一、背景與意義：為什么選擇智能窗簾作為高中科技實踐項目？演講人CONTENTS背景與意義：為什么選擇智能窗簾作為高中科技實踐項目？核心原理：智能窗簾的"神經(jīng)-骨骼-肌肉"系統(tǒng)延時1秒（避免頻繁動作）制作全流程：從圖紙到實物的工程實踐總結(jié)與展望：科技實踐的價值遠不止"做一個窗簾"目錄2025高中科技實踐之智能窗簾制作課件序：從生活需求到科技實踐的啟蒙作為一名深耕中學科技教育十年的指導教師，我始終相信：最好的科技啟蒙，始于解決真實生活中的問題。智能窗簾——這個看似普通的家居設(shè)備，實則是融合傳感器技術(shù)、自動控制、機械傳動等多學科知識的優(yōu)質(zhì)實踐載體。它既貼近學生日常（誰沒試過被清晨的陽光"喚醒"或深夜忘關(guān)窗簾的煩惱？），又能系統(tǒng)訓練工程思維、動手能力與創(chuàng)新意識。今天，我們將以"智能窗簾制作"為主題，開啟一場從需求分析到成品落地的完整科技實踐之旅。01背景與意義：為什么選擇智能窗簾作為高中科技實踐項目？1技術(shù)背景：智能家居的"微縮版"智能家居是當前物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的重要應(yīng)用場景，而智能窗簾作為其中的基礎(chǔ)終端設(shè)備，完美呈現(xiàn)了"感知-決策-執(zhí)行"的智能系統(tǒng)核心邏輯。其涉及的關(guān)鍵技術(shù)——傳感器數(shù)據(jù)采集（光照/溫濕度/人體存在）、控制算法設(shè)計（閾值判斷/定時邏輯）、執(zhí)行機構(gòu)驅(qū)動（電機控制）——正是物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的典型架構(gòu)。通過制作智能窗簾，學生能直觀理解"萬物互聯(lián)"的底層原理。2教育價值：跨學科能力的綜合訓練工程思維：從需求分析到原型驗證的完整工程流程體驗；創(chuàng)新意識：從基礎(chǔ)功能（光控開合）到拓展功能（語音控制、多設(shè)備聯(lián)動）的自主設(shè)計空間。知識融合：物理（電機原理、電路設(shè)計）、信息技術(shù)（編程邏輯、傳感器協(xié)議）、機械（傳動結(jié)構(gòu)設(shè)計）的交叉應(yīng)用；問題解決：調(diào)試過程中對"傳感器誤差""電機抖動""程序邏輯漏洞"等實際問題的針對性解決；3實踐可行性：適配高中生的技術(shù)門檻智能窗簾的核心元件（如Arduino開發(fā)板、步進電機、光敏電阻模塊）成本可控（全套約300-500元），操作復雜度適中：軟件：基于Arduino的圖形化/代碼編程，降低入門難度；硬件：無需精密加工，常用3D打印或亞克力板即可完成結(jié)構(gòu)搭建；安全：低壓直流供電（5-12V），無高壓風險。02核心原理：智能窗簾的"神經(jīng)-骨骼-肌肉"系統(tǒng)核心原理：智能窗簾的"神經(jīng)-骨骼-肌肉"系統(tǒng)要制作智能窗簾，首先需理解其系統(tǒng)架構(gòu)。我們可以將其類比為人體：傳感器是"神經(jīng)"（感知環(huán)境），控制模塊是"大腦"（處理信息），執(zhí)行機構(gòu)是"肌肉"（驅(qū)動動作）。1執(zhí)行機構(gòu)：窗簾的"肌肉"——電機與傳動設(shè)計1.1電機類型選擇智能窗簾需實現(xiàn)"正轉(zhuǎn)-停止-反轉(zhuǎn)"的精準控制，常見電機類型對比：|電機類型|優(yōu)點|缺點|適用場景||----------------|-----------------------|-----------------------|------------------------||步進電機|定位精準、低速力矩大|成本較高、需驅(qū)動模塊|對精度要求高的場景||直流減速電機|成本低、驅(qū)動簡單|定位誤差大、低速力矩小|對精度要求低的場景|1執(zhí)行機構(gòu)：窗簾的"肌肉"——電機與傳動設(shè)計1.1電機類型選擇|伺服電機|高精度、響應(yīng)快|成本高、控制復雜|工業(yè)級精密控制場景|實踐建議：高中生項目優(yōu)先選擇28BYJ-48步進電機（配套ULN2003驅(qū)動板），其單步角度5.625（搭配減速比1:64），成本約15元/套，完全滿足窗簾開合的精度需求。1執(zhí)行機構(gòu)：窗簾的"肌肉"——電機與傳動設(shè)計1.2傳動結(jié)構(gòu)設(shè)計窗簾的傳動方式需將電機的旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)化為直線運動，常見方案：同步帶傳動：電機通過同步帶輪帶動同步帶，推動窗簾導軌滑塊（精度高，需定制同步帶）；齒輪齒條傳動：電機輸出軸連接齒輪，與固定在導軌上的齒條嚙合（結(jié)構(gòu)緊湊，需注意齒輪間隙）；鋼絲繩牽引：電機卷繞鋼絲繩拉動窗簾（成本低，需注意鋼絲繩打滑問題）。