資源簡介

(共14張PPT)
反饋控制自動(dòng)澆水
本課程將介紹反饋控制的基本原理及其在自動(dòng)澆水系統(tǒng)中的應(yīng)用，并指導(dǎo)學(xué)生制作一個(gè)簡單的自動(dòng)澆水器。
課程目標(biāo)
1
知識(shí)目標(biāo)
理解反饋控制原理
掌握土壤濕度傳感器、水泵、電磁繼電器的工作原理。
2
技能目標(biāo)
能通過主控板控制水泵的啟動(dòng)與停止，完成自動(dòng)澆水器的制作。
學(xué)會(huì)編寫程序并調(diào)試系統(tǒng)。
導(dǎo)入：
1
數(shù)據(jù)傳輸
土壤濕度傳感器將數(shù)據(jù)傳輸給主控板。
2
判斷與決定
主控板對比濕度值并決定是否啟動(dòng)澆水功能。
3
反饋控制
在閉環(huán)控制系統(tǒng)中起著重要作用，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)自動(dòng)調(diào)節(jié)，提高精度。
4
任務(wù)
制作自動(dòng)澆水器，體驗(yàn)反饋控制澆水的過程。
討論：
日常生活中，很多家用電器都有自動(dòng)模式。例如，空調(diào)在自動(dòng)模式下， 會(huì)對比環(huán)境溫度值和設(shè)定的溫度值，自動(dòng)選擇進(jìn)行制冷或制熱，也會(huì)自動(dòng)調(diào) 節(jié)風(fēng)速，實(shí)現(xiàn)溫度的自動(dòng)調(diào)節(jié)。分組討論還知道哪些家用電器有自動(dòng)模式， 并將它的自動(dòng)工作過程填寫在教材的橫線上。
反饋控制原理
定義
將系統(tǒng)的輸出信息送回輸入端，與輸入信息比較，利用偏差進(jìn)行控制的過程。
關(guān)鍵點(diǎn)
閉環(huán)系統(tǒng)，抗干擾能力。
澆水功能裝置
本單元的實(shí)驗(yàn)中使用的水泵如右圖所示，它是臥式小潛水泵。
請仔細(xì)觀察，一起討論、分析它是如何將 水從一個(gè)容器泵入另一個(gè)容器的。
潛水泵與電磁繼電器
潛水泵
葉輪高速旋轉(zhuǎn)，液體離心排出，中心形成低壓區(qū)，液體被吸入。
電磁繼電器
通電時(shí)，電磁鐵吸合銜鐵，觸點(diǎn)閉合，電路導(dǎo)通。斷電時(shí)，彈簧復(fù)位，觸點(diǎn)斷開，電路關(guān)閉。
分組討論：
在使用水泵澆水的過程中，如何控制水泵開始工作、停 止工作？需要添加什么樣的硬件設(shè)備？這個(gè)硬件設(shè)備受什么變量影響？
完成教材15頁寫一寫。
自動(dòng)澆水器硬件設(shè)計(jì)
1
主控板
控制中心，負(fù)責(zé)接收傳感器數(shù)據(jù)，控制水泵。
2
土壤濕度傳感器
采集土壤濕度數(shù)據(jù)，反饋給主控板。
3
電磁繼電器
控制水泵電路的開關(guān)，由主控板控制。
高電平——開
低電平——關(guān)
4
潛水泵
執(zhí)行澆水任務(wù)，由電磁繼電器控制。
5
電池盒
為系統(tǒng)供電。
硬件連接與編程步驟
硬件連接
主控板連接電磁繼電器信號(hào)控制端，電池盒連接電磁繼電器電源輸入，電磁繼電器連接潛水泵電源輸出。
編程流程
初始化變量，設(shè)置按鈕程序，采集濕度值，對比設(shè)定值，控制水泵啟停。
實(shí)驗(yàn)操作與調(diào)試
準(zhǔn)備硬件
主控板、電池盒、電磁繼電器、水泵。
連接設(shè)備
連接主控板、繼電器、水泵。
實(shí)驗(yàn)操作與調(diào)試
編寫程序
(1)初始化。
首先，設(shè)置兩個(gè)變量，分別代表倒計(jì)時(shí)和時(shí)間值。
倒計(jì)時(shí)初始值設(shè)置為 0,時(shí)間初始值設(shè)置為3。
然后，設(shè)置主控板液晶屏的顯示界面，如下圖所示。
初始化參考程序，如下圖所示。
實(shí)驗(yàn)操作與調(diào)試
