電子控制技術(shù)

概述

本模塊是普通高中通用技術(shù)課程的一個選修模塊。

本模塊的教學(xué)應(yīng)緊緊圍繞技術(shù)課程的目標(biāo)展開，著眼于培養(yǎng)學(xué)生的實踐能力和創(chuàng)新精神、提高學(xué)生的技術(shù)素養(yǎng)。教學(xué)內(nèi)容的選擇要注重基礎(chǔ)性、綜合性、人文性，努力反映電子技術(shù)的新成果。教學(xué)過程強(qiáng)調(diào)基于提高生活質(zhì)量、基于問題解決、與學(xué)生日常生活密切相關(guān)、有利于培養(yǎng)學(xué)生興趣的教學(xué)設(shè)計。鼓勵設(shè)計方案的多樣性，注重引導(dǎo)學(xué)生在電子技術(shù)基本技能形成的同時領(lǐng)悟出電子技術(shù)設(shè)計的思想方法、注重提高學(xué)生在電子技術(shù)學(xué)習(xí)中的探究、試驗、創(chuàng)造和共通能力，使學(xué)生成為電子技術(shù)學(xué)習(xí)的主體，更好地面對當(dāng)今技術(shù)社會的挑戰(zhàn)。

本模塊的教學(xué)應(yīng)反映必修模塊“技術(shù)與設(shè)計1”和“技術(shù)與設(shè)計2”中技術(shù)設(shè)計的思想方法。

本模塊分設(shè)傳感器、數(shù)字電路、電磁繼電器、和電子控制系統(tǒng)及其應(yīng)用四個主題。模塊-主題結(jié)構(gòu)如下圖。

電子控制技術(shù)

數(shù)字電路

電磁繼電器

電子控制系統(tǒng)

及其應(yīng)用

傳感器

前面三個主題分別闡述了電子控制系統(tǒng)的三個主要組成部分，重點是各部分的作用、原理和應(yīng)用，第四個主題是將前面三個主題組合成一個控制系統(tǒng)，通過應(yīng)用性設(shè)計，對“技術(shù)與設(shè)計1”、“技術(shù)與設(shè)計2”的內(nèi)容進(jìn)行應(yīng)用、綜合和拓展遷移。本模塊的重點是在電子控制系統(tǒng)及其應(yīng)用上。

模塊內(nèi)容通過對日常生活、工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、軍事武器的典型案例的分析，使學(xué)生建立起系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和電子控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的完整概念，明確傳感器、數(shù)字電路和電磁繼電器作為電子控制系統(tǒng)的三個主要環(huán)節(jié)的作用，了解電子控制系統(tǒng)設(shè)計的一般過程、應(yīng)遵循的基本原則。通過親歷設(shè)計過程，使學(xué)生理解電子技術(shù)、親近電子技術(shù)?？赡苡幸恍W(xué)生缺乏電子技術(shù)的基礎(chǔ)知識，建議教師在教學(xué)時補(bǔ)充電阻、電容、電感、三極管、放大器等知識和常用電子測量儀器如多用電表、示波器的使用方法。

模塊的四個主題，建立電子控制系統(tǒng)的完整結(jié)構(gòu)概念是前提，傳感器、數(shù)字電路、電磁傳感器掌握運用是基礎(chǔ)，電子控制系統(tǒng)的綜合應(yīng)用是載體，通過電子技術(shù)的操作方法和試驗方法的掌握，領(lǐng)悟技術(shù)與設(shè)計的思想方法，提高學(xué)生探究問題的能力，促進(jìn)所學(xué)知識與能力的遷移。

第一節(jié)傳感器

一、內(nèi)容結(jié)構(gòu)圖:

