飲水提示裝置

沈志宏 沈霄霄

沈志宏 上海外國語大學(xué)附屬浙江宏達(dá)南潯學(xué)校信息技術(shù)教師，浙江省湖州市技術(shù)能手，南潯區(qū)教學(xué)明星，3D打印造型師。個人著作《輕松玩轉(zhuǎn)3D? One 與3D 打印》《給3D One點顏色——輕松玩轉(zhuǎn)三維建模與3D打印》《青少年3D 打印課程——輕松玩轉(zhuǎn)123D Design》由人民郵電出版社出版并公開發(fā)行。

沈霄霄 浙江省湖州市南潯鎮(zhèn)馬腰小學(xué)信息技術(shù)教師，湖州市STEAM初級講師，南潯區(qū)教學(xué)新苗。多篇STEAM教學(xué)案例在市級比賽中獲獎。曾輔導(dǎo)學(xué)生在歷年省、市電腦制作活動中多次獲獎。

教學(xué)背景

水是生命之源，人體體重的70%左右是水。水不僅僅是構(gòu)成身體的重要成分，還具有重要的生理功能：潤滑組織和關(guān)節(jié)，輸送營養(yǎng)成分，轉(zhuǎn)移代謝產(chǎn)物，并將代謝廢物通過尿液排出體外。人體內(nèi)所有的生化反應(yīng)都依賴于水，它是人體體溫調(diào)節(jié)系統(tǒng)的主要組成成分。人離不開水，而且要科學(xué)健康地飲水。可是現(xiàn)代人的生活節(jié)奏都很快，人們往往由于工作、生活的壓力，忽視了科學(xué)飲水的重要性，在很大程度上影響了自己的身體健康。基于這一背景，本節(jié)課就來設(shè)計一款飲水提示裝置，讓它時刻關(guān)注我們的飲水情況，并根據(jù)每個人每天的飲水情況進(jìn)行個性化提示。

教學(xué)目標(biāo)

1.學(xué)會利用3D One軟件設(shè)計飲水提示裝置的外殼，并結(jié)合硬件合理設(shè)計安裝位，培養(yǎng)學(xué)生的動手能力和設(shè)計思維;

2.了解DFRduino UNO R3主控板、重量傳感器模塊（電子秤）、OLED單色顯示屏的工作原理;

3.學(xué)會通過編程實現(xiàn)喝水量提示的效果，培養(yǎng)創(chuàng)意思維、高階思維。

教學(xué)重點與難點

教學(xué)重點 根據(jù)飲水提示裝置的功能需求設(shè)計外殼，同時根據(jù)開源硬件的尺寸實現(xiàn)各模塊及線材的精準(zhǔn)安裝。

教學(xué)難點 通過編程實現(xiàn)飲水提示裝置顯示和提示飲水量的功能。

教學(xué)過程

一、情境導(dǎo)入，引發(fā)思考

師：水是人類賴以生存的源泉。大家為了自己的幸福生活都在努力地工作，但忙碌的同時卻忘記了要科學(xué)飲水，給身體的正常生理活動帶來了負(fù)擔(dān)，并進(jìn)一步影響身體健康。我們是否可以設(shè)計一款作品，讓它時刻關(guān)注我們的飲水情況，并根據(jù)每個人每天的飲水情況進(jìn)行個性化的提示呢？

學(xué)生思考并進(jìn)行交流和分享。

二、初識硬件，暢想創(chuàng)意

1.認(rèn)識傳感器

重量傳感器模塊：包括重量測量模塊與轉(zhuǎn)接模塊。重量測量模塊感知自身所受重量的變化后，會表現(xiàn)為微弱的電流變化。此時轉(zhuǎn)接模塊會利用內(nèi)置的程序解讀電流變化，輸出為Arduino可以理解的模擬信號或者數(shù)字信號。

OLED單色顯示屏：0.96英寸OLED顯示模塊采用SSD1306驅(qū)動芯片，有128×64個自發(fā)光的白色像素點，具有功耗低、對比度高等優(yōu)點，可用于許多顯示應(yīng)用。

2.線路連接

將紅色、黃色、綠色發(fā)光二極管分別連接到擴(kuò)展板上的D13、D12、D11管腳，正極接信號（綠色），負(fù)極接GND（黑色）。

準(zhǔn)備一個重量傳感器模塊，將它的重量測量模塊的紅線接轉(zhuǎn)接模塊的E+、黑線接轉(zhuǎn)接模塊的E-、白線接轉(zhuǎn)接模塊的S-、綠線接轉(zhuǎn)接模塊的S+;使用第1根3P模擬傳感線，一頭和轉(zhuǎn)接模塊的DOUT接口連接，另一頭和擴(kuò)展板上的A2管腳相連;使用第2根3P模擬傳感線，一頭和轉(zhuǎn)接模塊的SCK接口連接，另一頭和擴(kuò)展板上的A3管腳相連，連接線的顏色與擴(kuò)展板上的管腳顏色相對應(yīng)即可。

