RB07 滑杆电位器和模数转换

课程概述

• 课程名称：见标题
• 课程时长：40 分钟 × 2
• 课程内容：利用滑杆开关学习电位器的使用
• 学生群体：3~6 年级

本课内容参考来源：
1. 课件 1.0 初级 1，第 09 课 
2. 酌情增删调整

教学目标

考察点

• 能说出模拟量和数字量的特点和区别
• 能使用滑杆控制灯的明暗
• 能说出什么是字符串
• 能生成字符串并输出

知识与技能

• 电阻
• 分压电路
• 电位器
• 模拟信号和数字信号
• 信号的获取
• 字符串

情感价值和学科交叉

（略）

难点和注意事项

模拟信号和数字信号两个概念对于小学生来说可能比较难解释。不强求每个人都明白。 可以简单说明数字信号的代表为 1、0，模拟信号代表为连续曲线，二者之间无法直接识别，需要进行转换。转换的过程称为“模数转换”。

教学准备

• 按教学准备基础要求进行准备
• 其它准备工作：（I2C 模块）

课堂教学活动

暖场（10分钟）

活跃气氛，复习上节课内容，引入本节课主题

• 复习开关控制
• 复习流水灯

课堂讲解：滑杆电位器和模数转换 （70分钟）

教学提纲：

• 前篇
  • 模拟信号和数字信号
  • 分压电路和电位器；
  • 滑杆开关的基本原理；
  • 任务一：获取滑杆数据并输出调试信息
• 后篇
  • 任务二：用滑杆控制小灯亮度
  • 任务三：用滑杆控制流水灯
  • 扩展任务：用滑杆控制亮度变化的流水灯

授课内容：详见下文“讲义”部分。

讲义(完整授课内容和补充知识)

模拟信号和数字信号

• 模拟信号【Analog Signal】

定义：在时间上与数值上都连续的信号。

模拟信号波形如下。最常见的模拟信号波形就是正弦波。

• 数字信号【Digital Signal】

定义：在时间上和数值上不连续的（即离散的）信号

数字信号波形如下所示：

• 数字电路：对数字信号进行传输、处理的电子线路称为数字电路。

数字电路跟模拟电路相比在对于信号的传输、存储、处理方面有很大优势。

• 二值数字逻辑【Binary Digital Logic】

数字信号在时间上和数值上都是离散的，常用数字0和1来表示，这里的0和1不是十进制数中的数字，而是逻辑0和逻辑1，故称之为二值数字逻辑或简称数字逻辑。

• 逻辑电平【Logic level】

二值数字逻辑的两种状态在电路上可以用电子器件的开关特性（即开通和关断）来实现，于是就形成离散信号或数字电压。这些数字电压通常用逻辑电平来表示。

例如：

• 模拟量的数字表示

数字量优于模拟量之处是：数字量更便于存储、分析和传输。因此常将模拟信号转换为数字信号，通过模数转换器（即A/D转换器：【Analog/Digital Converter】）来实现。有时还需将数字信号还原为模拟信号，可通过数模转换器（即D/A转换器：【Digital/Analog Converter】 ）来实现。

滑杆的原理和使用

滑杆的原理：

滑杆连线示意：

注意我们需要安装一个模数转换器才能正确读取模拟量。

任务一：获取滑杆数据并输出调试信息

我们用“从 ADS 获取模拟信号”来取得滑杆的模拟信号经过转换的数字量。

然后，通过字符串组合积木来输出可读性更好的调试信息。

任务二：用滑杆控制小灯的明暗

将电位换算为 PWM 的公式：

$$ \frac{滑杆位置}{最大位置} * PWM最大值 $$

由于系统限制，我们在换算过程中需要先转换为小数。因为电位始终会是小数，系统会被自动转换为整数也就是 0，所以我们在计算过程中，需要强制将中间数值转换为小数进行计算。改写一下公式：

$$ (\frac{滑杆位置 * PWM最大值 → 小数}{最大位置}) → 整数 $$

这里，最大电位为 32767，最大 PWM 为 3000。有了这个公式，我们就可以按公式来组合计算积木，见程序中的高亮部分。

将读取到的结果和计算后的 PWM 输出到调试窗口，为了使调试信息更容易分辨，我们使用字符串组合积木来构建调试信息。注意符号“\t”的作用。

既然有了 PWM，用PWM 通过 GPIO 控制小灯亮度就很简单了。

任务三：通过滑杆控制流水灯

• 读取滑杆位置
• 根据滑杆区间位置控制小灯

滑杆数值是连续变化的，如果要控制四盏小灯，我们先给它分段。最大值 32000 多一些，方便起见，我们就按 32000 / 4 每段 8000。当滑杆推至最小时关闭所有小灯，处于容错的目的，数值小于 10 则认为已经推至最小。

以下我们按照最初流水灯实现的方式来用滑杆控制灯亮的时机：

然后我们发现，正向推动滑杆灯会依次亮起来，但是往回推的时候有的灯没有熄灭？这是为什么，先想一想？

原因是往回推时没有熄灭“上一盏”灯。增加一点代码，每次亮灯时都关闭前后的灯即可。同学们可以自己先试试。

下面是示例代码，为了在程序结束时关闭所有灯，增加了一个函数。

扩展任务：用滑杆控制亮度渐变的流水灯

该练习同学们自行完成。

课件

根据本教学计划和讲义，以及具体授课对象编写。

文件名应为：

RB07-滑杆电位器和模数转换.pptx