并針對問題進行改進，實現系統的迭代;
7.總結探究過程，撰寫實踐報告。
02
項目任務
知識拓展
02
項目任務
03
相關學科
學科 相關要求
數學 通過分析光線傳感器的光線值與 LED 燈亮度的關系，培養學生的邏輯思維能力
信息科技 通過光控燈系統的搭建，加深對控制系統的“輸入-計算-輸出”三環節和連續量、開關量的理解，通過算法設計，培養計算思維;通過作品測試，在解決問題的過程中實現產品的選代。
科學 了解光線傳感器和 LED 燈的工作原理
勞動 在完成任務的過程中，能根據目標要求選擇合適的器材，綜合運用多學科知識和經驗解決實驗過程中的問題，體驗勞動的樂趣，提高動手操作能力。
03
活動器材
硬件
軟件
傳感器：傳感器是智能路燈系統中不可或缺的部分，它們用于感知環境變化并傳輸數據
控制器：控制器是智能路燈系統的核心部分，它負責接收傳感器的數據
通信模塊：通信模塊用于實現路燈與后臺服務器之間的數據傳輸。
控制算法：控制算法是實現燈光自動調節的核心部分，它可以根據室內光線、時間等因素，自動調節燈光的亮度和色溫等參數
03
小組分工
組名
成員 姓名 分工（根據任務需要、組長組織分配工作）
組長
組員
無敵暴龍戰士隊
張三
李四
王五
趙六
把控全局，跟進每組進度
進行初步路燈系統的設計
根據路燈系統設計圖完成路燈設計
材料準備工作
03
項目實踐指導
步驟一:分析并設計光控燈控制系統
光控燈是根據周圍環境的光線強度自動提供照明的一種燈具。通常情況下，光控燈系統通過光線傳感器感知周圍環境的光線強度，并將檢測到的光線強度轉換成光線值輸入給系統。
光控燈控制系統三環節如圖2所示。
圖2
03
項目實踐指導
數字化學習
查閱相關資料，了解光線傳感器和 LED燈的工作原理。
一、光線傳感器工作原理：這種變化隨后被轉換成電信號，以便電子設備可以讀取和處理。光敏元件通常是由半導體材料制成，如硅、鍺等，這些材料對光敏感并能有效地轉換光能為電能。
二、LED燈的工作原理：是一種固態半導體器件，它可以將電能直接轉換為光能。LED的基本結構包括一個PN結，由P型半導體和N型半導體組成。在正向偏壓作用下，電子從N區注入到P區，與P區的空穴復合，釋放出能量以光子的形式發射出來，從而發光。
03
項目實踐指導
做一做
嘗試畫出光控燈系統結構圖(包括系統、子系統、模塊)
03
項目實踐指導
做一做
嘗試畫出光控燈系統控制框圖。
03
項目實踐指導
步驟二:設計算法
光控燈系統會將輸入的光線值與系統設定的點亮燈所必須達到的最低光線值(設定值)進行比較。如果測量到的光線值小于設定值，系統控制LED燈亮起;如果測得的光線值大于設定值，說明沒有達到亮燈條件，系統控制LED燈關閉，達到環保節能的目的。光線傳感器每天不間斷地探測周圍環境光的變化，并將變化結果向系統反饋，從而實現亮燈、熄燈的自動控制。
03
項目實踐指導
做一做
圖3所示是根據設定值控制LED燈亮滅的簡易光控燈的算法流程圖(局部)，請將其補充完整。
圖3
S0 = 100
光線值<100
03
項目實踐指導
想一想
為了達到理想的控制效果，該如何確定亮燈光線值的大小
一、明確照明需求
空間大?。焊鶕块g或區域的實際面積來確定所需的光線值。例如，客廳可能需要較高的亮度，而臥室則可能需要柔和的光線。
使用場景：不同的使用場景對光線的需求也有所不同。例如，閱讀、工作等場景需要較高的照度，而休息、放松等場景則需要較低的照度。
二、了解燈具參數
光通量：光通量是衡量燈具亮度的重要參數，單位為流明（lm）。在選擇燈具時，可以參考產品標簽上的光通量值來評估其亮度。
03
項目實踐指導
步驟三:編程實現
