新型液位控制系统教学演示装置的开发研究

丛 敏 陈 磊

（1.福建教育学院理科研修部，福建 福州 350025；2.福州第十五中学，福建 福州 350015）

“控制”这一概念出现在普通高中通用技术学科必修二《技术与设计二》的教材中，属于教学重难点，因其专业性较强，教师在课堂教学中很难通过语言表达清楚，常常要借助于一些教学方法，如案例分析、教学演示等。基于《普通高中通用技术课程标准（2017 年版2020 年修订）》中对“控制及其设计”一单元的要求，学生需要理解控制及控制系统的含义，能通过案例分析来了解手动控制与自动控制的特点，在熟悉了简单的控制系统后，在此基础上进行简易的控制系统装置的设计与搭建。［1］基于此，笔者通过长期教学实践，设计了一种新型液位控制系统教学演示装置（以下简称“演示装置”），在教学中由教师用该装置演示给学生看，可以帮助学生更直观的理解控制过程的不同，以及“人”在控制系统中所起的作用，为学习简单控制系统的设计打下良好的基础。

一、演示装置的基本组成及功能

本新型液位控制系统教学演示装置，可以实现人工注水、循环定时注水以及全自动恒定液位注水过程的演示，使学生能够更直观地了解控制过程。

本演示装置主要包括储水箱、演示箱、电控箱以及控制将储水箱内的水输送到演示箱内的控制组件。其中，控制组件包括手动进水单元、定时进水单元以及全自动进水单元。装置设计简图如图1 所示。

其中，图1 中的部件1 为储水箱，通过输水管路（部件502）与演示箱（部件2）连通，输水管路上设有与控制组件电连接的输送泵（部件6）。部件323 为测距仪，设置在演示箱的顶部。演示箱的底部还开有排水口（部件504），所述排水口的出水端与储水箱的开口对应设置。部件1 和部件2 的顶部开有溢流口（部件503），溢流口通过输水管与储水箱连通。

图1 新型液位控制系统教学演示装置结构图

部件3 为内部设有控制器的电控箱，控制器与输送泵电连接，电控箱上设有手动进水单元、定时进水单元以及全自动进水单元。其中手动进水单元包括分别与控制器电连接的手动进水模式选择按钮（部件301）和手动进水模式控制按钮（部件302）。定时进水单元包括用于控制输送泵启动的定时进水模式控制按钮（部件311），以及用于控制输送泵间歇工作的循环时间继电器（部件312），两者均与控制器电连接。全自动进水单元包括用于控制输送泵启动的全自动进水模式控制按钮（部件321）、用于设定目标水位的调节旋钮（部件322）以及用于实时监测演示箱内水位的超声波测距仪（部件323），三者均与控制器电连接。电控箱上还设有用于显示当前工作状态和演示箱内液位的显示屏（部件331）。

二、演示装置的工作原理与操作流程

为了解决现有控制系统演示教具存在的功能单一的问题，本演示装置提供设在低位的储水箱1、设在高位的与储水箱1 连通的演示箱2 以及将储水箱1内的水输送到演示箱2 内的控制箱3，控制箱3 中的控制组件包括手动进水单元、定时进水单元以及全自动进水单元。这三个单元实现了可在同一控制系统演示教具中的手动控制、自动控制及智能控制的多功能问题。

（一）硬件部分的工作原理与操作流程

在本演示装置中，如图1 所示，为了实现储水箱1位于低位，演示箱2 位于高位，可以将储水箱1 放置在地面上，而将演示箱2 放置在置物架4 上。其中，演示箱2 的顶部开有注水口，注水口上设有注水管501，储水箱1 的底部设有输送泵6，输送泵6 的出水端连通有输水管路502，输水管路502 的顶端与注水管501 连接以将储水箱1 与演示箱2 连通，这样可以将储水箱1 内的水输送到演示箱2 内。为了防止演示箱2 内的水满溢流，演示箱2 的顶部开有溢流口，溢流口上连通有溢流管503，溢流管503 的底端延伸到储水箱1 内以将溢出的水引导至储水箱1 内；演示箱2 的底部还开有排水口，排水口上设有带阀门的排水管504，排水管504 的出水端与储水箱1 的开口对应设置，可以通过排水管504 演示演示箱2 内水的消耗。

控制组件为内部设有控制器的电控箱3，控制器为Arduino UNO R3 控制板，且控制器与输送泵6 电连接以控制输送泵动作；为了提高控制系统工作的稳定性，电控箱3 采用强弱电分离设计；电控箱3 上设有手动进水单元、定时进水单元以及全自动进水单元以对多种控制模式进行模拟。

其中，手动进水单元包括分别与控制器电连接的手动进水模式选择按钮301 和手动进水模式控制按钮302；当进行手动进水模式演示时，按下手动进水模式控制按钮302，控制器接收到信号后控制启动输送泵6 进行水流输送；释放手动进水模式控制按钮302，控制器接收到信号后关闭输送泵6，停止水流输送。

