《智能樓道燈――紅外線傳感器》是蘇科版(2013年修訂)小學六年級《信息技術》第2課的內容,主要介紹了紅外線傳感器及其應用,重點體現了信息的感知。在物聯網的體系架構中,信息感知是基礎。只有全面感知信息,才能安全傳輸信息,并最終實現智能應用。而傳感器技術是感知層的重要技術手段,紅外線傳感器也是眾多傳感器技術中最常見的。正確認識紅外線傳感器及其應用,可加深學生對信息感知的理解,為后續的學習打下堅實的基礎。
學情分析
本節課的教學對象是小學六年級的學生。通過前面的學習,學生已經具備了一定的信息素養;通過第1課《物聯網就在身邊――初識物聯網》的學習,已經了解了物聯網及其應用的相關知識。這些都為本節課的學習打下了良好的基礎。然而,六年級的學生對于生活中諸多物聯網技術的應用,往往是“知其然,不知其所以然”。所以,消除學生對物聯網的神秘感,幫助學生完成建構較為完善的知識結構網絡圖,是教學設計的重點。
教學目標
知識與技能目標:了解紅外線,知道人體能發出特定波長的紅外線;認識紅外線傳感器,能辨認常見的紅外線傳感器;了解紅外線傳感器的特點,能夠列舉紅外線傳感器的常見應用;了解“智能樓道燈”系統的工作過程。
過程與方法目標:通過對“智能樓道燈”系統的分析與建模,體驗分析問題、解決問題的一般過程;通過對“紅外線傳感器探測范圍”的探究實驗,體驗較為科學的實驗研究方法;通過討論、評價日常生活中“紅外線傳感器”的典型應用,學會評價它們的特點及其與實際生活的關系。
情感態度與價值觀目標:通過情境設置與視頻觀察,發現生活中的物聯網應用;通過建模體驗與探究實驗,產生保持學習與使用物聯網技術的興趣;通過討論交流與展示同齡人的新發明,促進創新思維,激發創新意識。
教學重點、難點
重點:認識紅外線傳感器,能描述它的特點及探測范圍;通過對“智能樓道燈”系統的分析建模,體會信息的感知及物聯網的體系架構。
難點:紅外線傳感器及其特點;“智能樓道燈”系統的工作過程。
教學過程
1.情境導入,激發興趣
課前事先在機房門口放置“紅外線迎賓器”(如圖1),當學生進入教室的時候,會自動發出“歡迎光臨”的問候語。以“迎賓器”的“自動感應”聯想生活中類似的物聯網應用,如自動門、感應龍頭、烘手器、樓道燈等,并播放《校園內的自動感應樓道燈》視頻。教師和學生通過對生活中自動感應現象的羅列與梳理,提出問題:以上物聯網應用中,物與物是如何相聯的,即“物”如何感知“物”的信息,經過信息傳輸,最終實現對“物”的自動控制?引出課題――“智能樓道燈”,即以智能樓道燈系統為例,探究這些物聯網應用背后的科技之光。
設計意圖:第一環節關鍵詞――發現。發現生活中與紅外線傳感器相關的物聯網應用。以生活中的情境、生活化的問題導入新課,激發興趣,引起求知欲,令學生注意力集中。人性化的迎賓器,舒緩氣氛,拉近與學生的距離,也是課堂的懸念。
2.分析架構,凸顯核心
(1)分析:“感知信息”的設備是什么?①提出問題:教師設問人和燈之間是否存在另一個設備在起作用?②大膽猜測:學生仔細觀察“智能樓道燈”系統圖(如圖2),大膽猜測,并嘗試在圖2上指出該設備。③小心求證:通過視頻求證。教師繼續播放《校園內的自動感應樓道燈》視頻,學生觀看視頻,最后視頻的畫面定格在“紅外線感應開關”上,由此驗證了前面猜測的正確性。