準(zhǔn)備一個OLED單色顯示屏模塊，使用4P傳感線與擴(kuò)展板上的IIC接口連接，分別為VCC（紅色）、GND（黑色）、SCL（綠色）、SDA（藍(lán)色）。具體線路連接參看圖1。

3.程序設(shè)計

師：正常人每天攝入和排出的水要基本上保持平衡，有醫(yī)學(xué)專家指出，人一天要喝大約1000ml的水。而水的密度是1g/ml，水的質(zhì)量=水的密度×體積，由此可知，人一天要喝的水的重量應(yīng)當(dāng)不少于1000g。所以我們可以先測量一杯水的重量，然后統(tǒng)計喝水的杯數(shù)，根據(jù)喝水杯數(shù)的多少分別點亮紅、黃、綠等顏色的發(fā)光二極管，提醒人們及時喝水。請同學(xué)們想一想怎么測量喝水的總量與杯數(shù)。

學(xué)生思考討論，畫出算法流程圖，并動手編寫程序。

首先，編寫重量傳感器重量校準(zhǔn)程序，如圖2。

校準(zhǔn)值“1992”在校準(zhǔn)的過程中是可以調(diào)整的，每調(diào)整一次校準(zhǔn)值就要重新上傳一次程序，以50克的砝碼為例進(jìn)行校準(zhǔn)，最后的校準(zhǔn)值可設(shè)為“2100”。

其次，編寫提示喝水量的程序，如圖3。

參數(shù)說明：“437”是指杯子裝滿水后的總重量，此數(shù)值因杯子重量不同，使用時需要進(jìn)行調(diào)整;“190”是指杯子裝水的總量，此數(shù)值同樣因杯子容量不同，使用時需要進(jìn)行調(diào)整。

最后，將編寫好的程序上傳到DFRduino UNO R3主控板上后進(jìn)行測試，測試成功即可。

三、外形設(shè)計，實踐探究

1.精準(zhǔn)測量，充分準(zhǔn)備

使用游標(biāo)卡尺測量DFRduino UNO R3主控板、IO傳感器擴(kuò)展板、發(fā)光二極管、重量傳感器模塊（電子秤）、OLED單色顯示屏的外形數(shù)據(jù)并記錄，如下表。

[電子元件 部位 尺寸 DFRduino UNO R3主控板與IO傳感器擴(kuò)展板 整體 70mm×54mm×40mm USB接口 13mm×12mm DC插頭 12mm×10mm 發(fā)光二極管 燈珠直徑 5mm 重量傳感器模塊

（電子秤） 固定孔

孔距 80mm×13.5mm

×13.5mm OLED單色顯示屏 顯示尺寸 29mm×21.5mm ]

2.三維建模，創(chuàng)意設(shè)計

利用3D One建模軟件為飲水提示裝置設(shè)計制作外形，整個裝置分為四個部分，分別是主體盒、頂板、底板和墊片，如圖4。

四、作品裝配

1.按照電路連接圖將傳感器和主控板、擴(kuò)展板連接。

2.將DFRduino UNO R3主控板和擴(kuò)展板組合后放進(jìn)盒子中，將USB接口和DC電源接口對準(zhǔn)飲水提示裝置的開孔處，并加以固定。

3.將OLED單色顯示屏安裝到飲水提示裝置的顯示屏安裝位，發(fā)光二極管從左往右分別是紅色、黃色、綠色，然后將發(fā)光二極管安裝到飲水提示裝置的發(fā)光二極管孔位。

4.安裝重量傳感器的頂板和底板。

5.將重量傳感器放置在盒體內(nèi)后，接通電源就可以測試，如圖5。

教學(xué)反思

本課從學(xué)生生活中客觀存在的問題出發(fā)，綜合了數(shù)學(xué)、物理、信息技術(shù)等學(xué)科知識，致力于引導(dǎo)學(xué)生解決人們因忘記飲水而引起的身體亞健康問題。希望通過本課的學(xué)習(xí)，學(xué)生能夠明白幸福生活的不易，更多地去關(guān)心自己身邊的親人，并通過自己的知識和能力創(chuàng)意設(shè)計出身邊人所需的作品，例如本節(jié)課的作品可以提示親友時刻注意科學(xué)飲水，保持身體健康。同時，也能在活動中提升自己創(chuàng)意設(shè)計能力和動手實踐能力，培養(yǎng)團(tuán)結(jié)協(xié)作的精神，提高核心素養(yǎng)。