推薦方案：采用"步進電機+同步帶輪+導軌滑塊"組合，同步帶可選用3D打印或市售MXL型（齒距2.032mm），滑塊可用亞克力板自制，兼顧精度與可實現(xiàn)性。2感知系統(tǒng)：環(huán)境的"神經(jīng)"——傳感器陣列智能窗簾的"智能"源于對環(huán)境的感知，需根據(jù)需求選擇傳感器組合：2感知系統(tǒng)：環(huán)境的"神經(jīng)"——傳感器陣列2.1基礎(chǔ)傳感器（必選）光照傳感器：光敏電阻（成本2元）或BH1750數(shù)字光強傳感器（精度±20%），用于實現(xiàn)"光線過強時關(guān)閉窗簾"的光控功能；限位傳感器：微動開關(guān)或紅外對管，安裝在窗簾軌道兩端，防止電機過度旋轉(zhuǎn)導致機械卡死（關(guān)鍵安全模塊）。2感知系統(tǒng)：環(huán)境的"神經(jīng)"——傳感器陣列2.2拓展傳感器（可選）溫濕度傳感器：DHT11（精度±2℃/±5%RH），可聯(lián)動空調(diào)實現(xiàn)"高溫時關(guān)閉窗簾隔熱"；人體紅外傳感器（PIR）：HC-SR501，檢測室內(nèi)是否有人，實現(xiàn)"無人時自動閉合"；加速度傳感器：MPU6050，監(jiān)測窗簾是否被異常拉動（防盜功能拓展）。3控制中樞：決策的"大腦"——單片機與算法3.1控制模塊選擇數(shù)字/模擬接口充足（至少需4個數(shù)字口控制電機，2個模擬口接傳感器）；配套開發(fā)環(huán)境（ArduinoIDE）支持圖形化編程（適用于初學者）或代碼編程（適合進階）。支持C/C++編程，庫函數(shù)豐富（如Stepper庫控制步進電機）；ArduinoUno（或Nano）是高中生最易上手的選擇：3控制中樞：決策的"大腦"——單片機與算法3.2核心控制邏輯智能窗簾的控制流程可簡化為"數(shù)據(jù)采集→邏輯判斷→執(zhí)行動作"的循環(huán)：01初始化：設(shè)置傳感器閾值（如光強閾值500lux）、電機初始位置02循環(huán)：03讀取光照傳感器值（L）、限位傳感器狀態(tài)（S1/S2）04若S1觸發(fā)（窗簾已全開）：電機停止05若S2觸發(fā)（窗簾已全閉）：電機停止06若L>光強閾值且窗簾未全閉：電機正轉(zhuǎn)（關(guān)閉窗簾）07若L<光強閾值且窗簾未全開：電機反轉(zhuǎn)（打開窗簾）0803延時1秒（避免頻繁動作）04制作全流程：從圖紙到實物的工程實踐1需求分析與方案設(shè)計（第1-2課時）1.1明確功能邊界引導學生通過"需求清單-優(yōu)先級排序"確定核心功能。例如：必選功能：光控自動開合、手動開關(guān)、限位保護；可選功能：定時開合、遠程APP控制、溫濕度聯(lián)動；排除功能：語音控制（需額外模塊，增加復雜度）。1需求分析與方案設(shè)計（第1-2課時）1.2繪制系統(tǒng)框圖以團隊為單位繪制"傳感器-控制模塊-執(zhí)行機構(gòu)"的信號流程圖（示例見圖1），明確各模塊接口（如傳感器輸出是模擬信號/數(shù)字信號，電機需要PWM控制/步進脈沖）。2硬件采購與組裝（第3-5課時）2.1物料清單（BOM）|元件名稱|型號/規(guī)格|數(shù)量|單價（元）|備注||--------------------|--------------------|------|------------|----------------------||Arduino開發(fā)板|ArduinoUnoR3|1|45|兼容國產(chǎn)版||步進電機套裝|28BYJ-48+ULN2003|1|15|含電機、驅(qū)動板、連接線||光敏電阻模塊|模擬輸出型|1|5|帶可調(diào)電位器||限位開關(guān)|微型按鍵開關(guān)|2|2|安裝在軌道兩端|2硬件采購與組裝（第3-5課時）2.1物料清單（BOM）01|窗簾導軌|20cm鋁合金導軌|1|30|可定制或截取|03|電源適配器|5V/2A|1|10|為開發(fā)板和電機供電|02|同步帶輪組|MXL型（20齒）|1|10|配套同步帶|04|亞克力板|3mm厚度|若干|按面積計算|用于制作滑塊、支架|2硬件采購與組裝（第3-5課時）2.2機械結(jié)構(gòu)搭建導軌安裝：將鋁合金導軌固定在實驗板（或墻面模型）上，確保水平；1滑塊制作：用亞克力板切割出與導軌匹配的滑塊，鉆孔安裝同步帶固定夾；2電機固定：設(shè)計3D打印支架（或用亞克力板自制），將步進電機固定在導軌一端，確保同步帶輪與導軌平行；3同步帶連接：將同步帶繞過電機輪和導軌另一端的從動輪，調(diào)整張緊度（以手指輕壓同步帶能下陷2-3mm為宜）。