滕永豐 劉曉靜

教學(xué)相長(zhǎng)是一個(gè)基本的教育規(guī)律，教師常常在解答學(xué)生問(wèn)題的過(guò)程中加深對(duì)教學(xué)的理解和產(chǎn)生一些新的想法。筆者所在學(xué)校的一位初一學(xué)生這樣描述了一個(gè)項(xiàng)目需求：“每次洗澡完畢都要給太陽(yáng)能熱水器注滿(mǎn)水，注水等待的過(guò)程漫長(zhǎng)難熬，媽媽就把這個(gè)任務(wù)交給了我?？蓪?shí)際情況是要么我專(zhuān)心致志地寫(xiě)作業(yè)，要么我目不轉(zhuǎn)睛地看電視，早就將太陽(yáng)能熱水器上水的事兒拋到九霄云外……幾乎每次都水漫金山。既心疼那些水費(fèi)，更是自責(zé)浪費(fèi)了水資源，我想制作一個(gè)小小的報(bào)警器，提醒太陽(yáng)能熱水器的水注滿(mǎn)了，要是還能直接將水關(guān)了，那就更好了?！蓖ㄟ^(guò)這個(gè)項(xiàng)目需求，我們不難看到，創(chuàng)新不一定就是高大上的，從生活的細(xì)小之處，發(fā)現(xiàn)生活的不便之處，做個(gè)小東西將它化繁為簡(jiǎn)，這也是創(chuàng)新。那么，不妨現(xiàn)在就動(dòng)手制作一個(gè)“太陽(yáng)能熱水器自動(dòng)斷水裝置”。

電路連接

以下就是整個(gè)制作過(guò)程，由于涉及到一些不太常用的電子件，這里需要詳細(xì)介紹一下。

1.項(xiàng)目總體思路

①不能對(duì)太陽(yáng)能熱水器及其管路有大的改動(dòng)，就算改動(dòng)，也只限于洗手間或者管井。

②控制器一通電，電磁閥打開(kāi)，立刻上水；熱水器水滿(mǎn)后，回水管出水，注入可樂(lè)瓶，液面達(dá)到預(yù)定高度，電磁閥關(guān)閉，紅燈亮，標(biāo)志水滿(mǎn)。

③對(duì)于水位的控制采用液位傳感器，自動(dòng)斷水采用數(shù)字繼電器模塊與普通電磁閥，電磁閥作為閥門(mén)的控制裝置完成對(duì)進(jìn)水管水流的控制。

2.硬件清單

①Arduino控制器，本例用的是Dfrobot公司的Romeo BLE多合一控制器，如圖1所示。

②紅色LED模塊，如圖2所示。

③液位傳感器。本例用的是Dfrobot生產(chǎn)的智能型非接觸式液位傳感器，采用了先進(jìn)的信號(hào)處理技術(shù)及高速信號(hào)處理芯片，避免了容器壁厚的影響，實(shí)現(xiàn)了對(duì)高壓密閉容器內(nèi)各種有毒物質(zhì)﹑強(qiáng)酸﹑強(qiáng)堿及各種液體的液位高度的非接觸檢測(cè)。其智能型非接觸式液位傳感器安裝簡(jiǎn)單，使用方便。其工作原理是利用水的感應(yīng)電容來(lái)檢測(cè)是否有液體存在，在沒(méi)有液體接近感應(yīng)器時(shí)，感應(yīng)器上由于分布電容的存在，所以感應(yīng)器對(duì)地存在一定的靜態(tài)電容，當(dāng)液面慢慢升高接近感應(yīng)器時(shí)，液體的寄生電容將耦合到這個(gè)靜態(tài)電容上，使感應(yīng)器的最終電容值變大，該變化的電容信號(hào)再輸入到控制IC進(jìn)行信號(hào)轉(zhuǎn)換，將變化的電容量轉(zhuǎn)換成某種電信號(hào)的變化量，再由一定的算法來(lái)檢測(cè)和判斷這個(gè)變化量的程度，當(dāng)這個(gè)變化量超過(guò)一定的閾值時(shí)就認(rèn)為液位到達(dá)感應(yīng)點(diǎn)，簡(jiǎn)單地說(shuō)當(dāng)檢測(cè)到液位時(shí)，OUT腳輸出高電平，液位傳感器指示燈亮，否則輸出低電平，液位傳感器燈滅，如圖3所示。

④繼電器模塊：在使用Arduino做互動(dòng)項(xiàng)目時(shí)，很多大電流或高電壓的設(shè)備通常無(wú)法直接用Arduino的數(shù)字IO口進(jìn)行控制（如電磁閥、電燈、電機(jī)等），此時(shí)可以考慮用繼電器的方案解決。繼電器相當(dāng)于一個(gè)數(shù)字信號(hào)控制的電路開(kāi)關(guān)，它控制的電路與功能電路相互隔離，在電路中起著自動(dòng)調(diào)節(jié)、安全保護(hù)、轉(zhuǎn)換電路等作用。當(dāng)繼電器接收到高電平信號(hào)時(shí)，連通所控電路，當(dāng)接收到低電平信號(hào)時(shí)，斷開(kāi)所控電路；當(dāng)接收到高電平信號(hào)的時(shí)候，繼電器的COM口和NO口將會(huì)導(dǎo)通，同時(shí)COM口和NC口會(huì)斷開(kāi)；當(dāng)接收到低電平信號(hào)時(shí)，繼電器的COM口和NO口將斷開(kāi)，同時(shí)COM口和NC口會(huì)接通（如下表）。（N/A口后無(wú)電路，為空置接口，請(qǐng)勿連接用電設(shè)備）繼電器不通電等效于繼電器接收到低電平的控制信號(hào)，如圖4所示。

