(共37张PPT)
第2单元 第2课
设计简单的计算机控制系统
（湘科版）六年级
上
1
核心素养目标
3
新知讲解
5
拓展延伸
7
板书设计
2
新知导入
4
课堂练习
6
课堂总结
课后作业
8
01
核心素养目标
信息意识
计算思维
数字化学习与创新
信息社会责任
了解现实中存在的控制方式的案例，认识到时间控制系统在社会中的应用价值与潜在风险。
能够制作出简单的操作系统，并通过创新设计解决实际问题，实现知识的深度融合与拓展。
学会制作简单的控制系统，通过计算视角分析时间控制问题，将物理时间转化为可计算的逻辑，并设计算法解决控制逻辑。
了解基于时间的控制方式，能认识到时间控制在控制系统中的信息价值，理解时间参数是系统运行的关键信息。
02
新知导入
02
新知导入
活动背景
计算机控制系统在日常生活中应用非常广泛。它不仅提高了人们的生活质量，还降低了生产成本，提高了工作效率。举例来说，智能控制冰箱比传统冰箱更好用，智能控制农业灌溉比传统人工控制灌溉更节水，智能控制工业生产线比人工流水线更高效。那么，如何设计简单的计算机控制系统来解决生活中的问题呢
02
新知导入
活动目标
1.了解基于时间的控制方式。
2.学会制作简单的控制系统。
03
新知讲解
一、基于时间的控制方式
在生活中,有许多计算机控制系统是使用时间变量来实现控制的。例如，电子闹钟、学校自动打铃系统、微波炉、路灯控制系统等。这些系统在芯片内置时钟达到设定值时，就会触发响铃或执行其他控制命令。
通过时间变量实现控制
03
新知讲解
学校自动打铃控制示意图
03
新知讲解
想一想：生活中还有哪些采用时间控制的系统 描述它们的控制过程。
开动脑筋
自动车库门
车主通过遥控器发送开门信号后，车库门控制系统接收到信号，启动电机，驱动车库门上升。当车库门上升到顶部后，系统会控制电机停止运行；关闭时，按下遥控器关门按钮，电机反向转动，车库门下降，到达底部后电机停止。
03
新知讲解
想一想：生活中还有哪些采用时间控制的系统 描述它们的控制过程。
开动脑筋
自动晾衣架
用户可通过手机 APP 或遥控器设定晾衣架的升降时间。晾衣架内部的计时模块会根据设定时间，控制电机的运转，实现晾衣架的自动升降，方便用户晾晒和收纳衣物。
03
新知讲解
二、制作时间提醒器模型
在生活学习中，我们要合理安排时间，既要按时按量完成学习任务，也要保证充足的休息，做到劳逸结合，保护身体健康。我们可以采用时间控制方式，制作时间提醒器，提醒自己合理安排学习和休息时间。
03
新知讲解
学习40分钟
休息10分钟
循环3次
03
新知讲解
1.实验目的
制作时间提醒器模型，体验时间控制方式。
2.实验设计
探究实践
主控板按键
按照设定的时间显示提示语和发出声音，提醒学习和休息
主控板显示屏蜂鸣器
控制原理
03
新知讲解
3.实验准备
主控板、编程计算机。
4.实验过程
(1)设计算法，编写程序。
探究实践
流程图与参考程序
03
新知讲解
(2)将程序上传到主控板，按下A键测试控制功能。
说明:为了缩短实验时间，在验证模型时，可以用1秒钟代替10分钟。
探究实践
03
新知讲解
小组讨论:从实际应用来看，时间提醒器模型还有哪些需要改进的地方
开动脑筋
传统时间提醒器仅具备单一的提醒功能，可与智能家居系统联动，例如提醒时间到达时，自动打开相应的灯光、调节空调温度，实现场景化智能控制。
部分时间提醒器在长时间使用后，会出现时间误差。
03
新知讲解
三、模拟洗衣机控制过程
基于时间的控制应用非常广泛。例如，自动洗衣机按照设定的时间参数，控制进水、洗衣和排水等步骤，自动完成洗衣过程。
自动洗衣机控制原理
03
新知讲解
1.实验目的
模拟洗衣机洗衣的控制过程，体验基于时间的控制方式。
2.实验设计
探究实践
主控板按键
按流程执行相关操作
用蜂鸣器模拟操作
控制原理
03
新知讲解
3.实验准备
主控板、编程计算机。
4.实验过程
(1)设计算法，编写程序。
(2)将程序上传到主控板，按下A键测试程序控制功能。
探究实践
流程图与参考程序
03
新知讲解
执行器的分类与工作原理（按能量转换方式分类）
类型 典型产品 工作原理
电动执行器 伺服电机 接收电信号（如 PWM 或模拟电压），通过电磁感应将电能转换为旋转机械能，精度高、响应快。
电磁阀 线圈通电产生磁场吸引阀芯，改变流体通路（开 / 关或调节流量），常用于气动 / 液压系统。
气动执行器 气缸 压缩空气推动活塞运动，输出直线推力，结构简单、抗环境干扰（如粉尘、潮湿）。
气动薄膜阀 气压作用于薄膜产生推力，通过连杆带动阀芯调节阀门开度，适用于化工管道流量控制。
03
新知讲解
执行器的分类与工作原理（按能量转换方式分类）
类型 典型产品 工作原理
液压执行器 液压缸 高压油液推动活塞，输出大推力（可达数十吨），用于重型机械（如注塑机合模机构）。
液压马达 将液压能转换为旋转机械能，扭矩大、转速平稳，常见于工程机械行走系统。
03
新知讲解