常見傳感器的種類、型號

常見傳感器的電路圖形符號

認(rèn)識傳感器

傳感器

常見傳感器的檢測

常見傳感器的作用

傳感器應(yīng)用

常見傳感器典型應(yīng)用

二、知識點列表

學(xué)習(xí)結(jié)果（知識點）

指標(biāo)（當(dāng)學(xué)生獲得這種學(xué)習(xí)結(jié)果時，他們能夠：）

表現(xiàn)水平

常見傳感器的種類、型號

·能從外形和標(biāo)識上識別光敏傳感器、熱敏傳感器、濕敏傳感器、聲敏傳感器、力敏傳感器、氣敏傳感器等常見傳感器

Ⅱ

常見傳感器的電路圖形

·熟悉光敏傳感器、熱敏傳感器、濕敏傳感器、聲敏傳感器、力敏傳感器、氣敏傳感器等常見傳感器的電路圖形符號

Ⅰ

常見傳感器的檢測

·能用多用電表檢測光敏傳感器、熱敏傳感器、濕敏傳感器、聲敏傳感器、力敏傳感器等常見傳感器的特性并判斷好壞

Ⅱ

常見傳感器的作用

·知道光敏傳感器、熱敏傳感器、濕敏傳感器、聲敏傳感器、力敏傳感器、氣敏傳感器等常見傳感器的物理信息采集和電信號轉(zhuǎn)換原理和作用

Ⅰ

常見傳感器典型應(yīng)用

·舉例說明光敏傳感器、熱敏傳感器、濕敏傳感器、聲敏傳感器、力敏傳感器、氣敏傳感器等常見傳感器在自動控制系統(tǒng)中的應(yīng)用

Ⅰ

三、重難點分析

（一）重點分析

常見傳感器的作用

傳感器象人體的感覺器官一樣能感受到外界物理信息的變化，它能將非電量的物理信息轉(zhuǎn)換成與之有確定關(guān)系的電信號，輸送給控制電路進(jìn)行處理。在電子控制系統(tǒng)中，傳感器是能夠采集外界物理信息的唯一元器件，是實現(xiàn)自動檢測和自動控制的首要環(huán)節(jié)。

傳感器種類繁多，常見的電阻式傳感器是將被測量，如光、溫度、濕度、力、氣體濃度等物理量轉(zhuǎn)換式成電阻值（間接轉(zhuǎn)換成電流、電壓信號）這樣的一種器件。主要有光敏、熱敏、濕敏、壓敏、氣敏等電阻式傳感器件。光敏二極管和光敏三極管對紅外線敏感，可在紅外遙控電子控制系統(tǒng)中應(yīng)用。

常見傳感器的應(yīng)用

技術(shù)課程的學(xué)習(xí)要從學(xué)生的生活經(jīng)驗出發(fā)，了解傳感器在日常生活、生產(chǎn)、軍事、環(huán)境監(jiān)測方面的應(yīng)用，可以培養(yǎng)學(xué)生學(xué)習(xí)電子控制技術(shù)的興趣，可以引導(dǎo)學(xué)生對電子控制技術(shù)的人文因素的感悟和理解。

（二）難點分析

從外形和標(biāo)識上認(rèn)識傳感器

從外形和標(biāo)識上區(qū)別不同的常見傳感器是其應(yīng)用的基礎(chǔ)，而傳感器種類繁多、外形各異，認(rèn)識它們，對初學(xué)者有較大難度。

常見傳感器的檢測

通過用多用電表檢測常見傳感器的電氣特性，使學(xué)生加深對傳感器原理的感性認(rèn)識，激發(fā)探究欲望，能比較、判斷傳感器的好壞及引腳極性，正確使用傳感器，這是一個是試驗、探究的過程，是理論和實踐的結(jié)合，是學(xué)生技術(shù)素養(yǎng)的一個觀察點。

常見傳感器的檢測涉及到對常見傳感器結(jié)構(gòu)、原理、特性的了解和有關(guān)電子測量儀器的使用，而且不同的傳感器有不同的檢測方法，所以是傳感器教學(xué)中的一個難點。

