新型液位控制系統(tǒng)教學(xué)演示裝置的開(kāi)發(fā)研究

叢 敏 陳 磊

（1.福建教育學(xué)院理科研修部，福建 福州 350025；2.福州第十五中學(xué)，福建 福州 350015）

“控制”這一概念出現(xiàn)在普通高中通用技術(shù)學(xué)科必修二《技術(shù)與設(shè)計(jì)二》的教材中，屬于教學(xué)重難點(diǎn)，因其專(zhuān)業(yè)性較強(qiáng)，教師在課堂教學(xué)中很難通過(guò)語(yǔ)言表達(dá)清楚，常常要借助于一些教學(xué)方法，如案例分析、教學(xué)演示等?；凇镀胀ǜ咧型ㄓ眉夹g(shù)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017 年版2020 年修訂）》中對(duì)“控制及其設(shè)計(jì)”一單元的要求，學(xué)生需要理解控制及控制系統(tǒng)的含義，能通過(guò)案例分析來(lái)了解手動(dòng)控制與自動(dòng)控制的特點(diǎn)，在熟悉了簡(jiǎn)單的控制系統(tǒng)后，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行簡(jiǎn)易的控制系統(tǒng)裝置的設(shè)計(jì)與搭建。［1］基于此，筆者通過(guò)長(zhǎng)期教學(xué)實(shí)踐，設(shè)計(jì)了一種新型液位控制系統(tǒng)教學(xué)演示裝置（以下簡(jiǎn)稱(chēng)“演示裝置”），在教學(xué)中由教師用該裝置演示給學(xué)生看，可以幫助學(xué)生更直觀的理解控制過(guò)程的不同，以及“人”在控制系統(tǒng)中所起的作用，為學(xué)習(xí)簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)打下良好的基礎(chǔ)。

一、演示裝置的基本組成及功能

本新型液位控制系統(tǒng)教學(xué)演示裝置，可以實(shí)現(xiàn)人工注水、循環(huán)定時(shí)注水以及全自動(dòng)恒定液位注水過(guò)程的演示，使學(xué)生能夠更直觀地了解控制過(guò)程。

本演示裝置主要包括儲(chǔ)水箱、演示箱、電控箱以及控制將儲(chǔ)水箱內(nèi)的水輸送到演示箱內(nèi)的控制組件。其中，控制組件包括手動(dòng)進(jìn)水單元、定時(shí)進(jìn)水單元以及全自動(dòng)進(jìn)水單元。裝置設(shè)計(jì)簡(jiǎn)圖如圖1 所示。

其中，圖1 中的部件1 為儲(chǔ)水箱，通過(guò)輸水管路（部件502）與演示箱（部件2）連通，輸水管路上設(shè)有與控制組件電連接的輸送泵（部件6）。部件323 為測(cè)距儀，設(shè)置在演示箱的頂部。演示箱的底部還開(kāi)有排水口（部件504），所述排水口的出水端與儲(chǔ)水箱的開(kāi)口對(duì)應(yīng)設(shè)置。部件1 和部件2 的頂部開(kāi)有溢流口（部件503），溢流口通過(guò)輸水管與儲(chǔ)水箱連通。

圖1 新型液位控制系統(tǒng)教學(xué)演示裝置結(jié)構(gòu)圖

部件3 為內(nèi)部設(shè)有控制器的電控箱，控制器與輸送泵電連接，電控箱上設(shè)有手動(dòng)進(jìn)水單元、定時(shí)進(jìn)水單元以及全自動(dòng)進(jìn)水單元。其中手動(dòng)進(jìn)水單元包括分別與控制器電連接的手動(dòng)進(jìn)水模式選擇按鈕（部件301）和手動(dòng)進(jìn)水模式控制按鈕（部件302）。定時(shí)進(jìn)水單元包括用于控制輸送泵啟動(dòng)的定時(shí)進(jìn)水模式控制按鈕（部件311），以及用于控制輸送泵間歇工作的循環(huán)時(shí)間繼電器（部件312），兩者均與控制器電連接。全自動(dòng)進(jìn)水單元包括用于控制輸送泵啟動(dòng)的全自動(dòng)進(jìn)水模式控制按鈕（部件321）、用于設(shè)定目標(biāo)水位的調(diào)節(jié)旋鈕（部件322）以及用于實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)演示箱內(nèi)水位的超聲波測(cè)距儀（部件323），三者均與控制器電連接。電控箱上還設(shè)有用于顯示當(dāng)前工作狀態(tài)和演示箱內(nèi)液位的顯示屏（部件331）。

