第十四课 火焰报警灭火模型实验

火焰报警灭火模型实验

作者：陈杰

教学目标

知识与技能：

1.    使用火焰传感器、蜂鸣器、红色LED、微型自吸直流小水泵制作火焰报警灭火系统模型。

2.    掌握如何电机驱动板与水泵正确的物理连线。

3.    使用电机驱动板的驱动水泵进行工作。

过程与方法：

1．  创意制作，正确连接物理电路，制作模型。

2．  测试程序，查看实验结果。

情感态度价值观：

    构建实际模型，联系生活普及应用。

教学重点：

了解并掌握电机驱动板的结构及电气特性，了解其IO口，为灭火装置的提供动力驱动模块。

教学难点：

正确叠加Arduino主控板与电机驱动板，使用其IO口完成系统功能。

实验器材：

Arduino主控板、L298P电机驱动板、微型自吸直流小水泵、火焰传感器、蜂鸣器、红色LED、220欧电阻、10K欧电阻、面包板、导线若干、Arduino Ide 1.04

【教学过程】

1.情景引入

上一课我们已经给大家介绍了火焰声光报警模型，但是在上节课我们留给同学们一个问题：虽然火焰报警模型通过声音、光线提示报警，但并没有对火源产生任何影响，请同学们考虑，如果检测到火源我们可以采取什么措施呢？

生1：发现火源后，可以用风来吹灭。

生2：发现火源后，可以用水来浇灭。

……

师：同学们讲的都很好，方法有很多，那么这节课呢，我给大家来介绍用水泵喷洒来灭火。下图就是一台直流自吸式水泵

图1

本课所需器材为：Arduino主控板、L298P电机驱动板、微型自吸直流小水泵、火焰传感器、蜂鸣器、红色LED、220欧电阻、10K欧电阻、面包板、导线若干

设计意图：案例引入，器材准备。

2.新知讲授

对于今天的模型中所使用到的器材，只有水泵和电机驱动板是新东西，其他的器件都和上节课完全一样，这里不在重复介绍。先来看看电机驱动板吧

（1.）认识L298P电机驱动板

本次实验中所使用的电机驱动板型号为：ocrobot motor shield 是基于arduino motor shield设计的增强版本的电机驱动，在兼容原版的基础上，重新设计了所有电路，光电隔离了与arduino通讯的所有的数字IO，电机板采用独立供电，GND分离技术，充分保证了在大负载，大功率下，急刹车，瞬时正反转等恶劣电磁环境下的arduino稳定性。其相关电气指标如下所示。

最大输入电压：24V

最小驱动电压：3V

推荐驱动电压范围：5v-12v

最大电流：2A

可靠工作电压（无辅助散热）：12V

可靠工作电流（无辅助散热）：1A

特点：六路光耦信号隔离，与Arduino控制器无GND连接，整版全隔离，独立电源系统。

图2使用注意：使用电机驱动应保证电机驱动板与arduino控制板电源完全独立，使用两块电池或者两个独立的电源，保证其电气隔离性。整体设计保留原版的IO口位置设计，兼容性得到保证，一样的堆叠设计，可以简单的插入arduino板上使用使用非常方便，只要将电机与电源依照下表标示，接入系统。下表为IO口的控制功能，如果使用电机时还会接驳其他设备应避免占用以下IO口。

功能	电机A	电机B
方向	D12	D13
速度（PWM）	D3	D11
制动（刹车）	D9	D8

从上表我们可以知道驱动一枚电机需要有三个参数，首先就是方向，对应IO口的高电平为一个方向，低电平为反方向，然后就是速度这个使用PWM的方式控制，给予其不同的占空比会获得对应的速度，最后是刹车，刹车的意思就是是否将电机的两极短接，短接两极后电机旋转会有非常大的阻尼，能量由续流二极管吸收，进而起到制动的作用，所以，要想电机转，这个IO口应该是低电平。 （2.）认识微型自吸直流小水泵这个水泵说白了就是个直流电机，通过特定的泵头，实现抽取水箱的水，进行喷洒的功能。图中有红色圆点提示的一端是正极，另外一端是负极，可不要接反了，否则你的水泵就是不是从水箱抽水来喷洒了。

（3.）连接线路

此次实验由于使用到了电机驱动板，所以在连线之前需要进行板卡叠加，将电机驱动板叠加在主控板之上。如下图所示，由于本次主控板是老板，所以出现了2根引脚不能紧密结合的情况，不过不影响使用。

实验的电路中蜂鸣器、红色LED、火焰传感器的连接大家上课已经学习过了，这里不再重复，主要讲下电机与电机驱动板的连接，将水泵电机的正负引脚分别通过杜邦线与电机驱动板的电机A或B的正负极相连。电机驱动板的VCC、GND分别接电源的正负极。

图3设计意图：介绍Arduino物理电路连接，为后面正确实验效果奠定基础。 （5.）烧录程序程序代码如下：
int g;//定义发量g
void buzzer()//蜂鸣器发出“嘀”声音子程序
{ for(g=0;g<80;g++)
{ digitalWrite(11,HIGH);//发声音
delay(1);//延时1ms
digitalWrite(11,LOW);//不发声音
delay(1);//延时ms
}
}
void setup()
{ pinMode(10,OUTPUT);//设置数字10、11引脚为输出方式
pinMode(11,OUTPUT);
}
void loop()
{
char i,j,k;//定义发量
i=analogRead(4);//读取没有火焰时模拟口的电压值
while(1) {
j=analogRead(4);//不断读取模拟口的电压值，时时监测
k=j-i;//做差值
if(k>123)//如果差值大于0.6（0.6为模拟值，123为对应的数字二进制值）说明有火焰
{ buzzer();//蜂鸣器发出声音
digitalWrite(10,HIGH); //设置数字10口为高电平，红灯亮
  digitalWrite(9,LOW);       //松开电机A的制动
  digitalWrite(3,HIGH);      //采用全功率输出
  digitalWrite(12,HIGH);     //设置方向为正向
}
else
{ digitalWrite(11,LOW);//设置数字11口为低电平，蜂鸣器不响
digitalWrite(10,LOW); //设置数字11口为低电平，红灯灭
digitalWrite(9, HIGH);       //松开电机A的制动
  digitalWrite(3,LOW);      //采用全功率输出
  digitalWrite(12,LOW);     //设置方向为正向
}
}
}将上述代码复制到IDE窗口中，先编译，如果无误后，再上传烧录至控制板中。完成后可以测试实验结果。 三.课堂练习师：1.水泵的电机反接，看看效果是什么样的？为什么？。2.将灭火的水泵换成，吹风的风扇，比较一下那个灭火装置效率更高？ 四．学习总结   本课主要学习了电机驱动板的结构和电气特性。以及如何利用电机驱动板驱动自吸式水泵。并利用上节课所制作的火焰报警装置，检测到火源，进行灭火的动作。 五、课后反馈本课教学后出现的问题还是比较多的具体如下：1.       学生在使用的LED、蜂鸣器等电器元件的数字IO占用了电机驱动的IO2.       火焰传感器的连线错误（老错误）。3.       电机驱动板没有提供单独供电或电源接线接反。4.       水泵连线接反，没有起到抽水灭火的效果。综上所述错误原因分析：对于电机驱动板和水泵新设备熟练程度不够，需加强练习。  。