基于单片机系统的创新设计“模拟呼吸系统”教具

基于单片机系统的创新设计“模拟呼吸系统”教具

袁小玲

广东省中山市港口镇中心小学 528447

摘要：文中基于单片机开发的创新设计“呼吸系统”教具，能够更好地帮助学生观察我们人体吸气和呼气的过程。该教具具有演示生动，现象直观、形象等特点，让学生能直观地观察和感受人体吸气和呼气时肺部的扩张与收缩。运用单片机编程的形式控制和展示这一呼吸过程，激发学生的好奇心，培养学生对科学技术以及物联网的兴趣和爱好，启发学生的创新思维。

关键词：呼吸系统；创新教具；单片机

一、教材存在的不足

“吸气和呼气”的活动是粤教版《科学》三年级下册“我们离不开呼吸”一课中内容。教材的要求是：通过观察，让学生了解人体如何通过呼吸系统与外界的空气进行交换的。本环节的目的让学生观察人体呼吸系统示意图，了解人在呼吸时，空气经过了哪些器官。但在教学实践中发现，教材上的观察活动，存在几个问题：只提供人体呼吸系统示意图，学生从图中只能看出空气从鼻进入，经过咽喉、气管、支气管，最后进入到肺；另外学生在做吸气和呼气的动作时，感受有差异：有些同学说吸气时胸廓会变大，呼气时胸廓会变小，但有些同学却说吸气时胸廓会变小，呼气时胸廓会变大，单凭一幅图，无法证明哪种说法是正确的。

为此，我制作了新型创新教具——模拟呼吸系统装置，并用此创新制作的教具进行了演示，取得了不错的教学效果。

二、创新教具的设计思路

人体吸气：空气由体外→咽→喉→气管→肺，这一过程在kt板上可以用流水灯动态显示出来，控制单片机在相应io口输出不同的逻辑电压，实现LED灯的亮和灭。在图上有关位置放置好发光二极管，通过灯的依次亮灭，模拟空气进入肺的这一过程。

当空气进入肺部，胸腔将会膨胀，在肺部的位置围绕上灯带和塑料薄膜，控制单片机输出不同电压控制灯带的明暗程度以及控制电机旋转使薄膜膨胀，利用呼吸灯的明暗和薄膜的扩张程度，模拟胸腔的扩张现象。

人

实验装置

3. 创新制作教具

1、制作材料

发光二极管（LED）、单片机、电机驱动模块、电阻、瓷片电容、电解电容、按键开关、万用板、塑料薄膜、直流电机、桨叶、电池、杜邦线、kt板、稳压模块。

2、制作方法

设计分为软件和硬件部分。软件部分，要用到的软件是Altium Designer，用它来画电路图（图1），进行电路的设计等等。如果只用一个51或52单片机，最多只能接32个LED。但是通过串并联或者使用多个单片机就能实现多个LED的控制。 画好电路后接下来用keil5来编写程序，首先创建工程，新建一个.c文件加到工程中，再更改编译环境，修改所用晶振的频率及生成.hex文件，用一个简易的最小系统+流水灯进行测试，看是否成功点亮LED。如果成功，则软件部分设计已经基本完成。硬件部分，按照所画电路图在Kt板上进行相应的排版，其面积较大可以用杜邦线进行电路的连接，形状可以根据实际需要进行摆放。然后最重要的部分就是焊接最小系统，最小系统是单片机的基础电路，也是万能电路。焊接结束后，进行程序烧录。程序成功烧录说明电路基本完成了。可以上电进行最后的检测了，如果有LED不亮则要检查电路是否连接错误，LED正负极是否连对。如果都亮则可以通过观察LED的效果对程序进行修改，进而达到最佳的展示效果。

图1

四、创新教具的优点

1、通过灯的依次亮灭，模拟空气进入肺的这一过程。以实物的形式在学生面前展现，脱离教材上箭头表示法。

2、通过控制带有桨叶的电机转动，使薄膜膨胀，薄膜的膨胀程度模拟胸腔吸气的扩张程度，使吸气这个抽象过程更加具体化，让学生能直观地了解和感受人体吸气时肺部的收缩与扩张。

3、运用单片机编程的形式控制和展示这一呼吸过程，激发学生的好奇心，培养学生对科学技术以及物联网的兴趣和爱好，启发学生的创新思维。

参考文献：

1. 郭天祥.新概念51单片机C语言教程—入门、提高、开发、拓展全攻略.北京.电子工业出版社.2018