二、演示裝置的工作原理與操作流程

為了解決現(xiàn)有控制系統(tǒng)演示教具存在的功能單一的問(wèn)題，本演示裝置提供設(shè)在低位的儲(chǔ)水箱1、設(shè)在高位的與儲(chǔ)水箱1 連通的演示箱2 以及將儲(chǔ)水箱1內(nèi)的水輸送到演示箱2 內(nèi)的控制箱3，控制箱3 中的控制組件包括手動(dòng)進(jìn)水單元、定時(shí)進(jìn)水單元以及全自動(dòng)進(jìn)水單元。這三個(gè)單元實(shí)現(xiàn)了可在同一控制系統(tǒng)演示教具中的手動(dòng)控制、自動(dòng)控制及智能控制的多功能問(wèn)題。

（一）硬件部分的工作原理與操作流程

在本演示裝置中，如圖1 所示，為了實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)水箱1位于低位，演示箱2 位于高位，可以將儲(chǔ)水箱1 放置在地面上，而將演示箱2 放置在置物架4 上。其中，演示箱2 的頂部開(kāi)有注水口，注水口上設(shè)有注水管501，儲(chǔ)水箱1 的底部設(shè)有輸送泵6，輸送泵6 的出水端連通有輸水管路502，輸水管路502 的頂端與注水管501 連接以將儲(chǔ)水箱1 與演示箱2 連通，這樣可以將儲(chǔ)水箱1 內(nèi)的水輸送到演示箱2 內(nèi)。為了防止演示箱2 內(nèi)的水滿(mǎn)溢流，演示箱2 的頂部開(kāi)有溢流口，溢流口上連通有溢流管503，溢流管503 的底端延伸到儲(chǔ)水箱1 內(nèi)以將溢出的水引導(dǎo)至儲(chǔ)水箱1 內(nèi)；演示箱2 的底部還開(kāi)有排水口，排水口上設(shè)有帶閥門(mén)的排水管504，排水管504 的出水端與儲(chǔ)水箱1 的開(kāi)口對(duì)應(yīng)設(shè)置，可以通過(guò)排水管504 演示演示箱2 內(nèi)水的消耗。

控制組件為內(nèi)部設(shè)有控制器的電控箱3，控制器為Arduino UNO R3 控制板，且控制器與輸送泵6 電連接以控制輸送泵動(dòng)作；為了提高控制系統(tǒng)工作的穩(wěn)定性，電控箱3 采用強(qiáng)弱電分離設(shè)計(jì)；電控箱3 上設(shè)有手動(dòng)進(jìn)水單元、定時(shí)進(jìn)水單元以及全自動(dòng)進(jìn)水單元以對(duì)多種控制模式進(jìn)行模擬。

其中，手動(dòng)進(jìn)水單元包括分別與控制器電連接的手動(dòng)進(jìn)水模式選擇按鈕301 和手動(dòng)進(jìn)水模式控制按鈕302；當(dāng)進(jìn)行手動(dòng)進(jìn)水模式演示時(shí)，按下手動(dòng)進(jìn)水模式控制按鈕302，控制器接收到信號(hào)后控制啟動(dòng)輸送泵6 進(jìn)行水流輸送；釋放手動(dòng)進(jìn)水模式控制按鈕302，控制器接收到信號(hào)后關(guān)閉輸送泵6，停止水流輸送。