四、教學(xué)建議

教師在教學(xué)中不要介紹傳感器的工作原理，重點要放在如何讓學(xué)生定性了解傳感器上。因此，教學(xué)中穿插學(xué)生動手實驗和教師課堂實物演示就顯的特別重要。

如何上好這部分教學(xué)內(nèi)容，建議把握好以下4個教學(xué)內(nèi)容。

1、了解常見傳感器的型號命名方法：

（1）對于敏感型電阻式傳感器，其型號一般由四部分組成，第一部分是字母“M”表示敏感型元件，第二部分字母表示敏感類別（都是拼音的第一個字母），如：“Z”表示正溫度系數(shù)熱敏電阻、“F”表示負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻、“Y”表示壓敏電阻、“S”表示濕敏電阻、“Q”表示濕敏電阻、“G”表示光敏電阻、“C”表示磁敏電阻、“L”表示力敏電阻，后面兩個部分表示用途和序號。例如：MF41是普通旁熱式負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻，MG42是可見光敏電阻，MSC-1是陶瓷濕敏電阻,等等。

（2）對于非電阻式傳感器，就要查閱有關(guān)手冊，如光敏二極管常用型號是2CUXX,管殼上有一個光照窗口、一個正極性標(biāo)志點，使用時注意兩個電極的正負(fù)極；光敏三極管常用型號是3DUXX，使用時要注意集電極C和發(fā)射極E的區(qū)別。

2、定性認(rèn)識常見傳感器

教師可以先介紹一兩個常見傳感器將不同的物理信息轉(zhuǎn)換成電信號的最簡單原理和外形結(jié)構(gòu)，教學(xué)中重點是定性介紹常見的傳感器如光敏傳感器、熱敏傳感器、磁敏傳感器、聲敏傳感器、氣敏傳感器等的功能作用。

比如，教師可以先介紹電阻型敏感器，其物理信息直接轉(zhuǎn)換的電信號是電阻值的變化；如熱敏電阻，正溫度系數(shù)熱敏電阻是以鈦酸鋇為主和微量鍶、鈦、鋁等化合物配制成電阻體材料，其電阻值隨溫度的升高而升高；負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻是以錳、鎳、銅等的化合物為原料，按一定比例混合用陶瓷工藝制成，其電阻值隨溫度的升高而降低。

對于非電阻型敏感器，如光敏二極管由硅材料構(gòu)成PN結(jié)，具有單向?qū)щ娦?，工作在反向電壓下，管芯受到光照時，半導(dǎo)體材料原子結(jié)構(gòu)中最外層的電子被激發(fā)出來，形成反向電流，且隨光強(qiáng)度增大而增大，所以光敏二極管是將光信息直接轉(zhuǎn)換為電流信號。

例：認(rèn)識常見傳感器件

老師：給學(xué)生看光敏傳感器、熱敏傳感器、聲敏傳感器、氣敏傳感器的實物，同時也展示磁敏傳感器、力傳感器和位移傳感器的照片，并介紹各個傳感器的名稱。

老師舉實物自問自答：為什么稱光敏傳感器。因為它能收集光的信息，并把它轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘枴?/p>

老師舉實物問：為什么稱熱敏傳感器。

學(xué)生回答：因為它能收集熱信息，并把它轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘枴?/p>

老師：它能收集溫度信息，并把它轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?。溫度是反映物體熱度的物理量。

學(xué)生：老師為什么氣敏傳感器引腳這么多，而熱敏傳感只有兩個引腳。

老師：目前對天然氣（液化氣）敏感的傳感器，技術(shù)上還需要4個引腳其中兩個引腳需要外接輔助電源。這樣氣敏傳感器才能收集液化氣的信息并把它轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘枴ｋS著技術(shù)的發(fā)展，會有一天氣敏傳感器的引腳與光敏傳感器的引腳一樣只有兩個引腳。

