單片機應(yīng)用技術(shù) 教案9-1 項目9 煙霧報警器設(shè)計與實現(xiàn)（需求分析與方案設(shè)計）

教案1項目9煙霧報警器設(shè)計與實現(xiàn)（需求分析與方案設(shè)計）一、教學設(shè)計課程名稱單片機應(yīng)用技術(shù)學習項目項目9煙霧報警器設(shè)計與實現(xiàn)授課學時授課班級授課人數(shù)授課地點所選教材《單片機應(yīng)用技術(shù)》授課時間授課方式教學內(nèi)容項目9煙霧報警器設(shè)計與實現(xiàn)（硬件設(shè)計）其他資源媒體資源微課，PPT，視頻，動畫，職教云平臺，Keil軟件，Proteus軟件，51單片機實訓平臺等環(huán)境資源嵌入式（單片機）實訓室、教學一體機、職教云學情分析知識基礎(chǔ)1.具有一定的電路基礎(chǔ)知識。2.熟悉C語言基本語法。3.掌握51單片機I/O端口的結(jié)構(gòu)原理。認知能力1.具有一定的電路閱讀分析和設(shè)計能力，能識別常見的電子元器件。2.具備C語言程序設(shè)計基礎(chǔ)能力。3.具有使用51單片機I/O端口實現(xiàn)控制信號設(shè)置與檢測的能力。學習特點1.喜歡網(wǎng)絡(luò)學習，大多數(shù)同學能夠認真學習資源庫課程平臺的動畫、視頻等相關(guān)數(shù)字資源，熟悉常用的網(wǎng)絡(luò)工具和軟件；對單片機的應(yīng)用充滿好奇。2.對抽象概念畏難和抵觸，不喜歡枯燥的理論講解。教學目標素質(zhì)目標知識目標能力目標1.通過煙霧報警器現(xiàn)狀的調(diào)研和功能設(shè)計學習，培養(yǎng)學生具有安全意識和科技創(chuàng)新意識。2.通過調(diào)研匯報和需求分析，培養(yǎng)學生自主學習及團隊協(xié)作意識3.通過方案研討和設(shè)計，提高學生合作探究解決問題的能力。1.能概述煙霧報警器的原理和構(gòu)成；2.能說明A/D轉(zhuǎn)換的概念和作用;3.掌握MQ-2煙霧傳感器的工作原理和引腳結(jié)構(gòu)。1.能夠根據(jù)根據(jù)場景需求，選擇合適的煙霧報警器方案。2.能應(yīng)用MQ-2煙霧傳感器的工作方式和使用方法。3.掌握煙霧報警器穩(wěn)態(tài)測試和報警測試。教學重難點重點1.A/D轉(zhuǎn)換的概念和原理。2.煙霧報警器的工作原理和實現(xiàn)方式。3.Proteus仿真軟件和Keil軟件的使用難點單片機時鐘振蕩電路、復位電路。Proteus仿真軟件和Keil軟件的使用。教學方法教法任務(wù)驅(qū)動教法、理虛實一體化教法、情景化教法、討論式教法、問題引導教法學法自主式學習、協(xié)作式學習、體驗式學習、探究式學習二、教學內(nèi)容思維導圖三、教學實施教學環(huán)節(jié)教學內(nèi)容教學活動設(shè)計意圖信息化手段教師活動學生活動課程導入1.煙霧報警器的作用煙霧報警器可以通過對環(huán)境煙霧的監(jiān)測，判斷是否有火災(zāi)發(fā)生。2.課前調(diào)研匯報安排分組匯報。職教云|討論：什么是煙霧報警器?播放視頻：煙霧報警器在火災(zāi)防范中的重要作用。職教云|討論：現(xiàn)在的煙霧報警器中使用了哪些和單片機相關(guān)的重要技術(shù)？