連接硬件與電腦，啟動圖形化編程軟件，依次打開軟件與電子開發板的通信連接，選擇開發板類型、上傳模式、編程語言，然后就可以進行編程了。
03
項目實踐指導
做一做
測試光線傳感器在什么情況下獲取的環境光的值最大，最大值是多少 在什么情況下獲取的環境光的值最小 最小值是多少
一、在晴朗的室外環境下，光照強度通常達到10萬lux，這是光線傳感器能正常檢測到的最大環境光照度。因此，光線傳感器在晴朗的戶外環境中獲取的環境光的值最大，最大值可以達到10萬lux。
二、夜晚的光線照度則小于1lux，這是光線傳感器能正常檢測到的最小環境光照度。因此，光線傳感器在夜晚或非常暗的環境中獲取的環境光的值最小，最小值接近于0lux。
三、光線傳感器在晴朗的戶外環境中獲取的環境光的值最大，最大值可以達到10萬lux；而在夜晚或非常暗的環境中獲取的環境光的值最小，最小值接近于0lux。
03
項目實踐指導
做一做
LED燈在什么情況下最亮，亮度的最大值是多少 在什么情況下最暗，亮度的最小值是多少
一、影響明暗的情況：
電源匹配：LED燈需要在額定的電壓和電流下工作才能達到最大亮度。不匹配的電源可能導致LED燈無法達到其設計的最大亮度。
散熱條件：良好的散熱可以防止LED因過熱而降低亮度。高溫會加速LED的光衰，影響其發光效率。
二、最大值和最小值是多少：
功率大小：LED燈的功率與其亮度成正比。例如，一個100瓦的LED燈泡可以提供高達90000流明的亮度，相當于多個家用LED燈泡的亮度總和。
03
項目實踐指導
做一做
根據你的流程圖完成編程。
03
項目實踐指導
步驟四:測試
至此，該光控燈系統已搭建完成。運行上傳程序，進行測試，看看是否可以正常運行。
03
項目實踐指導
做一做
用移動電源給你的光控燈系統供電，將光控燈放入不同光照強度的測試環境中，觀察光控燈是否能根據環境的明暗自動亮滅，或保持燈的狀態不變。
測試環境 燈的狀態
測試結論：
烈日
關燈狀態
陰天
關燈狀態
黃昏
微亮狀態
深夜
全燈狀態
凌晨
微亮狀態
光控系統可以根據外部明年環境改變自身狀態。
03
項目實踐指導
步驟五:優化和改進
把你的光控燈系統放置在一個光線較暗的樓道里，觀察其是否始終處于常亮狀態。由于這個簡易的光控燈系統沒有考慮到只在人出現時才需要照明，在光線較暗時燈光會持續亮著，導致能源浪費，不符合節能環保要求，因此需要進行優化和改進。
03
項目實踐指導
做一做
在生活中，為了節能，許多地方的照明燈既能由光線控制，又能由聲音控制，甚至還可以由人體感應控制。
想一想，如何設計簡易光控燈改進方案，做一個更加節能的光控燈系統
硬件優化
高效LED燈具：選擇高光效的LED燈具，這些燈具在相同的功率下能提供更高的亮度，從而減少能源消耗。
智能傳感器：使用高精度的光敏傳感器或照度計，以準確檢測環境光線變化，避免誤操作導致的能源浪費。
低功耗控制器：選用低功耗的微控制器作為系統的核心，以減少待機狀態下的能耗。
03
項目實踐指導
做一做
如果需要光控燈能根據周圍環境的亮度自動調節 LED的亮度該如何確定光線傳感器的光線值與 【ED 亮度之間的關系 該如何修改前面的算法
建立映射關系：
根據數據分析的結果，建立一個從光線傳感器輸出值到LED亮度的映射表或函數。
這個映射關系將用于實時控制LED的亮度。
算法修改：
假設你已經有了一個基本的光控燈系統，現在需要修改其算法以實現自動調節LED亮度的功能。在設計映射關系和算法時，應考慮到節能因素，避免不必要的能源浪費。
03
項目實踐指導
做一做
需求分析(功能改進)
系統設計
器材準備
算法設計
程序實現