3、使學(xué)生直觀認(rèn)識傳感器的作用

傳感器獲得外界的輸入信息并通過它將非電量信息轉(zhuǎn)換成電信號輸出，其內(nèi)部工作原理是復(fù)雜的。課標(biāo)只要求學(xué)生知道傳感器的作用及其應(yīng)用。因此教學(xué)設(shè)計要精選簡單易行的實物演示實驗，讓學(xué)生直觀地認(rèn)識傳感器的作用。通過二三個不同傳感器的演示實驗引出一個結(jié)論----各種傳感器的作用都是一樣的，將非電量信息轉(zhuǎn)換成電信號輸出，不同的是它們敏感的非電量信息不同，有的是光、有的是聲、有的是溫度……。

例：傳感器的作用

老師實驗前準(zhǔn)備：光敏電阻一只、熱敏傳感器一只、電吹風(fēng)一把、指針式萬用表一架、電池組、電阻一個.

老師上課演示，同學(xué)觀察。置萬用表于R×1K檔,表筆分別接入光敏電阻的兩個引腳，察萬用表指示的電阻值約為1千歐；用手遮蓋光敏電阻的受光表面，觀察萬用表指示的電阻值為30千歐，即光敏電阻無光照時電阻值增大，有光照時電阻值減小。用電吹風(fēng)對光敏電阻加熱，對著光敏電阻叫喊，光敏電阻的電阻值都不發(fā)生變化，說明光敏電阻僅拾取光信息。

置萬用表于R×1K檔，表筆分別接入熱敏電阻的兩個引腳，觀察萬用表指示的電阻值為2千歐姆，用電吹風(fēng)產(chǎn)生熱風(fēng)吹熱敏電阻，熱敏電阻溫度上升的同時觀察萬用表指示的電阻值漸漸增大，即熱敏電阻隨著溫度的升高，電阻值增大，用手遮蓋熱敏電阻，使它不受光，觀察萬用表熱敏電阻的電阻值不發(fā)生變化，說明熱敏電阻僅拾取溫度的信息。

如檢測光敏二極管可用光照法，多用電表選R×1K電阻檔，用黑表筆（表內(nèi)電池正極）接光敏二極管負(fù)極，紅表筆接正極，用手遮住光敏二極管光照窗口，此時電阻接近無窮大；然后，讓光線照射光敏二極管，電阻會大幅度減小，可以直觀光敏二極管的特性、可以判斷光敏二極管的敏感性和好壞。光敏二極管還和普通二極管一樣具有單向?qū)щ娮饔?，其正向電阻?～9KΩ，反向電阻大于5MΩ。

老師做實驗小結(jié)：不同的傳感器可以用來收集不同的信息，將信息變化轉(zhuǎn)換為電阻值變化的信號的這類傳感器稱為電阻類傳感器。還有許多傳感器也是電阻類傳感器，如：濕敏傳感器、力敏傳感器、聲敏傳感器、磁敏傳感器。對于阻類傳感器，在要求不高的場合，它們的好壞可以用多用表測量，它的電阻值隨外界信息變化而變化的情況來判斷，若它們的阻值隨外界信息變化而變化，則是好的，否則為不良的。不良的傳感器是不能用的。

老師：如何將電阻類傳感器電阻隨外界信息變化而變化變換為輸出電信號隨外界信息變化而變化呢？

觀察一個實驗如圖9.1所示。它由一個電阻R、一個光敏電阻RG和一個3伏電池組組成。V是電壓表用來測量輸出電壓。

圖9.1電阻性傳感器檢測電路

用手遮蓋光敏傳感器輸出電壓隨光敏傳感器受光面的光強(qiáng)度而變化。

老師：這個實驗電路告訴我們一個事實，電阻性傳感器在應(yīng)用時要并接由E（電源）和R（電阻）相串聯(lián)組成的轉(zhuǎn)換電路。該轉(zhuǎn)換電路能使電阻類傳感器電阻隨外界信息變化而變化，變換為傳感器輸出電信號隨外界信息變化而變化。

