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旋律所为
05月29日

掌控板课程设计大赛-指南针

【掌控未来制造营】

课程名称:掌控指南针

教师姓名:旋律

年级:初三及以上的学生。

课时安排:1课时,每课时60分钟。

一、学生分析:

初中三年级的学生在数学课上已经学习了简单的三角函数,了解正弦、余弦的含义,会做简单的三角函数计算,对于平面坐标系也有了较完整的认识。基于这个数学前提,我们可以利用新的2.0版掌控板由制作一个电子指南针。

二、教学目标:

 知识与技能

1. 掌握OLED屏的使用和编程;

2. 学习数据转文本的编程方式;

3. 学习三角函数sin与cos;

4. 掌握角度与坐标的计算方式;

5. 学习指南针的原理;

 过程与方法

1. 通过让学生观察图像,利用数形结合的方法,思考角度与坐标的关系;

2. 使用屏幕,将角度值打印在屏幕上;

3. 项目设计中实现多学科交叉融合。

 情感态度与价值观

1. 培养学生发现问题、解决问题的能力;

2. 培养学生自主探究学习能力、动手实践能力。

三、重难点:

 教学重点

1. 显示在屏幕上的数据需要进行数据类型转换;

2. 指南针的指向与磁极和地理南北极的关系;

3. 利用磁力计完成指南针的制作。

 教学难点

1. 角度与坐标的数学关系。

四、课前准备:

 硬件

掌控板2.0。

 软件

mpython:

https://steamaker.oss-cn-shenzhen.aliyuncs.com/autoUpdate/mpython-pro/mPython%20Setup%200.3.10.exe

五、教学过程:

1. 时间管理

本课程共分为两个部分,共45分钟。前半段:项目引入、OLED的使用,数据类型的介绍,三角函数sin与cos的介绍。后半段:推导指南针角度与坐标的关系,编程在屏幕上画出指针。

2. 课程导入

(1) 指南针


指南针,古代叫司南,主要组成部分是一根装在轴上的磁针,磁针在天然地磁场的作用下可以自由转动并保持在磁子午线的切线方向上,磁针的南极指向地理南极(磁场北极),利用这一性能可以辨别方向。在生活中或是电视里大家有没有用过指南针呢?有没有观察过指针的方向呢?

(2) 原理:

地球是一个大磁体。地球的两个极分别在接近地理南极和地理北极的地方。地球表面的磁体,当可以自由转动时,就会因磁体同性相斥、异性相吸的性质指示南北——这个道理,古人不够明白;但这类现象,古人已经发现。

(3) 三角函数




3. 获取新知识

(1) 数据类型转换


转换原理:如图所示,angle是一个小数,我们只关心整数部分,不需要精确到小数点后面,所以可以做一个数据类型的转换,先将其从小数类型转换为整数类型,后续还要将其显示在屏幕上,因此还要在转为文本数据,才能正常显示。

(2) OLED使用


作用:清空显示屏所有信息。



作用:在屏幕上绘制(擦除)空心(实心)圆


作用:在屏幕上确定三点绘制空心或者实心三角形。


作用:使所有屏幕指令生效,方可正常显示在屏幕上

4. 程序实现(mpython)

项目目标:利用掌控板2.0自带的地磁传感器MMC5983MA获取指南针指针的方向角度,并计算出相应的线段两端点的坐标,根据坐标在oled屏幕上绘制出指针指向。

(1) 初始化相关设置(oled清屏)以及(绘制出指南针的圆盘)。


(2) 在绘制指针的时候先将地磁传感器MMC5983MA的数据读出保存在相关变量中,并将其显示在屏幕上。显示前需将读出的角度值转换为整数,再将其转换为文本信息。


(3) 在绘制指针的时候,随着掌控板的移动,角度也在随时变换,所以每绘制一次需要做一次清屏,擦除上一次的线段进行重绘。


(4) 绘制指针:我们想要绘制一个菱形指针,拆解开就是两个对称的三角形,因此只需绘制一个,根据数学关系就可绘制出另一个三角形。三个点确定一个三角形,因为圆盘圆心设置在点(64,32)。在圆盘上的点需要我们根据传感器的角度值进行计算,坐标与角度的关系为x1=rsinθ,y2=rcosθ(θ为传感器返回的角度,r为圆的半径)。求得的数值可能为小数,我们取其整数部分,最后计算所得的坐标点是相对于圆心在(0,0)点的圆而言的,我们的圆心设置在点(64,32),所以求得的x2,y2需要做一定的偏移。横坐标+64,纵坐标+32,同理利用三角函数,x2=asin(90+θ),y2=acos(90+θ),在根据中心对称得到x3 = -asin(90+θ), y3 = -acos(90+θ),然后再进行坐标平移即可。另一个三角形,根据中心对称得到。


(5) 由于外界磁场的一些噪声,角度值会不断的变化,并不是一个稳定的值,需要不断的刷新屏幕重新绘制。所以使用循环结构来做这样一件事


5. 实验评价

调整移动掌控板方向,将所作的电子指南针的结果与精确度更高的手机传感器测得的结果进行比较,并纪录数据结果。


观察通数据表,思考为什么会有误差?

6. 演示视频


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