第四课基于项目的学习

 创客教育不能闭门造车，本次活动我邀请了小学四年级的同学参与，他们本身是学校程序设计小组的学生，有一定的编程知识作为基础。对于电子电路方面的知识可以说是空白，但是他们对于利用程序控制滴灌装置表现出非常浓厚的兴趣。这次着重跟孩子们一起研究如何利用自己设计的控制器结合一些附件，完成一个有趣和实用的项目“智能滴灌系统”。

一、功能介绍

该系统的连接不算复杂，信号采集部分：土壤湿度传感器我们占用了A0端口，进行模拟信号的采集。驱动端口：用12端口输出到驱动继电器模块，继电器模块（注：本例采用的是低压脉冲式电磁阀，所以最好使用驱动电路对电磁阀交替供电。）用来连接低压直流电泵或交流电磁阀。

最后提醒一下，arduino主控板的外部供电是5~12V，所以不能直接把继电器的电源直接接入控制电路。

二、活动记录

 对于本次活动，我们采用综合实践课的形式来进行，让学生先从控制原理入手，清楚每一步要做什么，然后再到现场进行实践，发现问题然后再共同进行讨论研究解决。

    

    图2.1、自动滴灌系统的所有设备                      图2.2、示范如何安放土壤传感器

图2.3、原理讲解

图2.3、程序分析

图2.4 实地考察

图2.4 连接滴管

图2.5 失败原因分析

图2.6 安放土壤湿度传感器

      原来以为是普通的电磁阀水开关，接上电源后水哗哗地喷涌出来。可是当湿度达到设定值时，Arduino主控板使12#端口输出低电平，继电器常开触片分离，电磁阀水开关断电。可是水还是喷涌而出。同学们问我这个开关是不是坏的，我居然说有可能。经过大家与商家的咨询，从网上查找资料，一起分析原因，才知道这种低压的脉冲式电磁阀水开关，是利用正脉冲把阀芯吸起来，并且被底部的电磁铁吸住达到自锁的功能，当驱动电路再输出低脉冲时，电磁线圈产生一个反作用力，把阀芯从自锁位置强“拉下来”。再检查我们写的程序，虽然有输出高，低电平的设置，可是继电器只有一路，根本完成不了换相的功能，所以这个开关的阀芯被吸上去后就下不了来。
      经过小组讨论，和研究分析。决定再购买一个双联的继电器。以下图片展示更换双联继电器后智能滴灌装置在家居环境中的应用情况。

图2.7 家居环境测试

图2.8 学生制作的“机箱”

图2.9 耐久性测试

图2.10 实验成功

三、参考程序：（arduino IDE 1.5.6-r2版本）

int sensorPin = A0;    // 设定检测端口

int RelayPin = 12;      //设置输出的端口

int sensorValue = 0;  //初始化

void setup() {

  pinMode(RelayPin, OUTPUT);    //设定引脚的特性

}

void loop() {

  sensorValue = analogRead(sensorPin);   //读取引脚上的电压

  if (sensorValue>150)   //这个值的S4A上检测的结果是一样的

  {

   digitalWrite(RelayPin, HIGH);  

   }

  else

  {

   digitalWrite(RelayPin, LOW); 

  }

}

总结：学生通过本次活动可以用自己编写的程序，又能够亲自动手制作的滴灌设施，既体会到机电一体化的趣味性，也学到了使用土壤湿度传感器、脉冲电磁阀水开关、双联继电器模块的原理与方法。激发他们更热爱探索，热爱创新的热情。在这些孩子身上创客的种子正慢慢地萌芽，生长，期待有更多的老师加入创客教育的行列，让创客精神在孩子心中得以扩散、传播。（欢迎加入东莞市创客教育群 153658797）





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附录：使用元器件性能介绍

（一）土壤湿度传感器

土壤湿度传感器通过电位器调节土壤湿度控制阀值，可以自动对菜园，花园自动浇水，家庭花盆土壤湿度的控制， 它的特点有：

（1）、传感器表面采用镀镍处理，有加宽的感应面积，可以提高导电性能，防止接触土壤容易生锈的问题，延长使用寿命；

（2）.产品可以宽范围控制土壤的湿度，通过电位器调节控制相应阀值，湿度低于设定值时，DO输出高电平，高于设定值时，DO输出低电平；

（3）.比较器采用LM393芯片，工作稳定

（4）.工作电压3.3V-5V

 

图3.1传感器线路图

①VCC 外接3.3V-5V

②GND 外接GND

③DO 小板数字量输出接口（0和1）

④AO小板电压模拟量输出

（5）功能说明

①、模块中蓝色的电位器是用于土壤湿度的阀值调节，顺时针调节，控制的湿度会越大，逆时针越小；

②、数字量输出D0可以与单片机直接相连，通过单片机来检测高低电平，由此来检测土壤湿度；

③、小板模拟量输出AO可以和AD模块相连，通过AD转换，可以获得土壤湿度更精确的数值；

   因为我们采用Arduino的主控板对土壤湿度进行采样，所以我们就接AO口，由A0端口对数据进行采样。

（二）、Arduino UNO开发板;

功能介绍（略）

（三）、  双联继电器模块;  （使用高压时一定要注意安全）  

图3.2一路继电器模块5V（双联）

产品应用：

 双联功率继电器，具有一路触发，控制两路输出，常应用于马达正反转控制，或者继电器控制。

产品介绍：

1、采用原装松乐SMI类型双联继电器；

2、输入端只有一路触发，但有两路开关输出；

3、继电器的输出端具有两路公共端，常开端，常闭端，且两路独立工作；

4、采用高品质耐高温PA接线端子，质量非常过硬；

5、具有继电器吸合工作状态指示灯；

6、用SS8050原装三极管做开关管，大电流更有质量保证；

7、本模块高电平触发，即用DC正极触发。

图3.3一路继电器模块5V双联底板

接口说明：

1、VCC:接直流电源正极5V直流，

2、GND:接直流电源负极。

3、IN:信号触发端，本模块是高电平触发，即与电源正极相接，继电器吸合。

4、NC:继电器的常闭端，继电器没有吸合时，常闭端与公共端接通。

5、C(COM):继电器公共端。

6、NO:继电器的常开端，继电器吸合时，常开端与公共端接通。

电气参数：

1、采用5V驱动。

2、静态电流：小于5mA

3、带负载时最大功率：0.72W

4、继电器的负载能力：250VAC 5A(1250W交流)或30VDC 5A（150W)

5、继电器的最大寿命：100万次

（四）、 脉冲电磁阀自来水开关的应用    

图3.7 5V脉冲电磁阀自来水开关

我们采用的这种是低压有保持型脉冲电磁阀通过导线将电磁阀体内线圈输入正向脉冲信号， 线圈产生的工作磁通，使动芯吸合，打开阀门。当停止正向脉冲信号输入时，动芯释放，动芯在弹簧力的作用下回复到初始状态，关闭阀门另外有自保持型的，停止 输入正向脉冲或断电后也能保持，需要输入负向脉冲信号才能复位；脉冲电磁阀的工作原理，是利用电器的脉冲转化为机械的脉动.。

产品参数：

☆工作电压：DC4.5V
☆线圈电阻:15欧姆(at 20℃）
☆工作形式：正脉冲开阀，负脉冲关阀
☆脉冲宽度：30ms
☆工作压力：0.02-1.0MPa
☆介质温度：1-80℃
☆使用寿命：≥30万次
☆绝缘性能：带电部分与非带电导体间可承受AC600V 1min不击穿或产生飞弧现象