該報警器能探測人體發出的紅外線,當人進入報警器的監視區域內,即可發出報警聲,適用于家庭、辦公室、倉庫、實驗室等比較重要場合防盜報警。裝置電路原理見圖1。由紅外線傳感器、信號放大電路、電壓比較器、延時電路和音響報警電路等組成。紅外線探測傳感器IC1探測到前方人體輻射出的紅外線信號時,由IC1的②腳輸出微弱的電信號,經三極管VT1等組成第一級放大電路放大,再通過C2輸入到運算放大器IC2中進行高增益、低噪聲放大,此時由IC2①腳輸出的信號已足夠強。IC3作電壓比較器,它的第⑤腳由R10、VD1提供基準電壓,當IC2①腳輸出的信號電壓到達IC3的⑥腳時,兩個輸入端的電壓進行比較,此時IC3的⑦腳由原來的高電平變為低電平。IC4為報警延時電路,R14和C6組成延時電路,其時間約為1分鐘。當IC3的⑦腳變為低電平時,C6通過VD2放電,此時IC4的②腳變為低電平,它與IC4的③腳基準電壓進行比較,當它低于其基準電壓時,IC4的①腳變為高電平,VT2導通,訊響器BL通電發出報警聲。人體的紅外線信號消失后,IC3的⑦腳又恢復高電平輸出,此時VD2截止。由于C6兩端的電壓不能突變,故通過R14向C6緩慢充電,當C6兩端的電壓高于其基準電壓時,IC4的①腳才變為低電平,時間約為1分鐘,即持續1分鐘報警。
紅外傳感系統是用紅外線為介質的測量系統,按照功能可分成五類,按探測機理可分成為光子探測器和熱探測器.紅外傳感技術已經在現代科技、國防和工農業等領域獲得了廣泛的應用.
紅外技術發展到現在,已經為大家所熟知,這項技術在現代科技、國防科技和工農業科技等領域得到了廣泛的應用.紅外傳感系統是用紅外線為介質的測量系統,按照功能能夠分成五類:(1)輻射計,用于輻射和光譜測量;(2)搜索和跟蹤系統,用于搜索和跟蹤紅外目標,確定其空間位置并對它的運動進行跟蹤;(3)熱成像系統,可產生整個目標紅外輻射的分布圖像;(4)紅外測距和通信系統;(5)混合系統,是指以上各類系統中的兩個或者多個的組合.
主要是由一種高熱電系數的材料,如鋯鈦酸鉛系陶瓷、鉭酸鋰、硫酸三甘鈦等制成尺寸為2*1mm的探測元件.在每個探測器內裝入一個或兩個探測元件,并將兩個探測元件以反極性串聯,以抑制由于自身溫度升高而產生的干擾.由探測元件將探測并接收到的紅外輻射轉變成微弱的電壓信號,經裝在探頭內的場效應管放大后向外輸出.為了提高探測器的探測靈敏度以增大探測距離,一般在探測器的前方裝設一個菲涅爾透鏡,該透鏡用透明塑料制成,將透鏡的上、下兩部分各分成若干等份,制成一種具有特殊光學系統的透鏡,它和放大電路相配合,可將信號放大70分貝以上,這樣就可以測出10~20米范圍內人的行動.
人體輻射的紅外線中心波長為9~10--um,而探測元件的波長靈敏度在0.20--um范圍內幾乎穩定不變.在傳感器頂端開設了一個裝有濾光鏡片的窗口,這個濾光片可通過光的波長范圍為7~10--um,正好適合于人體紅外輻射的探測,而對其它波長的紅外線由濾光片予以吸收,這樣便形成了一種專門用作探測人體輻射的紅外線傳感器.
被動式熱釋電紅外探頭(PIR)的優缺點:
優點:本身不發任何類型的輻射,器件功耗很小,隱蔽性好.價格低廉.
缺點:
◆容易受各種熱源、光源干擾
◆被動紅外穿透力差,人體的紅外輻射容易被遮擋,不易被探頭接收.
◆環境溫度和人體溫度接近時,探測和靈敏度明顯下降,有時造成短時失靈.
抗干擾性能:
①防小動物干擾:探測器安裝在推薦的使用高度,對探測范圍內地面上的小動物,一般不產生報警.
②抗電磁干擾:探測器的抗電磁波干擾性能符合GB10408中4.6.1要求,一般手機電磁干擾不會引起誤報.
③抗燈光干擾:探測器在正常靈敏度的范圍內,受3米外H4鹵素燈透過玻璃照射,不產生報警.
紅外線熱釋電傳感器對人體的敏感程度還和人的運動方向關系很大.紅外線熱釋電傳感器對于徑向移動反應最不敏感,而對于橫切方向(即與半徑垂直的方向)移動則最為敏感.在現場選擇合適的安裝位置是避免紅