单片机应用技术 教案9-1 项目9 烟雾报警器设计与实现（需求分析与方案设计）

教案1项目9烟雾报警器设计与实现（需求分析与方案设计）一、教学设计课程名称单片机应用技术学习项目项目9烟雾报警器设计与实现授课学时授课班级授课人数授课地点所选教材《单片机应用技术》授课时间授课方式教学内容项目9烟雾报警器设计与实现（硬件设计）其他资源媒体资源微课，PPT，视频，动画，职教云平台，Keil软件，Proteus软件，51单片机实训平台等环境资源嵌入式（单片机）实训室、教学一体机、职教云学情分析知识基础1.具有一定的电路基础知识。2.熟悉C语言基本语法。3.掌握51单片机I/O端口的结构原理。认知能力1.具有一定的电路阅读分析和设计能力，能识别常见的电子元器件。2.具备C语言程序设计基础能力。3.具有使用51单片机I/O端口实现控制信号设置与检测的能力。学习特点1.喜欢网络学习，大多数同学能够认真学习资源库课程平台的动画、视频等相关数字资源，熟悉常用的网络工具和软件；对单片机的应用充满好奇。2.对抽象概念畏难和抵触，不喜欢枯燥的理论讲解。教学目标素质目标知识目标能力目标1.通过烟雾报警器现状的调研和功能设计学习，培养学生具有安全意识和科技创新意识。2.通过调研汇报和需求分析，培养学生自主学习及团队协作意识3.通过方案研讨和设计，提高学生合作探究解决问题的能力。1.能概述烟雾报警器的原理和构成；2.能说明A/D转换的概念和作用;3.掌握MQ-2烟雾传感器的工作原理和引脚结构。1.能够根据根据场景需求，选择合适的烟雾报警器方案。2.能应用MQ-2烟雾传感器的工作方式和使用方法。3.掌握烟雾报警器稳态测试和报警测试。教学重难点重点1.A/D转换的概念和原理。2.烟雾报警器的工作原理和实现方式。3.Proteus仿真软件和Keil软件的使用难点单片机时钟振荡电路、复位电路。Proteus仿真软件和Keil软件的使用。教学方法教法任务驱动教法、理虚实一体化教法、情景化教法、讨论式教法、问题引导教法学法自主式学习、协作式学习、体验式学习、探究式学习二、教学内容思维导图三、教学实施教学环节教学内容教学活动设计意图信息化手段教师活动学生活动课程导入1.烟雾报警器的作用烟雾报警器可以通过对环境烟雾的监测，判断是否有火灾发生。2.课前调研汇报安排分组汇报。职教云|讨论：什么是烟雾报警器?播放视频：烟雾报警器在火灾防范中的重要作用。职教云|讨论：现在的烟雾报警器中使用了哪些和单片机相关的重要技术？（职教云词云统计展示）组织调研汇报：引导学生分组进行课前调研汇报。讨论总结&项目引入：总结点评讨论和调研汇报内容。查阅&回帖：手机上网查阅答案，参与讨论回帖。观看&回帖：结合本组调研情况，参与讨论回帖。汇报&聆听&记录：上台按照小组制作的调研汇报PPT，进行课前调研汇报。其他小组进行思考记录。聆听&思考&记录通过对课程的简介，激发学生学习的兴趣，明确学习目标，学会学习。职教云/视频/PPT项目引入1.项目任务设计制作以MCS-51单片机为主控芯片，搭配MQ-2烟雾传感器，设计硬件电路，并编程实现烟雾报警器功能。2.A/D转换的概念模拟信号与数字信号示意图A/D转换的作用就是将连续变化的模拟信号转换为离散的数字信号。单片机可以使用A/D转换功能检测烟雾传感器的电压信号，从而实现烟雾浓度检测的功能。职教云|头脑风暴：烟雾报警器在哪些场景中被广泛使用？职教云|词云统计：汇总展示烟雾报警器的使用场景。实物展示&功能体验：单片机实训开发板及烟雾报警器工作效果。职教云|讨论：样机中单片机是如何感知到存在烟雾或可燃气体的？讨论总结&知识引入：烟雾传感器检测到烟雾或可燃气体时会输出电压信号，单片机通过采集电压值实现烟雾检测功能。职教云|回顾讨论：模拟信号和数字信号有什么区别？新知引出：单片机通过A/D转换功能将模拟信号转换为数字信息用于处理和存储。查阅&回帖：结合调研情况或上网查阅资料，参与讨论回帖。观看&记录：观看并记录，思考烟雾报警器的工作流程和实现方法。同步体验：烟雾报警器样机工作效果体验。讨论&回帖：结合样机结构和功能体验，小组讨论，参与回帖。聆听&思考：聆听老师总结，并思考功能实现方法。讨论&回帖：小组回顾讨论并参与职教云回帖。聆听&记录：聆听讲解并做好新知记录。通过创设情境，把学生引入项目学习。课堂上通过网上搜索相关资料及实物展示，激发学生的参与意识、创新意识，使其主观上产生对新知识的渴望，同时培养学生勤于思考的好习惯。