定时进水单元包括用于控制输送泵6 启动的定时进水模式控制按钮311，以及用于控制输送6 泵间歇工作的时间继电器312，时间继电器312 为循环时间继电器，定时进水模式控制按钮311、时间继电器312 均与控制器电连接；当进行定时进水模式演示时，先在时间继电器312 上设定输送泵6 工作时间和输送泵6 停止时间，然后按压定时进水模式控制按钮311，控制器接收到信号后启动输送泵6 进行水流输送，当时间继电器312 上设定的工作时间结束后，输送泵6 则停止工作，停止时间为时间继电器6 上设定的停止时间，当停止时间结束后，输送泵6 又重新开始工作，如此循环进行水流的输送。

全自动进水单元包括用于控制输送泵6 启动的全自动进水模式控制按钮321、用于设定目标水位的调节旋钮322 以及用于实时监测演示箱内水位的测距仪323，全自动进水模式控制按钮321、调节旋钮322 以及测距仪323 均与控制器电连接；当进行全自动进水模式演示时，先按压全自动进水模式控制按钮321，然后通过调节旋钮322 调节目标水位，控制器接收到信号后控制输送泵6 进行水流输送并保持演示箱2 内的水位恒定。

（二）电路部分的工作原理与操作流程

本演示装置电路部分的工作原理是：如图2 所示，220V 交流电通过S-25-12 开关电源降压整流为12V 直流电，并为Arduino UNO R3 控制板、DH48S-S时间继电器312 和MB-102 电源模块供电。MB-102电源模块将12V 直流电降压到5V，为12864LCD 显示屏331、HC-SR04 超声波模块（即测距仪323）和2 路继电器模块供电，HC-SR04 超声波模块将液位信号传递给Arduino UNO R3 控制板，并通过12864LCD 显示屏331 实时显示当前液位。

图2 演示装置电路图

当压触S1（手动进水模式选择按钮301）时，LED1 亮起，LED2、LED3 熄灭，Arduino UNO R3 控制板控制电路工作状态为手动进水模式，12864LCD 显示屏显示“手动进水模式”和当前液位。此时若接通S4（即手动进水模式控制按钮302），Arduino UNO R3控制板控制2 路继电器模块中的第1 路吸合导通，输送泵6 工作，LED4（即指示灯332）亮起。此时若断开S4，Arduino UNO R3 控制板控制2 路继电器模块中的第1 路断开，输送泵6 停止工作，LED4 熄灭。

当压触S2（即定时进水模式控制按钮311）时，LED2 亮起，LED1、LED3 熄灭，Arduino UNO R3 控制板控制电路工作状态为定时进水模式，12864LCD 显示屏331 显示“定时进水模式”和当前液位。Arduino UNO R3 控制板同时还控制2 路继电器模块中的第2路吸合导通，DH48S-S 时间继电器312 工作。DH48S-S 时间继电器312 根据设定的时间控制2 路继电器模块中的第1 路导通或断开状态，从而控制输送泵6 工作与否，以及LED4 的亮灭。

当压触S3（即全自动进水模式控制按钮321）时，LED3 亮起，LED1、LED2 熄灭，Arduino UNO R3 控制板控制电路工作状态为全自动进水模式，12864LCD显示屏331 显示“全自动进水模式”、目标水位和当前液位。Arduino UNO R3 控制板同时还根据目标水位和当前水位的关系来控制2 路继电器模块中的第1路导通或断开状态，从而控制输送泵6 工作与否，以及LED4 的亮灭。

三、教学应用及建议

控制概念在通用技术学科教学中一直都是疑难杂症。随着一轮又一轮的教学，许多一线教师在讲授这个知识点时，教学方法越来越多，逐渐由原来的教学视频展示到现在的教学用具演示，演示所用的教具也由购买的教学用具到自行开发的教学用具。［2］教师在授课中用自己开发的教具时讲解的会更透彻更有说服力，也更能提高学生动手的积极性。文中的装置，就是在此过程中应运而生的，也获得了相关专利，在教学中效果良好。

对于本演示装置在教学中如何应用，笔者提一些自己在课堂中的尝试，以期对学科教学有所帮助。笔者在普通高中通用技术必修二《技术与设计二》的第四单元中的第四部分“控制系统的设计与实施”中应用本演示装置，具体过程为：通过问题设计，让学生观察并对比该演示装置在人工控制、自动控制情况下的优缺点，来总结哪种控制比较容易设计，容易设计的控制是否更适用等。整个观察的过程，教师均站在引导者而不是授课者的位置，教师的功能只是引导学生由现有问题到观察装置、再由观察装置到发现问题的一个循环。［3］

本演示装置的创新点在于：采用了Arduino UNO R3 控制板作为整个装置的控制器、采用了超声波测距模块测量水箱液位，解决了原来测试水位传感器与液体接触容易损坏的问题，解决了水箱水满溢出带来的问题，提高了控制系统的整体稳定性。通过这样一个过程的锻炼，不仅培养了学生的技术意识和工程思维，对学生下一步设计自己的控制系统也起到了很好的启发作用。