（職教云詞云統(tǒng)計展示）組織調(diào)研匯報：引導學生分組進行課前調(diào)研匯報。討論總結(jié)&項目引入：總結(jié)點評討論和調(diào)研匯報內(nèi)容。查閱&回帖：手機上網(wǎng)查閱答案，參與討論回帖。觀看&回帖：結(jié)合本組調(diào)研情況，參與討論回帖。匯報&聆聽&記錄：上臺按照小組制作的調(diào)研匯報PPT，進行課前調(diào)研匯報。其他小組進行思考記錄。聆聽&思考&記錄通過對課程的簡介，激發(fā)學生學習的興趣，明確學習目標，學會學習。職教云/視頻/PPT項目引入1.項目任務(wù)設(shè)計制作以MCS-51單片機為主控芯片，搭配MQ-2煙霧傳感器，設(shè)計硬件電路，并編程實現(xiàn)煙霧報警器功能。2.A/D轉(zhuǎn)換的概念模擬信號與數(shù)字信號示意圖A/D轉(zhuǎn)換的作用就是將連續(xù)變化的模擬信號轉(zhuǎn)換為離散的數(shù)字信號。單片機可以使用A/D轉(zhuǎn)換功能檢測煙霧傳感器的電壓信號，從而實現(xiàn)煙霧濃度檢測的功能。職教云|頭腦風暴：煙霧報警器在哪些場景中被廣泛使用？職教云|詞云統(tǒng)計：匯總展示煙霧報警器的使用場景。實物展示&功能體驗：單片機實訓開發(fā)板及煙霧報警器工作效果。職教云|討論：樣機中單片機是如何感知到存在煙霧或可燃氣體的？討論總結(jié)&知識引入：煙霧傳感器檢測到煙霧或可燃氣體時會輸出電壓信號，單片機通過采集電壓值實現(xiàn)煙霧檢測功能。職教云|回顧討論：模擬信號和數(shù)字信號有什么區(qū)別？新知引出：單片機通過A/D轉(zhuǎn)換功能將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信息用于處理和存儲。查閱&回帖：結(jié)合調(diào)研情況或上網(wǎng)查閱資料，參與討論回帖。觀看&記錄：觀看并記錄，思考煙霧報警器的工作流程和實現(xiàn)方法。同步體驗：煙霧報警器樣機工作效果體驗。討論&回帖：結(jié)合樣機結(jié)構(gòu)和功能體驗，小組討論，參與回帖。聆聽&思考：聆聽老師總結(jié)，并思考功能實現(xiàn)方法。討論&回帖：小組回顧討論并參與職教云回帖。聆聽&記錄：聆聽講解并做好新知記錄。通過創(chuàng)設(shè)情境，把學生引入項目學習。課堂上通過網(wǎng)上搜索相關(guān)資料及實物展示，激發(fā)學生的參與意識、創(chuàng)新意識，使其主觀上產(chǎn)生對新知識的渴望，同時培養(yǎng)學生勤于思考的好習慣。職教云/實物/實物樣機極域課堂項目分析煙霧報警器系統(tǒng)整體方案設(shè)計引導討論：啟發(fā)學生分組完成任務(wù)分析討論，確定設(shè)計總體方案。組織分享：引導學生分組進行討論成果分享。歸納總結(jié)：教師煙霧報警器系統(tǒng)的功能模塊組成，確定系統(tǒng)整體設(shè)計方案。小組討論：根據(jù)煙霧報警器樣機，進行小組討論，分解煙霧報警器構(gòu)架。分享&反思：小組代表分享本組討論結(jié)果并反思。聆聽&記錄：學生明確系統(tǒng)方案。任務(wù)分析，能有效培養(yǎng)學生勤于思考，敏于發(fā)現(xiàn)，勇于發(fā)言，敢于表達的習慣。