Teknik · Årskurs 7 · Styrning och reglering · Vårtermin

Introduktion till styrsystem

Eleverna får en översikt över vad styrsystem är och var de används i vardagen.

• Skolverket Kursplaner
• Lgr22: Teknik - Åk 7-9 - Principer för styrning och reglering
• Lgr22: Teknik - Åk 7-9 - Tekniska system i vardagen

Om detta ämne

Sensorer är teknikens sinnen. De gör det möjligt för maskiner att känna av ljus, temperatur, avstånd och beröring. I detta ämne utforskar vi hur fysiska händelser i omvärlden omvandlas till elektriska signaler som en dator kan förstå. Enligt Lgr22 ska eleverna lära sig om komponenter för styrning och reglering samt tekniska lösningar som utnyttjar elektronik.

Vi undersöker hur sensorer används i allt från automatiska dörrar till smartphones och robotar. Genom att förstå hur indata samlas in får eleverna en grund för att skapa egna smarta system. Aktivt lärande genom att experimentera med olika sensorer och se hur de reagerar på olika stimuli gör att eleverna snabbt förstår sambandet mellan den fysiska och den digitala världen. Det är här tekniken börjar 'leva'.

Nyckelfrågor

1. Förklara hur ett enkelt styrsystem fungerar i en vardaglig apparat.
2. Jämför manuell styrning med automatisk styrning.
3. Analysera fördelarna med automatiserade styrsystem i olika sammanhang.

Lärandemål

• Förklara hur en värmepump omvandlar lågvärdig värme till hög- eller medelvärdig värme med hjälp av en kompressor.
• Jämföra funktionen hos en termostat i en manuellt styrd ugn med en automatisk styrd ugn.
• Analysera hur sensorer i en automatisk tvättmaskin bidrar till att optimera tvättprogrammet.
• Identifiera minst tre olika typer av styrsystem i en modern bil och beskriva deras grundläggande funktion.

Innan du börjar

Grundläggande elektronik och komponenter

Varför: Eleverna behöver en grundläggande förståelse för vad en elektrisk krets är och hur enkla komponenter som lampor och motorer fungerar.

Introduktion till programmering

Varför: För att förstå hur styrsystem fattar beslut är det bra om eleverna har viss kännedom om grundläggande programmeringskoncept som villkor (om-så).

Nyckelbegrepp

Styrsystem	En samling komponenter som tillsammans övervakar och styr en process eller en maskin för att uppnå ett önskat resultat.
Sensor	En enhet som känner av förändringar i sin omgivning, som temperatur eller ljus, och omvandlar dessa till en elektrisk signal.
Aktuator	En komponent som tar emot en signal från styrsystemet och utför en fysisk handling, till exempel att öppna en ventil eller starta en motor.
Reglering	Processen att upprätthålla ett önskat tillstånd genom att kontinuerligt mäta och justera systemets utgång.

Se upp för dessa missuppfattningar

Vanlig missuppfattning

Att en sensor 'ser' precis som ett mänskligt öga.

Vad man ska lära ut istället

Förklara att de flesta sensorer bara mäter ett specifikt värde, som ljusstyrka eller avstånd. De har ingen intelligens i sig själva. Genom att låta eleverna testa sensorernas begränsningar (t.ex. att en ultraljudssensor har svårt med mjuka material) blir detta tydligt.

Vanlig missuppfattning

Att sensorer alltid är dyra och komplicerade.

Vad man ska lära ut istället

Visa att många sensorer är enkla komponenter som kostar några kronor. Genom att bygga egna enkla kontakter av aluminiumfolie ser eleverna att principen för indata kan vara väldigt enkel.

Idéer för aktivt lärande

Utforskande cirkel: Sensor-safari

Eleverna går runt i skolan eller närområdet och letar efter dolda sensorer. De dokumenterar vad sensorn känner av (ljus, rörelse, värme) och vad som händer när den aktiveras, och presenterar sina fynd i ett flödesschema.

45 min·Smågrupper

Simuleringsövning: Den mänskliga sensorn

En elev har ögonbindel och ska navigera genom en hinderbana med hjälp av en 'sensor-kompis' som bara får ge korta signaler (t.ex. ett pip för nära, två pip för fritt). Detta illustrerar hur en robot använder sensorer för att förstå sin omgivning.

30 min·Par

Stationsundervisning: Prova på sensorer

Eleverna roterar mellan stationer med olika elektroniska sensorer (t.ex. ultraljud, ljussensor, knapp). De ska lista ut vad som krävs för att få högsta respektive lägsta mätvärde från varje sensor.

40 min·Smågrupper

Kopplingar till Verkligheten

• I ett modernt kök styr styrsystemet många apparater. Kylskåpet använder en termostat och sensorer för att hålla rätt temperatur, medan en mikrovågsugn använder en timer och effektreglering för att värma maten.
• Bilindustrin använder avancerade styrsystem för allt från motorstyrning och bromssystem (ABS) till farthållare och klimatanläggningar. Dessa system ökar säkerheten och komforten för föraren.
• I ett växthus används styrsystem för att automatiskt reglera temperatur, luftfuktighet och bevattning. Sensorer mäter förhållandena och styr sedan värmesystem, fläktar och bevattningssystem för att skapa optimala förhållanden för växterna.

Bedömningsidéer

Utgångsbiljett

Be eleverna rita ett enkelt styrsystem för en vardaglig apparat (t.ex. en brödrost). De ska märka ut minst en sensor, en styrenhet (kan vara en enkel krets eller processor) och en aktuator. De ska också skriva en mening som beskriver hur systemet fungerar.

Snabbkontroll

Ställ följande frågor till klassen: 'Vad är skillnaden mellan en sensor och en aktuator?' och 'Ge ett exempel på ett styrsystem där du själv styr apparaten manuellt, och ett där styrningen är automatisk.'

Diskussionsfråga

Visa en bild eller en kort filmsekvens av en automatisk dörröppnare. Fråga eleverna: 'Vilka sensorer tror ni finns i den här dörren och vad mäter de? Vilken aktuator används för att öppna dörren? Vilka fördelar finns med att dörren är automatisk istället för manuell?'

Vanliga frågor

Vilka är de vanligaste sensorerna i en smartphone?

En modern mobil har ofta accelerometer (känner rörelse), gyroskop (känner vridning), ljussensor (justerar skärmstyrka), närhetssensor (släcker skärmen vid samtal), GPS och mikrofon. Alla dessa ger indata till telefonens operativsystem.

Hur kan man använda aktivt lärande för att förklara sensorer?

Genom att låta eleverna själva agera sensorer i ett system. Att fysiskt simulera hur en signal skickas från en 'sensor-elev' till en 'processor-elev' när ett visst villkor uppfylls gör det osynliga flödet av elektricitet och data begripligt och minnesvärt.

Vad är skillnaden mellan en analog och en digital sensor?

En digital sensor ger bara två svar (t.ex. knapp tryckt eller ej tryckt), medan en analog sensor kan mäta en skala (t.ex. hur ljust det är från 0 till 100). Valet av sensor beror på vad man vill att systemet ska kunna göra.

Hur fungerar en ultraljudssensor?

Den fungerar som en fladdermus: den skickar ut ett ljud som vi inte kan höra, väntar på att det ska studsa mot ett föremål och komma tillbaka, och räknar sedan ut avståndet baserat på hur lång tid det tog. Det är ett perfekt exempel på hur teknik hämtar inspiration från naturen.