編寫程序
（2）編寫兩個(gè)采樣時(shí)間按鈕程序。
設(shè)置兩個(gè)采樣時(shí)間選擇按鈕，一個(gè)是3秒，
一個(gè)是6秒。水泵運(yùn)行時(shí) 間設(shè)定程序如下圖所示。
實(shí)驗(yàn)操作與調(diào)試
編寫程序
（3）編寫主程序。
在主程序中，先等待3秒，然 后從主控板引腳P24輸出高電平，
電磁繼電器導(dǎo)通，電池盒給水泵供 電，啟動(dòng)水泵，同時(shí)開始
10秒的倒 計(jì)時(shí)，主控板界面上水泵狀態(tài)變?yōu)?“開”。倒計(jì)時(shí)
結(jié)束后，引腳P24輸 出低電平，電磁繼電器斷開，水泵停 止
工作，主控板界面上水泵狀態(tài)變?yōu)?“關(guān)”。參考程序如右圖所示。
4.運(yùn)行調(diào)試。
運(yùn)行上述程序，并觀察、分析結(jié) 果。遇到問題時(shí)，嘗試調(diào)試解決。教學(xué)教案
總第 03 課時(shí)
課 題 名 稱 反饋控制自動(dòng)澆水
學(xué)習(xí)目標(biāo) （包含學(xué)科核心素養(yǎng)） 知識(shí)與技能：理解反饋控制的基本原理，掌握閉環(huán)控制系統(tǒng)的組成和工作流程，能夠編寫程序?qū)崿F(xiàn)土壤濕度閾值判斷與水泵的自動(dòng)控制。 過程與方法：通過調(diào)試反饋控制系統(tǒng)，培養(yǎng)邏輯推理和問題解決能力，學(xué)會(huì)使用數(shù)據(jù)反饋優(yōu)化澆水策略。 核心素養(yǎng)：培養(yǎng)科學(xué)思維、技術(shù)應(yīng)用和實(shí)踐創(chuàng)新能力，體驗(yàn)自動(dòng)化技術(shù)對生活的便利性，增強(qiáng)對物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實(shí)際應(yīng)用價(jià)值的認(rèn)知。
問 題 類 型 學(xué)生問題 土壤濕度傳感器是如何檢測土壤濕度的？它是如何將數(shù)據(jù)傳輸給主控板的？ 自動(dòng)澆水系統(tǒng)是如何判斷是否需要澆水的？反饋控制在其中起到了什么作用？ 電磁繼電器在自動(dòng)澆水系統(tǒng)中的作用是什么？它是如何控制水泵工作的？
學(xué)科問題 1. 反饋控制系統(tǒng)的基本原理是什么？自動(dòng)澆水系統(tǒng)如何通過反饋控制實(shí)現(xiàn)智能澆水？ 2. 在自動(dòng)澆水系統(tǒng)中，傳感器、控制器和執(zhí)行器是如何相互協(xié)作完成任務(wù)的？ 3. 如何分析采集到的土壤濕度數(shù)據(jù)，并利用這些數(shù)據(jù)優(yōu)化澆水策略？
教師問題 1. 在自動(dòng)澆水系統(tǒng)中，如何通過程序設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)“根據(jù)土壤濕度自動(dòng)決定是否開啟水泵”的功能？關(guān)鍵的編程邏輯是什么？ 2. 自動(dòng)澆水系統(tǒng)在實(shí)際應(yīng)用中可能存在哪些局限性？如何優(yōu)化該系統(tǒng)，使其更加智能和高效？
問題系統(tǒng) （星號(hào)標(biāo)出核心問題） 1. 反饋控制系統(tǒng)的基本原理是什么？自動(dòng)澆水系統(tǒng)如何通過反饋控制實(shí)現(xiàn)智能澆水？ 2. 在自動(dòng)澆水系統(tǒng)中，傳感器、控制器和執(zhí)行器是如何相互協(xié)作完成任務(wù)的？ 3. 如何分析采集到的土壤濕度數(shù)據(jù)，并利用這些數(shù)據(jù)優(yōu)化澆水策略？
問題探究流程 導(dǎo)（問題引導(dǎo)）、學(xué)（自主探究）、探（合作探究）、測（課堂檢測）、拓（知識(shí)拓展）