定時(shí)進(jìn)水單元包括用于控制輸送泵6 啟動(dòng)的定時(shí)進(jìn)水模式控制按鈕311，以及用于控制輸送6 泵間歇工作的時(shí)間繼電器312，時(shí)間繼電器312 為循環(huán)時(shí)間繼電器，定時(shí)進(jìn)水模式控制按鈕311、時(shí)間繼電器312 均與控制器電連接；當(dāng)進(jìn)行定時(shí)進(jìn)水模式演示時(shí)，先在時(shí)間繼電器312 上設(shè)定輸送泵6 工作時(shí)間和輸送泵6 停止時(shí)間，然后按壓定時(shí)進(jìn)水模式控制按鈕311，控制器接收到信號(hào)后啟動(dòng)輸送泵6 進(jìn)行水流輸送，當(dāng)時(shí)間繼電器312 上設(shè)定的工作時(shí)間結(jié)束后，輸送泵6 則停止工作，停止時(shí)間為時(shí)間繼電器6 上設(shè)定的停止時(shí)間，當(dāng)停止時(shí)間結(jié)束后，輸送泵6 又重新開(kāi)始工作，如此循環(huán)進(jìn)行水流的輸送。

全自動(dòng)進(jìn)水單元包括用于控制輸送泵6 啟動(dòng)的全自動(dòng)進(jìn)水模式控制按鈕321、用于設(shè)定目標(biāo)水位的調(diào)節(jié)旋鈕322 以及用于實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)演示箱內(nèi)水位的測(cè)距儀323，全自動(dòng)進(jìn)水模式控制按鈕321、調(diào)節(jié)旋鈕322 以及測(cè)距儀323 均與控制器電連接；當(dāng)進(jìn)行全自動(dòng)進(jìn)水模式演示時(shí)，先按壓全自動(dòng)進(jìn)水模式控制按鈕321，然后通過(guò)調(diào)節(jié)旋鈕322 調(diào)節(jié)目標(biāo)水位，控制器接收到信號(hào)后控制輸送泵6 進(jìn)行水流輸送并保持演示箱2 內(nèi)的水位恒定。

（二）電路部分的工作原理與操作流程

本演示裝置電路部分的工作原理是：如圖2 所示，220V 交流電通過(guò)S-25-12 開(kāi)關(guān)電源降壓整流為12V 直流電，并為Arduino UNO R3 控制板、DH48S-S時(shí)間繼電器312 和MB-102 電源模塊供電。MB-102電源模塊將12V 直流電降壓到5V，為12864LCD 顯示屏331、HC-SR04 超聲波模塊（即測(cè)距儀323）和2 路繼電器模塊供電，HC-SR04 超聲波模塊將液位信號(hào)傳遞給Arduino UNO R3 控制板，并通過(guò)12864LCD 顯示屏331 實(shí)時(shí)顯示當(dāng)前液位。

圖2 演示裝置電路圖

當(dāng)壓觸S1（手動(dòng)進(jìn)水模式選擇按鈕301）時(shí)，LED1 亮起，LED2、LED3 熄滅，Arduino UNO R3 控制板控制電路工作狀態(tài)為手動(dòng)進(jìn)水模式，12864LCD 顯示屏顯示“手動(dòng)進(jìn)水模式”和當(dāng)前液位。此時(shí)若接通S4（即手動(dòng)進(jìn)水模式控制按鈕302），Arduino UNO R3控制板控制2 路繼電器模塊中的第1 路吸合導(dǎo)通，輸送泵6 工作，LED4（即指示燈332）亮起。此時(shí)若斷開(kāi)S4，Arduino UNO R3 控制板控制2 路繼電器模塊中的第1 路斷開(kāi)，輸送泵6 停止工作，LED4 熄滅。