這樣光敏傳感器經(jīng)轉(zhuǎn)換電路變換后就能將光信息變換為電信號。經(jīng)過后續(xù)章節(jié)的學(xué)習(xí)可以了解到如何對該電信號進(jìn)行處理，然后輸出執(zhí)行電路。如用光敏電阻實現(xiàn)對街上路燈的自動控制。它的控制過程為：天暗了，光敏傳感器將光信息變換為電信號，送處理電路處理后，輸出控制電壓送執(zhí)行電路。執(zhí)行電路接通路燈開關(guān)，路燈點亮，反之，路燈電源被切斷。

4、學(xué)生動手實驗，加深對傳感器的應(yīng)用了解。

為了使學(xué)生能定性認(rèn)識傳感器的功能和作用，加深學(xué)生對傳感器的了解，在教學(xué)設(shè)計中，可考慮安排學(xué)生一次動手實驗，學(xué)生可以幾個人一組。實驗的目的是認(rèn)識常見的傳感器，能用多用表檢測傳感器，知道傳感器的作用及其應(yīng)用。教師在選擇實驗電路時要盡可能考慮電路簡單、操作容易、突出學(xué)生對傳感器在應(yīng)用性方面的認(rèn)識，使學(xué)生知道傳感器的作用在與收集信息；知道不同類別的傳感器能夠把不同類別的信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?；知道生活中常見的自動控制系統(tǒng)需使用什么類別的傳感器。

例：

老師：實驗教學(xué)資源準(zhǔn)備。（微調(diào)電位器、光敏傳感器、濕敏傳感器、三極管、發(fā)光二極管電阻、多用表、電池組、調(diào)光臺燈、噴霧器、照度計、濕度計、聲強(qiáng)儀等）

實驗電路：

圖９.2傳感器試驗電路

老師：圖９.2是一個信號處理電路（控制器）和執(zhí)行器組成的一個報警實驗電路，報警時，發(fā)光二極管V1亮，圖中V2主要功能是信號處理，V1是執(zhí)行器（執(zhí)行器也可以是繼電器或蜂鳴器等），R1是限流電阻，限制V1亮?xí)r的最大電流，通常R取200Ω，V1亮?xí)r的流過V1的電流約為10mA。R2也為限流電阻，防止因傳感器接錯，電源直接燒毀三極管的BE結(jié)。圖中，a、b兩點用于連接傳感器。當(dāng)a、b兩點接熱敏電阻時，該電路的功能為濕度報警器，a、b兩點接光敏傳感電阻時，該電路的功能為照度報警器；當(dāng)a、b兩點接聲傳感器時，該電路的功能為噪聲報警器……。

下面以a、b兩點接光敏傳感器為例介紹照度報警器電路工作原理。

光照強(qiáng)度大時，光敏傳感器的電阻小，根據(jù)分壓原理，電源E在RP的上的分壓值大，適當(dāng)調(diào)整RP的電阻值，使在b、G兩點間的電壓為0.7V。三極管V2因Vbe=0.7V飽和而導(dǎo)通。電源經(jīng)電阻R1，發(fā)光二極管V1、三極管V2的C、E極構(gòu)成了回路，電流流過發(fā)光二極管V1，發(fā)光二極管被點亮——照度報警，說明當(dāng)前照度太強(qiáng)了。

老師：當(dāng)光照度弱時，光敏傳感器的等效電阻值變得很大（幾十千歐或上百千歐），電源E在RP上幾乎沒有什么分壓值，三極管V2的Vbe值幾乎為零，三極管截止，沒有電流流過三極管C、E極，發(fā)光二極管V1不亮，說明當(dāng)前光照度沒有超過“警戒線”。

老師：同學(xué)們想一想，上述電路中，微調(diào)電位器Rp的與電源E組成一個轉(zhuǎn)換電路，光敏傳感器經(jīng)轉(zhuǎn)換電路變換后，就能將光信息變換微電信號輸出。調(diào)整RP的目的是改變在確定的照度條件下，轉(zhuǎn)換電路輸出的電壓，即報警照度為“警戒線”。

老師：同學(xué)們討論一下怎樣調(diào)整照度報警器?

