STEM教育 · 用行空板做一个微波炉模型

【创意起源】

2022年信息科技新课标中提及：学生在生活场景中能见到大量的具有过程与控制系统的设备。以学生能够理解的身边的例子为载体，让相关思维方式具体地显现在其中。例如，家用微波炉给食物加热的过程可以抽象为：输入指令，设定加热挡位与加热时间，控制电路接收输入指令，计算后生成相应的工作指令……因此本作品制作是为了演示控制系统，便于学生理解控制系统模型。

【作品展示】

【使用的库】

本控制系统程序中使用了的库如下所示

序号	名称	作用
1	time	时间模块
2	unihiker	行空板内置库，对于屏幕显示和控制，在unihiker库中基于tkinter库封装了一个GUI类，对于方便麦克风和usb喇叭的使用，在unihiker库中封装了一个Audio类。
3	pinpong	pinpong库由于支持众多的主控板及开源硬件，因此分成了3个包，board、extension和libs，board包中放置主板支持的功能及常用库，extension为定制类主控，libs中放置其他传感器的扩展库。

【功能简介】

微波炉控制系统模型，应该具备以下功能：

（1）虚拟触摸面板：通过触摸面板进行微波炉控制系统的操控。

（2）设定档位时间：通过触摸面板设置微波炉的工作档位和工作时间。

（3）继电器原理演示：继电器是弱电控制强电设备的常见器件，展示其工作过程。

【相关器材】

序号	名称	数量
1	行空板	1
2	继电器（透明盒盖）	1
3	RGB灯带	1
4	电机+电机转换模块	1
5	M3螺丝	1
6	松木板、亚格利板	若干

表1器材列表

【编程环境】

（1）连接设备：行空板可以有多种方法连接方式，USB线、路由器、Wi-Fi、热点模式。我们今天在这里推荐使用USB线连接行空板与电脑。这种方式IP地址固定且网络稳定。使用时行空板会虚拟为一个RNDIS网卡设备，此时板子IP地址固定为10.1.2.3，输入板子的IP即可开始编程。

（2）编程环境：行空板编程方式也有多种，我们这里使用的是Jupyter编程方式。连接行空板到电脑，开机完成后打开浏览器，输入IP地址10.1.2.3即可打开主页菜单。选择应用开关，在Jupyter应用中查看运行状态，如果是未运行，则先点击启动服务，等待状态变为正在运行后，点击打开页面可以打开Jupyter后台页面。同理，也需要将SIoT服务启动。

（3）Jupyter打开后，点击New > Python 3（ipykernel）即可创建一个jupyter项目。

（4）输入代码后，点击“运行”即可查看结果。

【电路连线】

本次作品除了行空板外，还使用了RGB灯带、继电器、电机，其中RGB灯带用来模拟档位控制，分别以不同颜色代表不同的档位（红色—3档，蓝色—2档，绿色—1档），其接线在24口；继电器用来模拟控制磁控管，其接线在21口；电机用来带动转盘转动，其接线在23口上。

【编写程序】

本作品中我们将行空板的屏幕作为控制系统的输入操控界面，因此需要通过编程定义标题文字、边框、填充、按钮、数字文字等各类控件，具体工作如下所示。

<font size="4">（1）导入相关库
import time
from pinpong.board import Board,Pin,Servo,NeoPixel
from pinpong.extension.unihiker import *
from unihiker import GUI   #导入包</font>
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<font size="4">（2）UI界面及档位、时间变量设计，其中UI界面中使用了标题文字、边框、填充、按钮、数字文字等各类控件，具体设置如
gui=GUI()  #实例化GUI类
v=0                 #定义为微波炉档位
t=0                 #定义为微波炉时间</font>
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<font size="4">#标题
info_text = gui.draw_text(x=120, y=50, text='微波炉控制系统',origin='bottom',font_size=20,)

#+-按钮
but1=gui.add_button(x=210, y=90, w=30, h=30, text="+", origin='bottom', onclick=but1_on_click)
but2=gui.add_button(x=210, y=150, w=30, h=30, text="-", origin='bottom', onclick=but2_on_click)
but3=gui.add_button(x=210, y=205, w=30, h=30, text="+", origin='bottom', onclick=but3_on_click)
but4=gui.add_button(x=210, y=262, w=30, h=30, text="-", origin='bottom', onclick=but4_on_click)</font>
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<font size="4">NEOPIXEL_PIN = Pin.P24
PIXELS_NUM = 7 #灯数
Board("UNIHIKER").begin()  #初始化，选择板型，不输入板型则进行自动识别
np = NeoPixel(Pin(NEOPIXEL_PIN), PIXELS_NUM)
noc = Pin(Pin.P21, Pin.OUT) #继电器引脚初始化为输出
mot =Pin(Pin.P23,Pin.OUT) #电机引脚初始化输出
while True:
    but5=gui.add_button(x=120, y=310, w=100, h=30, text="开始", origin='bottom', onclick=but5_onclick)  
time.sleep(0.5)      </font>
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【设计结构】

为了实现模拟微波炉箱体，我们在LaserMaker中设计了一个盒体结构。该结构中包含了一个隔板，隔板将微波炉分为两部分，一部分电路控制区，一部分模拟加热区，具体结构设计如下所示。