職教云PPT/實物樣機項目實施任務(wù)要求：使用MQ-2離子式煙霧傳感器模塊，設(shè)計一款簡單的煙霧報警器，該報警器主要功能如下：1.具有煙霧濃度檢測功能；2.當煙霧濃度超標時進行聲光報警；3.聲光報警信號延遲關(guān)閉，并且可以手動按下消音鍵關(guān)閉聲光報警動作；4.煙霧報警器電池電壓過低時，發(fā)出報警提示。任務(wù)發(fā)布：發(fā)布本次項目具體內(nèi)容和功能。功能展示：根據(jù)任務(wù)要求依次在煙霧報警器實物上展示功能。聆聽&記錄：聆聽講解，知悉本次項目具體任務(wù)。觀看&思考：觀看老師演示，記錄演示流程并思考功能邏輯關(guān)系。任務(wù)明晰，引導學生明確本次項目具體內(nèi)容，幫助學生進行功能梳理。職教云PPT/實物樣機項目實施1.MQ-2煙霧傳感器工作原理MQ-2是離子式煙霧傳感器當MQ-2傳感器與煙霧接觸時，晶粒間界處的勢壘感應(yīng)到煙霧濃度的變化，就會引起表面導電率的變化。利用這一點就可以獲得煙霧存在的信息，煙霧濃度越大導電率越大，輸出電阻越低，則輸出的模擬信號就越大。視頻播放：MQ-2煙霧傳感器工作原理強化提問：應(yīng)該使用單片機的什么功能來檢測MQ-2輸出的電壓信號？（職教云）觀看&思考：觀看視頻內(nèi)容并做好思考記錄。思考&回復：根據(jù)新知內(nèi)容參與職教云討論。結(jié)合實物或仿真實例教師進行相關(guān)知識的講解。職教云PPT/實物樣機視頻項目實施2.MQ-2煙霧傳感器I/O引腳MQ-2煙霧傳感器模塊具有雙路信號輸出的功能，分別是DOUT（模擬輸出）和AOUT（數(shù)字輸出）搶答提問：MQ-2煙霧傳感器具有哪些I/O引腳？（職教云）實物展示講解：本課程使用的MQ-2煙霧傳感器是集成模塊，同時具有數(shù)字輸出和模擬輸出引腳。思考&搶答：根據(jù)課前知識思考搶答。觀察&聆聽：結(jié)合課堂配套MQ-2煙霧傳感器，觀察并聆聽。從簡單問題入手，了解學生課前學習情況，并梳理學生學習信心。職教云PPT/實物樣機項目實施3.MQ-2煙霧傳感器的使用方法回顧提問：結(jié)合電子電路知識思考，在MQ-2煙霧傳感器原理圖中，電壓比較器U1A有什么作用？思考&討論：通過討論、查閱資料等方法思考并進行回答?；仡櫱皩дn程知識，幫助學生實現(xiàn)知識的內(nèi)化。項目實施數(shù)字輸出方案使用此種信號輸出方案時，傳感器與電壓比較器電路相連，MQ-2煙霧濃度傳感器輸出隨煙霧濃度變化的直流信號，該信號被傳遞到電壓比較器U1A的2號引腳；同時，電壓比較器U1A的3號引腳與可調(diào)變阻器Rp相連，產(chǎn)生比較器的門限電壓。引導思考：U1A輸出什么樣的信號？結(jié)合前面章節(jié)學習的單片機知識，如何對電壓比較器U1A的1號引腳的輸出信號進行檢測判斷？新知講解：結(jié)合硬件實物，原理圖和原理動畫講解MQ-2煙霧報警器數(shù)字輸出方案。知識回顧：單片機I/O口高低電平檢測方法。討論&回顧：結(jié)合基礎(chǔ)知識，小組討論并進行成果分享。觀看&聆聽&記錄：觀看聆聽老師講解分析，并做好知識記錄。聆聽&思考：聆聽老師講解，并回顧思考前期項目相關(guān)知識。硬件實物與原理圖和原理動畫三維一體，幫助學生掌握難點知識內(nèi)容。