學(xué)生：討論，回答（略）

老師：小結(jié)，實驗步驟

用照度計將臺燈的光強(qiáng)度調(diào)到100ＬＸ（報警照度）

在實驗板上接入光敏傳感器，

接通電源開關(guān)Ｋ

調(diào)整微調(diào)電位器RP，使發(fā)光二極管亮。

用多用表直流電壓檔確認(rèn)，ＶBE之間的電壓０.７Ｖ

關(guān)閉臺燈，發(fā)光二極管不亮。用多用表直流電壓檔確認(rèn)ＶBE之間電壓小于０.７Ｖ

老師：實驗步驟５和６中用電壓表測量ＶBE的電壓這個操作可以省略。為什么要求大家做呢？因為RP的端電壓值很重要，它是流過光敏傳感器的電流流過RP產(chǎn)生的電壓降。該電壓可以理解為光敏傳感器的輸出電壓，該電壓是否０.７Ｖ決定信號處理管是導(dǎo)通還是截止，即發(fā)光二極管是亮還是暗。當(dāng)ＶBE為０.７Ｖ時，三極管時導(dǎo)通，當(dāng)ＶBE<０.４Ｖ時，三極管時截止的。

老師：下面分小組做實驗。一組做一種傳感器實驗。同學(xué)們在做實驗的同時要發(fā)揮團(tuán)隊精神，同時思考下面二個問題：

想一想，在日常生活中，見過什么電子產(chǎn)品用過你做過實驗的傳感器

報警器的功能有什么地方不滿意，提出建設(shè)性意見

實驗結(jié)束前每一個小組派代表回答上述問題

學(xué)生：實驗開始（略）

學(xué)生：小組代表發(fā)言。同學(xué)們爭論（略）

老師：最后作實驗小結(jié)（略）

《常見傳感器的檢測》教學(xué)設(shè)計

教學(xué)內(nèi)容分析：

本節(jié)課主要通過對磁敏、聲敏的定性檢測和對光敏、熱敏傳感器的定量檢測，使同學(xué)們對傳感器有一個感性認(rèn)識，初步掌握傳感器的檢測方法，了解傳感器將物理量轉(zhuǎn)換為電量的特性，為使用傳感器進(jìn)行電子控制系統(tǒng)的設(shè)計奠定基礎(chǔ)。根據(jù)日常生活中常見電器使用傳感器的情況，選用光敏、聲敏（用于夜晚樓道聲響照明燈的開關(guān)）、熱敏（自動開水壺）、磁敏（門開防盜報警）這4種傳感器，檢測方法設(shè)計為2種：

1、使用多用電表的歐姆檔，通過測量傳感器在外界物理量變化時的電阻值變化規(guī)律，并作好數(shù)據(jù)記錄；

2、使用QXD－2型傳感器性能實驗儀，進(jìn)行傳感器功能的演示實驗，該儀器在感受到傳感器輸入信號時，可控制發(fā)出四種音樂聲，以及進(jìn)行燈光閃爍和繼電器控制。

二、教學(xué)對象分析：

雖然傳感器在日常生活中應(yīng)用廣泛，但學(xué)生缺乏自己動手搭接傳感器電路的實際技術(shù)體驗，因此對傳感器對物理量感受和轉(zhuǎn)換作用并不理解，因此使用多用電表和演示儀器進(jìn)行實驗，可增加實驗的趣味性，調(diào)動學(xué)生的探究欲望。

本課教學(xué)要求學(xué)生學(xué)會使用多用電表測量傳感器的電阻隨環(huán)境物理量的變化情況。學(xué)生對多用電表的使用熟練程度不一，可分組合作、互相學(xué)習(xí)，完成檢測任務(wù)。

三、教學(xué)目標(biāo)及分析

1、了解常見傳感器的檢測方法；能夠根據(jù)檢測信息對幾種傳感器進(jìn)行特性分析。學(xué)會使用多用電表檢測光敏電阻、正、負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻、磁敏傳感器；