自動調節亮度：根據周圍環境的光線強度自動調整LED路燈的亮度，以節省能源并提高用戶體驗。
遠程監控與控制軟件：提供一個用戶界面，允許管理人員遠程查看路燈的狀態、修改參數或發送控制命令。
LED燈具及其安裝支架、光線傳感器（如BH1750光照度傳感器）、微控制器（如Arduino、Raspberry Pi等）。
光線采集與處理：定期從光線傳感器讀取數據，并使用滑動平均或指數移動平均等方法進行平滑處理。
在Python編程中完成代碼的完成，使得在不同的亮度下路燈會自動的亮度。
03
展示與交流
小組上臺演示本組制作的光控燈系統，并分享設計與制作過程。
03
反思與評價
1、反思
存在的問題:
改進措施:
前期準備工作不夠完善，導致后期出現作品瑕疵
前期預留更多時間準備
03
反思與評價
2、評價
評價項目 小組評價 自我評價
小組合作
完成質量
參與態度
07
拓展延伸
1、聲控燈
07
拓展延伸
2、光敏傳感器在日常生活中造成了哪些影響？
(1)節能照明：光敏傳感器廣泛應用于自動照明系統中，如街道路燈、室內燈光等。它們能夠根據環境光線強度自動調節燈光亮度或開關狀態，從而有效減少能源消耗，實現節能減排的目的。、
（2）提高安全性：在戶外照明領域，光敏傳感器的應用有助于提高夜間行人和車輛的安全性。當光線變暗時，傳感器會自動觸發路燈開啟，為行人和駕駛員提供必要的照明，減少交通事故的發生概率。
07
拓展延伸
3、生活中光敏傳感器給我們帶來哪些優勢？
(1)節能環保：通過自動調節燈光亮度或開關狀態，光敏傳感器能夠顯著降低能源消耗，減少碳排放，符合當前綠色低碳的生活理念。這對于推動可持續發展具有重要意義。
（2）提高便利性：光敏傳感器的應用使得燈光控制更加智能化和自動化，用戶無需手動操作即可享受舒適的照明環境。這不僅提高了生活的便利性，也減少了因人為操作失誤而帶來的不便。
07
拓展延伸
4、我們如何更好地學習光敏傳感器？
(1）理解基本原理：首先需要深入了解光敏傳感器的工作原理，包括光電效應、半導體特性以及光敏電阻、光敏二極管等不同類型傳感器的工作機制。這有助于我們理解傳感器如何響應光線變化并產生電信號。
（2）學習應用領域：研究光敏傳感器在不同領域的應用案例，如自動照明系統、智能家居、智能交通等。通過了解實際應用情況，我們可以更好地理解傳感器的實際作用和價值，并為將來的應用提供靈感。
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課堂小結
《設計并制作簡易光控 LE0 燈照明系統》課程小結： 本課程中，我們學習了如何設計和制作一個簡易的光控LED燈照明系統，它是利用光電效應來檢測環境光線的強度?。∪缓笪覀冞€了解了不同類型的光敏傳感器，比如光敏電阻和光敏二極管。不僅讓我們學到了新知識，還鍛煉了我們的動手能力和解決問題的能力。我們覺得這種理論與實踐相結合的教學方式非常棒，希望以后還能有更多這樣有趣的課程。我們已經迫不及待想要嘗試更復雜的項目了！
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板書設計
跨學科主題—設計并制作簡易光控 LE0 燈照明系統
一、步驟一:分析并設計光控燈控制系統
二、步驟二:設計算法
三、步驟三:編程實現
四、測試、優化和改進
課后作業
1、在父母陪同在網上找到相關的光敏傳感器小燈素材，購買并制作光敏小燈。
https：//www.21cnjy.com/recruitment/home/fine

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