⑤電磁閥。本例中采用的是220V德力西常閉型電磁閥，通電時(shí)開(kāi)，斷電時(shí)關(guān)。安裝時(shí)注意水流方向和線(xiàn)圈位置，購(gòu)買(mǎi)時(shí)還要注意管徑大小，如圖5所示。

硬件連接步驟

①電磁閥自帶的兩根電線(xiàn)不帶插頭、很短，根據(jù)需要增加導(dǎo)線(xiàn)的長(zhǎng)度及插頭。

②將其中的一根電線(xiàn)用鉗子掐斷，兩邊分別剝?nèi)ソ^緣部分，露出半厘米左右的電線(xiàn)。

③使用螺絲刀擰松電壓檢測(cè)模塊免焊接口的COM口和NO口的螺絲，再分別將剛剛剪開(kāi)的兩個(gè)線(xiàn)頭插進(jìn)去，并擰緊螺絲固定好，并核實(shí)一下兩個(gè)線(xiàn)頭無(wú)接觸并且已經(jīng)緊固。

④將繼電器接到ROMEO控制器的數(shù)字引腳8上，須注意線(xiàn)與埠的顏色一致。

⑤將液位傳感器鍵模塊接到ROMEO控制器的數(shù)字引腳7上，須注意接線(xiàn)與埠的顏色一致。

⑥將數(shù)字LED模塊接到ROMEO控制器的數(shù)字引腳10上，須注意接線(xiàn)與埠的顏色一致。

情境呈現(xiàn)

使用方法：上水時(shí)，打開(kāi)裝置的電源，控制器就會(huì)給電磁閥通電，電磁閥打開(kāi)，向太陽(yáng)能熱水器供水；當(dāng)太陽(yáng)能熱水器注滿(mǎn)后，回水管就會(huì)有水流出，流入可樂(lè)瓶中的水達(dá)到液位傳感器的高度，紅燈亮起，同時(shí)給電磁閥斷電，停止上水，整個(gè)過(guò)程結(jié)束（如上頁(yè)圖6、圖7）。

除了制作熱水器自動(dòng)斷水裝置外，它本身也是一個(gè)很好的教具（如上頁(yè)圖8），可以用來(lái)講解控制原理，稍加改裝還可以制作智能魚(yú)缸一類(lèi)的項(xiàng)目。掃描右側(cè)的二維碼可以查看太陽(yáng)能熱水器自動(dòng)斷水裝置的工作視頻。

原理揭秘

本例中用的是Mixly 0.991，Mixly是模塊化編程入門(mén)最簡(jiǎn)單的軟件之一，在中小學(xué)創(chuàng)客教育中有著廣泛的應(yīng)用。本例中程序邏輯結(jié)構(gòu)如圖9所示。程序設(shè)計(jì)如圖10所示。

成果拓展

在完成了這個(gè)項(xiàng)目后，我們發(fā)現(xiàn)這個(gè)項(xiàng)目還有一點(diǎn)不足，就是在下次上水時(shí)還需要將可樂(lè)瓶的水倒掉，難道要增加一個(gè)機(jī)械臂負(fù)責(zé)倒水么？這樣是不是有些太復(fù)雜了。經(jīng)過(guò)思考，我們找到了一個(gè)簡(jiǎn)便的做法，在初中的時(shí)候，我們經(jīng)常做“一邊注水一邊放水，求多長(zhǎng)時(shí)間水池能滿(mǎn)”的數(shù)學(xué)題，我們想到的方法就是在靠近瓶底的部位打個(gè)小孔，這樣在電磁閥關(guān)閉后，瓶中的水就會(huì)慢慢流走。下次上水只要將ROMEO控制器的外接電源開(kāi)關(guān)重置一下即可。如此這般，“太陽(yáng)能自動(dòng)斷水裝置”就誕生了。而這只是我們此次創(chuàng)意征集中的一個(gè)。

回顧此次活動(dòng)，我們發(fā)現(xiàn)教師和學(xué)生可以成為“項(xiàng)目合伙人”，學(xué)生出點(diǎn)子和教師一起實(shí)現(xiàn)，學(xué)生邊做邊學(xué)，教師邊做邊教，大家一起解決問(wèn)題，形成一種師生互創(chuàng)的學(xué)習(xí)模式。而在這個(gè)過(guò)程中，還可以建立教師和學(xué)生的項(xiàng)目股份機(jī)制，通過(guò)dfrobot網(wǎng)站提供的“心愿單”功能（如圖11），將創(chuàng)客作品轉(zhuǎn)化為一個(gè)創(chuàng)客產(chǎn)品，現(xiàn)在已經(jīng)有一個(gè)人購(gòu)買(mǎi)了，雖然只有十幾元的項(xiàng)目收益，但是這對(duì)我們是一種莫大的鼓勵(lì)。

你也需要一個(gè)太陽(yáng)能熱水器自動(dòng)斷水裝置么？歡迎支持我們的心愿單，我們的項(xiàng)目心愿是通過(guò)項(xiàng)目版稅，給學(xué)生們購(gòu)置一臺(tái)3D打印機(jī)，每一點(diǎn)小小的支持，都是對(duì)創(chuàng)客精神的一種鼓勵(lì)。