职教云/实物/实物样机极域课堂项目分析烟雾报警器系统整体方案设计引导讨论：启发学生分组完成任务分析讨论，确定设计总体方案。组织分享：引导学生分组进行讨论成果分享。归纳总结：教师烟雾报警器系统的功能模块组成，确定系统整体设计方案。小组讨论：根据烟雾报警器样机，进行小组讨论，分解烟雾报警器构架。分享&反思：小组代表分享本组讨论结果并反思。聆听&记录：学生明确系统方案。任务分析，能有效培养学生勤于思考，敏于发现，勇于发言，敢于表达的习惯。职教云PPT/实物样机项目实施任务要求：使用MQ-2离子式烟雾传感器模块，设计一款简单的烟雾报警器，该报警器主要功能如下：1.具有烟雾浓度检测功能；2.当烟雾浓度超标时进行声光报警；3.声光报警信号延迟关闭，并且可以手动按下消音键关闭声光报警动作；4.烟雾报警器电池电压过低时，发出报警提示。任务发布：发布本次项目具体内容和功能。功能展示：根据任务要求依次在烟雾报警器实物上展示功能。聆听&记录：聆听讲解，知悉本次项目具体任务。观看&思考：观看老师演示，记录演示流程并思考功能逻辑关系。任务明晰，引导学生明确本次项目具体内容，帮助学生进行功能梳理。职教云PPT/实物样机项目实施1.MQ-2烟雾传感器工作原理MQ-2是离子式烟雾传感器当MQ-2传感器与烟雾接触时，晶粒间界处的势垒感应到烟雾浓度的变化，就会引起表面导电率的变化。利用这一点就可以获得烟雾存在的信息，烟雾浓度越大导电率越大，输出电阻越低，则输出的模拟信号就越大。视频播放：MQ-2烟雾传感器工作原理强化提问：应该使用单片机的什么功能来检测MQ-2输出的电压信号？（职教云）观看&思考：观看视频内容并做好思考记录。思考&回复：根据新知内容参与职教云讨论。结合实物或仿真实例教师进行相关知识的讲解。职教云PPT/实物样机视频项目实施2.MQ-2烟雾传感器I/O引脚MQ-2烟雾传感器模块具有双路信号输出的功能，分别是DOUT（模拟输出）和AOUT（数字输出）抢答提问：MQ-2烟雾传感器具有哪些I/O引脚？（职教云）实物展示讲解：本课程使用的MQ-2烟雾传感器是集成模块，同时具有数字输出和模拟输出引脚。思考&抢答：根据课前知识思考抢答。观察&聆听：结合课堂配套MQ-2烟雾传感器，观察并聆听。从简单问题入手，了解学生课前学习情况，并梳理学生学习信心。职教云PPT/实物样机项目实施3.MQ-2烟雾传感器的使用方法回顾提问：结合电子电路知识思考，在MQ-2烟雾传感器原理图中，电压比较器U1A有什么作用？思考&讨论：通过讨论、查阅资料等方法思考并进行回答。回顾前导课程知识，帮助学生实现知识的内化。项目实施数字输出方案使用此种信号输出方案时，传感器与电压比较器电路相连，MQ-2烟雾浓度传感器输出随烟雾浓度变化的直流信号，该信号被传递到电压比较器U1A的2号引脚；同时，电压比较器U1A的3号引脚与可调变阻器Rp相连，产生比较器的门限电压。引导思考：U1A输出什么样的信号？结合前面章节学习的单片机知识，如何对电压比较器U1A的1号引脚的输出信号进行检测判断？新知讲解：结合硬件实物，原理图和原理动画讲解MQ-2烟雾报警器数字输出方案。知识回顾：单片机I/O口高低电平检测方法。讨论&回顾：结合基础知识，小组讨论并进行成果分享。观看&聆听&记录：观看聆听老师讲解分析，并做好知识记录。聆听&思考：聆听老师讲解，并回顾思考前期项目相关知识。硬件实物与原理图和原理动画三维一体，帮助学生掌握难点知识内容。职教云PPT/实物样机原理动画项目实施模拟输出方案使用此种信号输出方案时，MQ-2烟雾浓度传感器输出随烟雾浓度变化的电压信号到模块AOUT（模拟输出）引脚，信号电压范围为0~5V，浓度越高电压越高。此种方案下，将MQ-2烟雾传感器的AOUT（模拟输出）信号管脚接到处理器的A/D转换管脚进行模数转换，即可得到MQ-2烟雾传感器输出的电压值。引导讨论：AOUT引脚输出电压值和烟雾浓度之间存在什么关系？展示讲解：展示MQ-2烟雾报警器AOUT引脚输出电压与烟雾浓度关系图，并进行讲解。提问讨论：两种使用方案有和优劣势？你认为哪种方案更具有普适性？查阅&讨论：通过资料查阅等方法在职教云进行讨论。聆听&记录：聆听老师讲解，并做好记录。讨论&展示：小组讨论，并展示本小组讨论结果及原因。以探究讨论开始，着力培养学生的自主探究能力，结合图形关联，帮助学生转换学习方法和角色定位，完成难点突破。职教云PPT/项目实施4.MQ-2烟雾传感器的稳态误差MQ-2烟雾传感器作为一种测量器件，不同个体之间存在合理的稳态误差，因此在使用前需要进行校准。