導(dǎo)（問題引導(dǎo)）： 情境創(chuàng)設(shè) 教師播放一段農(nóng)業(yè)或園藝中的智能灌溉系統(tǒng)視頻，展示如何通過自動(dòng)澆水系統(tǒng)檢測土壤濕度并精準(zhǔn)澆水。然后提出問題： “如果我們家里的花草可以自己判斷‘渴了’并自動(dòng)澆水，會(huì)不會(huì)很方便？” 引導(dǎo)問題 問題1: “土壤濕度傳感器是如何檢測土壤濕度的？它是如何將數(shù)據(jù)傳輸給主控板的？” 學(xué)生思考討論 教師總結(jié)知識(shí)點(diǎn) 反饋控制：自動(dòng)澆水系統(tǒng)通過傳感器實(shí)時(shí)檢測土壤濕度，并決定是否啟動(dòng)水泵，實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制。 系統(tǒng)組成：傳感器（數(shù)據(jù)采集）、主控板（數(shù)據(jù)處理）、水泵（執(zhí)行控制）。 學(xué)（自主探究）： 自主探究任務(wù) 任務(wù)1: 研究土壤濕度傳感器的工作原理 閱讀教材，查找相關(guān)資料，理解土壤濕度傳感器如何將土壤水分轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，并發(fā)送給控制器。 探討傳感器數(shù)據(jù)的波動(dòng)情況及影響因素，如溫度、環(huán)境濕度等。 任務(wù)2: 分析自動(dòng)澆水系統(tǒng)的反饋控制邏輯 觀察系統(tǒng)運(yùn)行邏輯，回答：“如何設(shè)定濕度閾值，使得系統(tǒng)在適當(dāng)?shù)臅r(shí)候澆水，而不會(huì)過度澆水？” 思考數(shù)據(jù)如何在系統(tǒng)中流動(dòng)（傳感器 → 主控板 → 繼電器 → 水泵）。 問題探討 “采集到的土壤濕度數(shù)據(jù)是如何存儲(chǔ)和傳輸?shù)?？?shù)據(jù)傳輸?shù)倪^程是怎樣的？”（學(xué)生問題2） “如何分析采集到的土壤濕度數(shù)據(jù)，并利用這些數(shù)據(jù)優(yōu)化澆水策略？”（學(xué)科問題3） 教師總結(jié)知識(shí)點(diǎn) 土壤濕度傳感器的工作原理：傳感器檢測濕度后，轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，并由主控板進(jìn)行處理。 反饋控制的實(shí)現(xiàn)：通過設(shè)定一個(gè)閾值，當(dāng)濕度低于設(shè)定值時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)啟動(dòng)水泵；當(dāng)濕度達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，系統(tǒng)停止?jié)菜?三、探（合作探究）： 目標(biāo)：通過小組討論，深化對數(shù)據(jù)采集、傳輸和分析的理解，培養(yǎng)團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力。 任務(wù)1: 搭建并調(diào)試自動(dòng)澆水系統(tǒng) 各小組按照提供的電路圖連接土壤濕度傳感器、繼電器、水泵和主控板。 運(yùn)行系統(tǒng)，測試不同土壤濕度條件下水泵的啟停情況。 任務(wù)2: 優(yōu)化澆水策略，提升系統(tǒng)智能性 研究不同的土壤濕度閾值設(shè)定對澆水效果的影響，避免頻繁啟停水泵。 討論如何通過數(shù)據(jù)分析優(yōu)化澆水策略，例如統(tǒng)計(jì)一天內(nèi)濕度變化情況，制定合理的澆水時(shí)間。 問題探討 “電磁繼電器在自動(dòng)澆水系統(tǒng)中的作用是什么？它是如何控制水泵工作的？”（學(xué)生問題3） “自動(dòng)澆水系統(tǒng)在實(shí)際應(yīng)用中可能存在哪些局限性？