42硬件采購與組裝（第3-5課時）2.3電路連接按照圖2（電路原理圖）完成接線：驅(qū)動板（ULN2003）：IN1-IN4接Arduino數(shù)字口8-11；光敏模塊：AO接ArduinoA0，VCC接5V，GND接GND；限位開關(guān)：一端接5V，另一端接Arduino數(shù)字口2（S1）和3（S2），并在Arduino端接10KΩ下拉電阻（防誤觸發(fā)）；電源：Arduino通過MicroUSB供電，電機驅(qū)動板單獨接5V/2A電源（與Arduino共地）。3軟件編程與調(diào)試（第6-8課時）3.1基礎(chǔ)程序編寫使用ArduinoIDE編寫核心控制程序（關(guān)鍵代碼段示例）：#include<Stepper.h>//定義步進電機參數(shù)（28BYJ-48步距角5.625，64步/圈，總步數(shù)=64*64=4096步/圈）constintstepsPerRevolution=4096;SteppermyStepper(stepsPerRevolution,8,10,9,11);//IN1=8,IN3=10,IN2=9,IN4=11（注意線序?。?/定義傳感器引腳constintlightSensor=A0;3軟件編程與調(diào)試（第6-8課時）3.1基礎(chǔ)程序編寫constintlimitSwitchOpen=2;//全開限位（窗簾完全打開時觸發(fā)）1constintlimitSwitchClose=3;//全閉限位（窗簾完全關(guān)閉時觸發(fā)）2//定義光強閾值（需根據(jù)實際環(huán)境校準）3constintlightThreshold=600;4voidsetup(){5pinMode(limitSwitchOpen,INPUT_PULLUP);//啟用內(nèi)部上拉電阻6pinMode(limitSwitchClose,INPUT_PULLUP);73軟件編程與調(diào)試（第6-8課時）3.1基礎(chǔ)程序編寫myStepper.setSpeed(5);//電機轉(zhuǎn)速（RPM）Serial.begin(9600);}voidloop(){intlightValue=analogRead(lightSensor);boolisOpen=digitalRead(limitSwitchOpen)==LOW;//開關(guān)按下時為LOWboolisClosed=digitalRead(limitSwitchClose)==LOW;3軟件編程與調(diào)試（第6-8課時）3.1基礎(chǔ)程序編寫Serial.print("光強值：");Serial.print("，是否全開：");Serial.print(isOpen);Serial.print("，是否全閉：");Serial.println(isClosed);if(isOpen){myStepper.step(0);//停止}elseif(isClosed){myStepper.step(0);Serial.print(lightValue);3軟件編程與調(diào)試（第6-8課時）3.1基礎(chǔ)程序編寫}elseif(lightValue>lightThreshold){myStepper.step(-10);//正轉(zhuǎn)（關(guān)閉窗簾，步長可調(diào)整）}else{myStepper.step(10);//反轉(zhuǎn)（打開窗簾）}delay(1000);//每秒檢測一次}3軟件編程與調(diào)試（第6-8課時）3.2調(diào)試技巧與常見問題STEP4STEP3STEP2STEP1電機不轉(zhuǎn)：檢查驅(qū)動板電源（需5V/2A）、電機線序（Stepper庫對IN口順序敏感，可能需調(diào)換線序）；限位開關(guān)誤觸發(fā)：確認是否啟用上拉/下拉電阻（代碼中使用INPUT_PULLUP時，開關(guān)應(yīng)接引腳與GND）；光控不靈敏：在不同光照條件下測量光敏電阻值，重新校準閾值（如白天閾值設(shè)為800，夜晚設(shè)為300）；電機抖動：降低轉(zhuǎn)速（setSpeed(3)）或檢查同步帶張緊度（過松會導致丟步）。4功能拓展與優(yōu)化（第9-10課時）在基礎(chǔ)功能穩(wěn)定后，可引導學生進行創(chuàng)新性拓展：01定時控制：添加DS3231實時時鐘模塊，設(shè)置"早7點打開、晚18點關(guān)閉"的定時任務(wù)；02遠程控制：通過ESP8266模塊連接Wi-Fi，使用Blynk平臺開發(fā)手機APP，實現(xiàn)遠程開關(guān)；03多傳感器聯(lián)