提升练习
电脑小闹钟、学校打铃系统都是通过 来实现自动控制的。
进一步改进时间提醒器，增加计时和闹钟功能。
预设程序/定时控制
可在时间提醒器中增加 倒计时功能、多组闹钟设定、自定义铃声选择、重复提醒设置（如工作日循环） 等功能。
03
新知讲解
开拓视野
控制系统中的系统时钟
在控制系统中，系统时钟就像一个指挥官，发挥着重要作用。对于特别复杂的控制系统，各个子系统经常要校对自己的系统时钟，这样才能保证大家步调一致，相互准确配合，共同实现系统控制功能。
04
课堂练习
一、选择题
1、下列哪种传感器可用于测量温度？（ ）
A. 压力传感器 B. 光敏传感器 C. 热电偶 D. 超声波传感器
2、以下哪种通信方式属于无线通信？（ ）
RS – 232 B. RS - 485 C. 以太网 D. Wi - Fi
3、PID 控制算法中，“I” 代表的是（ ）
A. 比例 B. 积分 C. 微分 D. 以上都不对
C
D
B
04
课堂练习
4、电动执行器中，用于实现旋转运动控制的常见设备是（ ）
电磁阀 B. 电机 C. 气缸 D. 液压缸
二、判断题
1、传感器的作用是将物理量转换为电信号。
2、设计计算机控制系统时，只需考虑硬件设计，软件设计不重要。
3、蓝牙通信比 Wi - Fi 通信的传输距离更远。
4、系统抗干扰技术中，接地属于软件抗干扰措施。
B
x
√
x
x
05
拓展延伸
如何通过控制信号实现对执行器的精确控制
模拟量控制
原理：控制器输出 0-10V 电压或 4-20mA 电流信号，执行器内部通过运算放大器将电信号转换为电机驱动电压。
精度控制：通过提高 D/A 转换器分辨率（如 16 位 DAC），配合精密电压 / 电流转换电路，实现 0.1% 级控制精度。
案例：伺服电机驱动器接收 PLC 输出的 0-10V 速度给定信号，通过 PID 调节使转速波动≤0.5%。
05
拓展延伸
如何通过控制信号实现对执行器的精确控制
脉冲控制（PWM/SVPWM）：
原理：控制器输出高频脉冲信号（如 10kHz PWM），通过调节占空比控制平均功率，进而控制电机转速或阀门开度。
精度优化：采用硬件 PWM 模块（如 STM32 的高级定时器），配合死区时间设置，减少功率器件开关损耗，提升控制线性度。
案例：3D 打印机的挤出电机通过 20kHz PWM 信号控制转速，定位精度达 0.01mm。
05
拓展延伸
如何通过控制信号实现对执行器的精确控制
电 - 气 / 液转换控制：
原理：控制器输出电信号（如 4-20mA）至电 - 气转换器，将电流信号转换为气压信号（如 0.02-0.1MPa），驱动气动执行器。
精度提升：采用比例阀（而非开关阀），配合压力传感器反馈，构成闭环控制。
案例：注塑机合模力控制中，电液比例阀根据 PLC 输出的电流信号调节液压压力，控制精度 ±1%。
05
拓展延伸
常见干扰源分类及特性
电磁干扰（EMI）：
来源：周边高频设备（如变频器、射频发射器）、电力电子器件开关动作、雷电感应等。
干扰形式：通过空间辐射或导线耦合进入系统，导致信号波形畸变、数据传输错误。
案例：工厂中变频器运行时，附近 PLC 控制器的通信信号常出现丢包现象。
05
拓展延伸
常见干扰源分类及特性
电源干扰：
来源：电网电压波动（如启动大型电机时的电压跌落）、浪涌电流、谐波污染（非线性负载产生）。
干扰形式：造成控制系统电源电压不稳定，导致芯片工作异常、程序跑飞。
案例：居民区电压不稳时，家用智能温控器常出现显示错乱或控制失灵。
05
拓展延伸
抗干扰措施详解
屏蔽技术：
采用金属屏蔽盒包裹控制器，内壁喷涂导电漆；信号线缆使用双层屏蔽电缆，两端可靠接地。
案例：工业现场温度传感器信号线穿金属波纹管，减少电磁辐射干扰。
滤波技术：
电源端加装 EMI 滤波模块（抑制共模 / 差模干扰），信号端根据频率特性设计 RC 或 LC 滤波器。
案例：在开关电源输入端并联 X 电容和 Y 电容，降低高频噪声。
05
拓展延伸
抗干扰措施详解
数字滤波算法：
均值滤波（适用于周期性干扰）：对同一信号连续采样 N 次取平均值；中值滤波（抑制脉冲干扰）：排序后取中间值。
案例：温湿度采集系统中，用滑动平均滤波消除随机抖动。
06
课堂总结
1
引入新知内容
设计简单的计算机控制系统
2
基于时间的控制方式
3
制作时间提醒器模型
4
模拟洗衣机控制过程
5
进行相关知识拓展
1
2
3
4
5
07
板书设计
设计简单的计算机控制系统
1、进行新知引入
2、基于时间的控制方式
3、制作时间提醒器模型
4、模拟洗衣机控制过程
5、进行知识拓展
课后作业。
1、设计温度控制系统的抗干扰方案。
08
课后作业
1、设计一个温度控制系统的抗干扰方案，需说明传感器选型、线缆屏蔽措施、电源滤波电路（画出电路图），并解释接地设计原则。
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