職教云PPT/實物樣機原理動畫項目實施模擬輸出方案使用此種信號輸出方案時，MQ-2煙霧濃度傳感器輸出隨煙霧濃度變化的電壓信號到模塊AOUT（模擬輸出）引腳，信號電壓范圍為0~5V，濃度越高電壓越高。此種方案下，將MQ-2煙霧傳感器的AOUT（模擬輸出）信號管腳接到處理器的A/D轉(zhuǎn)換管腳進行模數(shù)轉(zhuǎn)換，即可得到MQ-2煙霧傳感器輸出的電壓值。引導討論：AOUT引腳輸出電壓值和煙霧濃度之間存在什么關(guān)系？展示講解：展示MQ-2煙霧報警器AOUT引腳輸出電壓與煙霧濃度關(guān)系圖，并進行講解。提問討論：兩種使用方案有和優(yōu)劣勢？你認為哪種方案更具有普適性？查閱&討論：通過資料查閱等方法在職教云進行討論。聆聽&記錄：聆聽老師講解，并做好記錄。討論&展示：小組討論，并展示本小組討論結(jié)果及原因。以探究討論開始，著力培養(yǎng)學生的自主探究能力，結(jié)合圖形關(guān)聯(lián)，幫助學生轉(zhuǎn)換學習方法和角色定位，完成難點突破。職教云PPT/項目實施4.MQ-2煙霧傳感器的穩(wěn)態(tài)誤差MQ-2煙霧傳感器作為一種測量器件，不同個體之間存在合理的穩(wěn)態(tài)誤差，因此在使用前需要進行校準。本項目采用按鍵校準方案，在使用前根據(jù)現(xiàn)場環(huán)境進行校準。知識講解：穩(wěn)態(tài)誤差的概念和產(chǎn)生的原因。問題提出：這種個體之間的誤差是否會對煙霧報警器的設(shè)計產(chǎn)生影響？方案講解：本項目中使用按鍵校準方案，根據(jù)現(xiàn)場環(huán)境進行校準。仿真功能展示：通過Proteus仿真工具，對比展示有無校準流程的煙霧報警器使用場景狀況。聆聽&記錄：聆聽講解并做好知識記錄。思考&討論：思考老師提出的問題，進行小組討論，并參與職教云回帖。方案記錄：理解本次項目方案，做好方案記錄。觀看演示：仔細觀看教師的對比操作，記錄操作流程便于獨立測試。通過從理論分析，問題討論，方案介紹到功能展示的流程，把難點知識從理論到實際層層分解，幫助學生突破難點知識。職教云PPT/Proteus/項目實施任務(wù)1：繪制MQ-2煙霧報警器硬件框圖硬件方案設(shè)計：MQ-2煙霧報警器硬件結(jié)構(gòu)框圖組織討論：職教云發(fā)起討論，請各小組討論MQ-2煙霧報警器硬件具有哪些部分？任務(wù)發(fā)布：繪制MQ-2煙霧報警器硬件組成框圖。教師點評：對各小組設(shè)計方案做點評，充分肯定學生的成果，總結(jié)并發(fā)布MQ-2煙霧報警器硬件結(jié)構(gòu)框圖。小組討論：組內(nèi)MQ-2煙霧報警器硬件結(jié)構(gòu)，并上傳職教云進行討論。動手繪制：在活頁對應(yīng)位置繪制MQ-2煙霧報警器硬件組成框圖。匯報方案：小組代表匯報方案設(shè)計。1.電路設(shè)計能有效地考查學生創(chuàng)造性思維能力,分析綜合能力以及知識應(yīng)用能力。2.小組討論培養(yǎng)學生團結(jié)協(xié)作的能力、鍛煉學生溝通交流的能力。PPT/職教云任務(wù)2：繪制MQ-2煙霧報警器軟件流程圖知識回顧：單片機最小系統(tǒng)的三要素就是電源、晶振、復位電路。組織討論：根據(jù)剛剛的演示和講解，請大家討論校準和煙霧檢測的順序，并設(shè)計總體軟件功能流程。