2、經(jīng)歷傳感器檢測的一般過程，從系統(tǒng)、信息、控制的角度分析傳感器的作用，從傳感器檢測儀的控制功能領(lǐng)悟“黑箱”原理；

3、培養(yǎng)學(xué)生養(yǎng)成嚴(yán)謹(jǐn)細(xì)致的技術(shù)學(xué)習(xí)習(xí)慣（如不要將溫度計折斷、不要被開水燙了等）；樹立安全用電意識和遵守安全操作規(guī)程的習(xí)慣。注重學(xué)生觀察能力、運用知識解決問題能力的培養(yǎng)，領(lǐng)悟技術(shù)試驗的一般思想方法。

教學(xué)重點：學(xué)會認(rèn)識、檢測幾種常見的傳感器。

教學(xué)難點：對測量數(shù)據(jù)的分析歸納。

四、教學(xué)策略及媒體的運用

1、教師先搜集各種生活中傳感器應(yīng)用和各種傳感器對照的圖片資料，擴(kuò)大學(xué)生的知識面；

2、將檢測流程簡單、現(xiàn)象明顯的光敏電阻的檢測安排在開始，集中觀察，然后由學(xué)生應(yīng)用類似方法設(shè)計其它幾種傳感器的檢測；

3、各小組根據(jù)測量數(shù)據(jù)進(jìn)行討論、推選代表發(fā)言歸納。

五、教學(xué)準(zhǔn)備

多種傳感器1袋/組，多用電表1塊/組、傳感器功能演示儀1臺/組

溫度傳感器特性測試試驗儀器：小電熱棒1個、溫度計1根、大玻璃杯1個

光敏傳感器特性測試試驗儀器：調(diào)光臺燈1盞、照度計1臺

六、教學(xué)過程

過程

教師活動

學(xué)生活動及預(yù)期目標(biāo)

設(shè)計思路

多媒體展示

用圖片展示各種生活中傳感器應(yīng)用事例和各種傳感器

學(xué)生識別、舉例生活中接觸到的傳感器，識別傳感器的名稱、符號和作用

培養(yǎng)學(xué)生對傳感器的興趣

多用電表檢測

1、演示用多用電表測量傳感器的電阻或通斷情況，并記錄數(shù)據(jù)；

2、提示學(xué)生改變傳感器接收物理信息的強(qiáng)度；注意特別注意溫度傳感器在常溫和100C0時的阻值，注意測量光敏電阻的暗電阻；

3、歸納舉例。

1、分組討論、確定檢測方法、分組操作；

2、加熱水杯，將熱敏傳感器置水中，測量并記錄其阻值隨溫度變化情況；

3、將調(diào)臺燈照射光敏傳感器，觀察記錄其阻值變化隨照度變化的情況；

3、交流、討論、歸納傳感器的特性

運用基本方法解決問題，歸納檢測步驟

儀器演示

1、介紹傳感器功能演示儀器的使用；

2、介紹“黑箱”理論。

3、組織學(xué)生演示說明結(jié)論。

1、在演示儀上接插不同的傳感器，觀察現(xiàn)象；

2、領(lǐng)悟“黑箱”理論；

3、分析試驗現(xiàn)象，歸納

按“黑箱”理論設(shè)計的路

總結(jié)整理

1、總結(jié)幾種傳感器的特性和檢測方法；

2、介紹檢測傳感器的特性和檢測方法

畫出電阻值隨環(huán)境物理量變化的規(guī)律曲線，核對檢測報告并歸納整理

培養(yǎng)學(xué)生技術(shù)學(xué)習(xí)的良好

1、溫度傳感器檢測實驗：

多用電表置R×100電阻檔，兩個表筆分別接熱敏電阻的兩個引腳，將熱敏電阻放入水杯，溫度計測得起始加熱時的水溫為25C，此時多用電表測得熱敏電阻（型號：TTC103）的阻值是5KΩ；用電熱棒加溫，隨著水溫不斷上升，熱敏電阻隨之下降（負(fù)溫度系數(shù)），當(dāng)水溫達(dá)到100C0時，熱敏電阻的阻值是500Ω。