當(dāng)壓觸S2（即定時(shí)進(jìn)水模式控制按鈕311）時(shí)，LED2 亮起，LED1、LED3 熄滅，Arduino UNO R3 控制板控制電路工作狀態(tài)為定時(shí)進(jìn)水模式，12864LCD 顯示屏331 顯示“定時(shí)進(jìn)水模式”和當(dāng)前液位。Arduino UNO R3 控制板同時(shí)還控制2 路繼電器模塊中的第2路吸合導(dǎo)通，DH48S-S 時(shí)間繼電器312 工作。DH48S-S 時(shí)間繼電器312 根據(jù)設(shè)定的時(shí)間控制2 路繼電器模塊中的第1 路導(dǎo)通或斷開(kāi)狀態(tài)，從而控制輸送泵6 工作與否，以及LED4 的亮滅。

當(dāng)壓觸S3（即全自動(dòng)進(jìn)水模式控制按鈕321）時(shí)，LED3 亮起，LED1、LED2 熄滅，Arduino UNO R3 控制板控制電路工作狀態(tài)為全自動(dòng)進(jìn)水模式，12864LCD顯示屏331 顯示“全自動(dòng)進(jìn)水模式”、目標(biāo)水位和當(dāng)前液位。Arduino UNO R3 控制板同時(shí)還根據(jù)目標(biāo)水位和當(dāng)前水位的關(guān)系來(lái)控制2 路繼電器模塊中的第1路導(dǎo)通或斷開(kāi)狀態(tài)，從而控制輸送泵6 工作與否，以及LED4 的亮滅。

三、教學(xué)應(yīng)用及建議

控制概念在通用技術(shù)學(xué)科教學(xué)中一直都是疑難雜癥。隨著一輪又一輪的教學(xué)，許多一線(xiàn)教師在講授這個(gè)知識(shí)點(diǎn)時(shí)，教學(xué)方法越來(lái)越多，逐漸由原來(lái)的教學(xué)視頻展示到現(xiàn)在的教學(xué)用具演示，演示所用的教具也由購(gòu)買(mǎi)的教學(xué)用具到自行開(kāi)發(fā)的教學(xué)用具。［2］教師在授課中用自己開(kāi)發(fā)的教具時(shí)講解的會(huì)更透徹更有說(shuō)服力，也更能提高學(xué)生動(dòng)手的積極性。文中的裝置，就是在此過(guò)程中應(yīng)運(yùn)而生的，也獲得了相關(guān)專(zhuān)利，在教學(xué)中效果良好。

對(duì)于本演示裝置在教學(xué)中如何應(yīng)用，筆者提一些自己在課堂中的嘗試，以期對(duì)學(xué)科教學(xué)有所幫助。筆者在普通高中通用技術(shù)必修二《技術(shù)與設(shè)計(jì)二》的第四單元中的第四部分“控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)施”中應(yīng)用本演示裝置，具體過(guò)程為：通過(guò)問(wèn)題設(shè)計(jì)，讓學(xué)生觀察并對(duì)比該演示裝置在人工控制、自動(dòng)控制情況下的優(yōu)缺點(diǎn)，來(lái)總結(jié)哪種控制比較容易設(shè)計(jì)，容易設(shè)計(jì)的控制是否更適用等。整個(gè)觀察的過(guò)程，教師均站在引導(dǎo)者而不是授課者的位置，教師的功能只是引導(dǎo)學(xué)生由現(xiàn)有問(wèn)題到觀察裝置、再由觀察裝置到發(fā)現(xiàn)問(wèn)題的一個(gè)循環(huán)。［3］

本演示裝置的創(chuàng)新點(diǎn)在于：采用了Arduino UNO R3 控制板作為整個(gè)裝置的控制器、采用了超聲波測(cè)距模塊測(cè)量水箱液位，解決了原來(lái)測(cè)試水位傳感器與液體接觸容易損壞的問(wèn)題，解決了水箱水滿(mǎn)溢出帶來(lái)的問(wèn)題，提高了控制系統(tǒng)的整體穩(wěn)定性。通過(guò)這樣一個(gè)過(guò)程的鍛煉，不僅培養(yǎng)了學(xué)生的技術(shù)意識(shí)和工程思維，對(duì)學(xué)生下一步設(shè)計(jì)自己的控制系統(tǒng)也起到了很好的啟發(fā)作用。