任務(wù)發(fā)布：繪制MQ-2煙霧報警器總體軟件功能流程圖。展示點評：組織學生展示成果并進行匯總點評。聆聽&記錄：跟隨老師一起學習并在相應(yīng)的活頁式講義中做好記錄。思考&討論：小組討論，完成總體功能流程圖設(shè)計。動手繪制：在活頁對應(yīng)位置繪制MQ-2煙霧報警器總體軟件功能流程圖。匯報&思考：分小組進行匯報，并聆聽老師總結(jié)，做好記錄?；仡櫱靶蛑R，加深學生對最小系統(tǒng)的理解。軟件流程圖的設(shè)計培養(yǎng)學生程序設(shè)計邏輯思維能力和前序知識綜合應(yīng)用的能力。PPT/職教云任務(wù)3：單片機I/O資源預(yù)分配A/D轉(zhuǎn)換引腳可選擇P1.0-P1.7引腳。問題提出：根據(jù)前序知識和項目要求，使用模擬輸出方案時，應(yīng)選用單片機的哪一類引腳？（下節(jié)新知引出）任務(wù)發(fā)布：根據(jù)樣機結(jié)構(gòu)和課前知識，完成單片機I/O引腳資源預(yù)分配。A/D轉(zhuǎn)換引腳可選擇P1.0-P1.7。實物觀察&討論：仔細觀察MQ-2煙霧報警器樣機，并進行小組討論，完成單片機I/O資源預(yù)分配。資源分配：在活頁對應(yīng)位置中，完成單片機I/O引腳資源預(yù)分配表培養(yǎng)學生實踐能力和規(guī)劃能力，建構(gòu)新的知識與技能培養(yǎng)Proteus/PPT/職教云項目實施任務(wù)4：MQ-2煙霧報警器樣機測試測試并統(tǒng)計不同MQ-2在潔凈空氣和丁烷氣體測試環(huán)境下AOUT（模擬輸出）信號管腳輸出的具體電壓值。任務(wù)發(fā)布：測試并統(tǒng)計不同MQ-2在潔凈空氣和丁烷氣體測試環(huán)境下AOUT（模擬輸出）信號管腳輸出的具體電壓值實操測試：使用教師提供的MQ-2煙霧報警器樣機，進行校準測試和煙霧檢測測試，并將測試結(jié)果填寫到活頁上的測試表格中。通過樣機實操，引導學生了解項目產(chǎn)品的具體使用方法和效果，幫助學生明確目標的同時，提升學生動手實踐能力。PPT/職教云/實物樣機項目評價功能考核：根據(jù)項目評分細則，對學生作品進行項目功能考核，并評分、記錄測驗：發(fā)布課堂測驗題目項目考核：進行項目考核并記錄成績，并記錄典型問題測驗發(fā)布：引導學生完成職教云課堂測驗題目完成考核：完成任務(wù)考核完成測驗：在職教云中獨立完成課堂測驗，將還存在疑問的題目記錄下來通過準確合理，富有鼓勵性的考核和評價，調(diào)動學生學習的積極性STM32CubeIDE工具/職教云/單片機小車平臺/賽道總結(jié)反思學生任務(wù)完成情況和存在問題分析與解決考核反饋：對任務(wù)完成度進行評價，充分鼓勵學生的實踐結(jié)果，同時對學生存在的問題進行反饋?？偨Y(jié)：總結(jié)本節(jié)學習內(nèi)容，加深學生對新知識的理解。學生反思總結(jié)，跟隨老師匯總歸納本堂課的知識內(nèi)容，加深對新知識的理解和記憶。以準確簡練的語言，提綱挈領(lǐng)地總結(jié)歸納，促使學生加深對所學知識的理解和記憶，培養(yǎng)其綜合概括能力。項目拓展課后任務(wù)-理論&實操理論知識點測試：課后測驗實操：MQ-2煙霧報警器