MYP 设计 / 物理计算 · 9 年级

从 USB 到野外系统 — 电池供电的 ESP32 水质监测仪

学生不再局限于 USB 供电的课堂演示，而是搭建具有保护措施、独立供电的嵌入式系统：管理能量、保护元件、调理模拟信号、整合数字与模拟传感器，并采集能够验证的数据，而非仅仅显示读数。

14 节课 × 50 分钟 ESP32-S3LM2596 降压转换器DS18B20EC 传感器浊度传感器万用表
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学习目标

  • 区分电压、电流、电阻、功率与电池容量，并解释为什么电流由负载需求决定，而非电池将其最大电流强行送入每个元件。
  • 使用万用表测量直流电压、电阻与通断。
  • 解释开关、保险丝、降压转换器、上拉电阻和分压器的作用。
  • 在连接敏感电子器件前调节降压转换器。
  • 阅读书面接线表，并有条理地搭建电路。
  • 安装 Arduino 库，读取数字和模拟传感器，并整合传感器代码。
  • 将带时间戳的串口输出格式化为 CSV，并导入电子表格。
  • 设计受控测试，区分精密度、准确度、校准、噪声与异常值。
  • 通过焊接、螺丝端子、热缩管、线缆整理和应力释放措施改进原型。

课程序列

  1. 从 USB 到野外系统 — 比较 USB LED 电路与带保护的野外监测系统，绘制能量流和数据流。
  2. 电学量与万用表 — 测量电压、电阻和通断，理解电压、电流、功率与容量的关系。
  3. 电池安全、开关与保险丝 — 搭建带保护的电池侧电路，并通过首批安全检查关卡。
  4. 降压转换 — 为 LM2596 降压转换器接线并调节，确认输出为 5.00V。
  5. ESP32 独立供电 — 通过 5VIN 为 ESP32 供电，并使用串口监视器确认运行。
  6. 数字温度传感 — 为 DS18B20 接线并编程，解释 OneWire 和上拉电阻。
  7. 电导率与模拟输入 — 读取 EC 原始 ADC 值、电压和估算电导率，比较受控样本。
  8. 浊度与分压器 — 在连接 GPIO2 前搭建并验证 10kΩ/20kΩ 分压器。
  9. 整合三个传感器 — 将电源、接线、库与代码整合为一个可运行的系统。
  10. CSV 与时间戳 — 使用 millis()、固定采样间隔、CSV 表头和电子表格导入。
  11. 受控测试 — 设计并开展公平的水样对比实验。
  12. 可靠性与校准 — 分析波动、噪声、异常值、精密度、准确度与校准的局限。
  13. 永久组装 — 用带标签、绝缘且有应力释放措施的线束替换临时接线。
  14. 演示与评价 — 演示系统，并根据可测量的成功标准进行评价。

评估

全面覆盖 MYP 评估标准：通过系统研究、元件功能与危险分析、设计任务书体现标准 A；通过框图、接线表、带注释的设计和测试计划体现标准 B；通过六个有记录的检查关卡、安全制作、可运行代码与故障排查日志体现标准 C；通过基于标准的重复测试数据、图表、局限分析与改进建议体现标准 D。

单元目的

这是以下项目背后的课堂单元：环境监测船。相同的供电链路、传感器与接线表规范，构成完整的 9 年级 MYP 设计单元。学生最终完成一台电池供电的 ESP32-S3 水质监测仪，亲自搭建、验证和测试，并能用数据说明其性能。

先来试一试： 这个 ESP32-S3 电路沙盒让学生在接触真实硬件前，先在虚拟环境中按同一接线表操作，并完成检查关卡。

MYP 框架

重要概念： 系统 · 相关概念： 功能；资源 · 全球背景： 科学与技术创新

探究说明： 电子系统的可靠性取决于能量如何得到保护和转换、信号如何调理，以及数据在被信任之前如何得到验证。

探究问题 — 事实性：什么是电压、电流、电阻、功率、模拟信号、数字信号、共地与极性？概念性：元件的连接方式如何影响电子系统的可靠性与安全性？辩论性：未经校准的传感器读数是否有用？

最终设计挑战

学生团队搭建并编程实现一台电池供电的 ESP32-S3 水质监测仪，必须满足以下要求：由外部 12V 电源供电；正极线路上包含总开关与保险丝；将电池电压降为经验证的 5.00V；通过 5VIN 和 GND 为 ESP32-S3 供电；测量水温、电导率与浊度；使用电阻分压器保护浊度输入；按规定间隔采样并以 CSV 输出；接线整齐、有标签且具备应力释放措施；对受控水样产生可重复的数据；解释未经校准的环境传感器的局限。

通过检查关卡保障安全

搭建过程设有六个必须通过的检查关卡：断电检查（极性、保险丝、无裸露铜线）；通断检查（电源轨之间无短路）；降压转换器验证（连接 ESP32 前确认 4.9–5.1V）；浊度分压验证（连接 GPIO2 前确认低于 3.3V）；在教师在场时首次通电并逐一添加传感器；最后进行永久接线检查。学生须完成并记录每项检查，才能进入下一阶段。

共地规则

电池负极、降压转换器 IN− 和 OUT−、ESP32 GND，以及每个传感器的 GND，必须共用同一个电气参考点。只有发送端与接收端对“零伏”的含义一致，信号才有意义。

下载内容

完整单元资源包：包含完整接线表和成功标准的单元概述，以及十四份教案和十四份配套学生讲义，涵盖系统建模、万用表技能、电池安全、LM2596 设置、外部供电、DS18B20、EC 电导率、浊度分压器、三传感器整合、CSV 与时间戳、受控水样测试、可靠性与校准、永久组装，以及最终演示。