如何優(yōu)化該系統(tǒng)，使其更加智能和高效？”（教師問題2） 教師總結(jié)知識(shí)點(diǎn) 電磁繼電器的作用：繼電器充當(dāng)開關(guān)，接收主控板的信號(hào)，控制水泵的開關(guān)狀態(tài)。 智能優(yōu)化方法：通過數(shù)據(jù)分析優(yōu)化濕度閾值，避免不必要的澆水，提高用水效率。 四（課堂檢測）： 選擇題 自動(dòng)澆水系統(tǒng)中，哪個(gè)組件用于檢測土壤濕度？（單選題） A. 水泵 B. 繼電器 C. 土壤濕度傳感器 D. 主控板 答案: C. 土壤濕度傳感器 反饋控制在自動(dòng)澆水系統(tǒng)中的作用是什么？（單選題） A. 記錄土壤濕度但不執(zhí)行操作 B. 依據(jù)實(shí)時(shí)濕度自動(dòng)決定是否澆水 C. 通過定時(shí)方式控制澆水時(shí)間 D. 只提供數(shù)據(jù)給用戶，不做處理 答案: B. 依據(jù)實(shí)時(shí)濕度自動(dòng)決定是否澆水 教師總結(jié)知識(shí)點(diǎn) 反饋控制的作用是實(shí)時(shí)調(diào)整系統(tǒng)狀態(tài)，提高自動(dòng)化水平。 傳感器的作用是提供數(shù)據(jù)支持，主控板則進(jìn)行計(jì)算和決策。 五、拓（知識(shí)拓展）： 任務(wù)1: 結(jié)合氣象數(shù)據(jù)，優(yōu)化智能灌溉系統(tǒng) 研究如何結(jié)合天氣數(shù)據(jù)（如降雨預(yù)測），智能調(diào)整澆水計(jì)劃，避免浪費(fèi)水資源。 任務(wù)2: 遠(yuǎn)程監(jiān)控與控制 探討如何利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，使用戶可以通過手機(jī)查看土壤濕度數(shù)據(jù)，并遠(yuǎn)程控制水泵。 展示與討論 各小組分享他們的優(yōu)化方案，并討論不同方案的優(yōu)缺點(diǎn)。 教師總結(jié)知識(shí)點(diǎn) 智能農(nóng)業(yè)的發(fā)展趨勢：現(xiàn)代農(nóng)業(yè)已廣泛采用智能灌溉系統(tǒng)，結(jié)合天氣、土壤數(shù)據(jù)，提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率。 物聯(lián)網(wǎng)+農(nóng)業(yè)的應(yīng)用：通過遠(yuǎn)程監(jiān)控、自動(dòng)調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)，提高資源利用率。 課后作業(yè): 請?jiān)O(shè)計(jì)一個(gè)改進(jìn)版的智能澆水系統(tǒng)，結(jié)合外部數(shù)據(jù)（如天氣、時(shí)間）優(yōu)化灌溉策略，并撰寫一篇短文說明改進(jìn)方案。
板 書 設(shè) 計(jì) 反饋控制自動(dòng)澆水
一、系統(tǒng)工作原理 傳感器：檢測土壤濕度，轉(zhuǎn)換為電信號(hào) 主控板：處理數(shù)據(jù)，執(zhí)行反饋控制 執(zhí)行器：繼電器控制水泵，完成自動(dòng)澆水 二、反饋控制機(jī)制 濕度低 → 啟動(dòng)水泵澆水 濕度高 → 關(guān)閉水泵停止?jié)菜?三、系統(tǒng)優(yōu)化 設(shè)定合理濕度閾值，避免頻繁澆水 結(jié)合天氣數(shù)據(jù)，提高智能性 遠(yuǎn)程監(jiān)控，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)灌溉
教 學(xué) 反 思
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