本项目采用按键校准方案，在使用前根据现场环境进行校准。知识讲解：稳态误差的概念和产生的原因。问题提出：这种个体之间的误差是否会对烟雾报警器的设计产生影响？方案讲解：本项目中使用按键校准方案，根据现场环境进行校准。仿真功能展示：通过Proteus仿真工具，对比展示有无校准流程的烟雾报警器使用场景状况。聆听&记录：聆听讲解并做好知识记录。思考&讨论：思考老师提出的问题，进行小组讨论，并参与职教云回帖。方案记录：理解本次项目方案，做好方案记录。观看演示：仔细观看教师的对比操作，记录操作流程便于独立测试。通过从理论分析，问题讨论，方案介绍到功能展示的流程，把难点知识从理论到实际层层分解，帮助学生突破难点知识。职教云PPT/Proteus/项目实施任务1：绘制MQ-2烟雾报警器硬件框图硬件方案设计：MQ-2烟雾报警器硬件结构框图组织讨论：职教云发起讨论，请各小组讨论MQ-2烟雾报警器硬件具有哪些部分？任务发布：绘制MQ-2烟雾报警器硬件组成框图。教师点评：对各小组设计方案做点评，充分肯定学生的成果，总结并发布MQ-2烟雾报警器硬件结构框图。小组讨论：组内MQ-2烟雾报警器硬件结构，并上传职教云进行讨论。动手绘制：在活页对应位置绘制MQ-2烟雾报警器硬件组成框图。汇报方案：小组代表汇报方案设计。1.电路设计能有效地考查学生创造性思维能力,分析综合能力以及知识应用能力。2.小组讨论培养学生团结协作的能力、锻炼学生沟通交流的能力。PPT/职教云任务2：绘制MQ-2烟雾报警器软件流程图知识回顾：单片机最小系统的三要素就是电源、晶振、复位电路。组织讨论：根据刚刚的演示和讲解，请大家讨论校准和烟雾检测的顺序，并设计总体软件功能流程。任务发布：绘制MQ-2烟雾报警器总体软件功能流程图。展示点评：组织学生展示成果并进行汇总点评。聆听&记录：跟随老师一起学习并在相应的活页式讲义中做好记录。思考&讨论：小组讨论，完成总体功能流程图设计。动手绘制：在活页对应位置绘制MQ-2烟雾报警器总体软件功能流程图。汇报&思考：分小组进行汇报，并聆听老师总结，做好记录。回顾前序知识，加深学生对最小系统的理解。软件流程图的设计培养学生程序设计逻辑思维能力和前序知识综合应用的能力。PPT/职教云任务3：单片机I/O资源预分配A/D转换引脚可选择P1.0-P1.7引脚。问题提出：根据前序知识和项目要求，使用模拟输出方案时，应选用单片机的哪一类引脚？（下节新知引出）任务发布：根据样机结构和课前知识，完成单片机I/O引脚资源预分配。A/D转换引脚可选择P1.0-P1.7。实物观察&讨论：仔细观察MQ-2烟雾报警器样机，并进行小组讨论，完成单片机I/O资源预分配。资源分配：在活页对应位置中，完成单片机I/O引脚资源预分配表培养学生实践能力和规划能力，建构新的知识与技能培养Proteus/PPT/职教云项目实施任务4：MQ-2烟雾报警器样机测试测试并统计不同MQ-2在洁净空气和丁烷气体测试环境下AOUT（模拟输出）信号管脚输出的具体电压值。任务发布：测试并统计不同MQ-2在洁净空气和丁烷气体测试环境下AOUT（模拟输出）信号管脚输出的具体电压值实操测试：使用教师提供的MQ-2烟雾报警器样机，进行校准测试和烟雾检测测试，并将测试结果填写到活页上的测试表格中。通过样机实操，引导学生了解项目产品的具体使用方法和效果，帮助学生明确目标的同时，提升学生动手实践能力。PPT/职教云/实物样机项目评价功能考核：根据项目评分细则，对学生作品进行项目功能考核，并评分、记录测验：发布课堂测验题目项目考核：进行项目考核并记录成绩，并记录典型问题测验发布：引导学生完成职教云课堂测验题目完成考核：完成任务考核完成测验：在职教云中独立完成课堂测验，将还存在疑问的题目记录下来通过准确合理，富有鼓励性的考核和评价，调动学生学习的积极性STM32CubeIDE工具/职教云/单片机小车平台/赛道总结反思学生任务完成情况和存在问题分析与解决考核反馈：对任务完成度进行评价，充分鼓励学生的实践结果，同时对学生存在的问题进行反馈。总结：总结本节学习内容，加深学生对新知识的理解。学生反思总结，跟随老师汇总归纳本堂课的知识内容，加深对新知识的理解和记忆。以准确简练的语言，提纲挈领地总结归纳，促使学生加深对所学知识的理解和记忆，培养其综合概括能力。项目拓展课后任务-理论&实操理论知识点测试：课后测验实操：MQ-2烟雾报警器