學(xué)生可選擇10個不同溫度作為觀測點，測出熱敏電阻的10個不同電阻值，列出表格并畫出電阻值隨溫度變化的曲線。

2、光敏傳感器檢測實驗：

多用電表置R×100電阻檔，兩個表筆分別接光敏電阻的兩個引腳，用調(diào)光臺燈照射光敏電阻的感光窗口；調(diào)節(jié)燈光照度為100LUX,測得光敏電阻值為3KΩ，隨著光照度不斷上升，光敏電阻隨之下降，當(dāng)光照度達(dá)到672LUX時，測得光敏電阻值約為1.1KΩ。

學(xué)生可選擇10不同光照度作為觀測點，測出光敏電阻的10個不同電阻值，列出表格并畫出電阻值隨光照度變化的曲線。

第二節(jié)數(shù)字電路

一、內(nèi)容結(jié)構(gòu)圖

數(shù)字信號的特性及優(yōu)點

數(shù)字信號

數(shù)字信號中的1和0

數(shù)字電路

三極管

與、或、非門

基本邏輯門

與非、或非門

數(shù)字集成電路類型

數(shù)字集成電路

數(shù)字集成電路應(yīng)用

二、知識點列表

學(xué)習(xí)結(jié)果（知識點）

指標(biāo)（當(dāng)學(xué)生獲得這種學(xué)習(xí)結(jié)果時，他們能夠：）

表現(xiàn)水平

數(shù)字信號的特性及優(yōu)點

·數(shù)字信號和模擬信號的區(qū)別？

·了解數(shù)字信號的特性

·舉例說明數(shù)字信號相對模擬信號的優(yōu)點

Ⅱ

Ⅰ

Ⅱ

數(shù)字信號中“1”和“0”

·知道數(shù)字信號中“1”和“0”的意義

·了解數(shù)字電路是能方便處理“1”和“0”兩種狀態(tài)信號的電路

Ⅱ

Ⅰ

三極管

·了解三極管的開關(guān)特性

·了解三極管的開關(guān)特性是邏輯門電路的基礎(chǔ)

Ⅰ

Ⅰ

與門、或門、非門

·列舉與、或、非邏輯關(guān)系在日常生活中的表現(xiàn)事例

·熟悉與門、或門、非門的電路符號

·熟悉與門、或門、非門輸出信號與輸入信號之間的邏輯關(guān)系表達(dá)式

·會填與門、或門、非門的真值表、會畫波形圖

Ⅰ

Ⅰ

Ⅰ

Ⅱ

與非門、或非們

·知道與非門、或非門的電路符號

·知道與非門、或非門輸出信號與輸入信號之間的邏輯關(guān)系表達(dá)式

·會填與非門、或非門的真值表、會畫波形圖

Ⅰ

Ⅰ

Ⅱ

數(shù)字集成電路類型

·知道數(shù)字集成電路有TTL和CMOS兩種類型

·了解TTL型和CMOS型集成電路構(gòu)成

·識別TTL和CMOS數(shù)字集成電路

·比較TTL型和CMOS型集成電路在電氣特性方面的差別

·了解使用TTL型和CMOS型集成電路的注意事項

Ⅰ

Ⅰ

Ⅰ

Ⅱ

Ⅰ

數(shù)字集成電路應(yīng)用

·能用數(shù)字集成電路安裝簡單的實用電路裝置

·能夠?qū)?shù)字電路進(jìn)行簡單的組合設(shè)計和制作，并進(jìn)行試驗

Ⅱ

Ⅱ

三、重難點分析

（一）重點分析

基本邏輯門電路的邏輯關(guān)系、真值表和波形圖

門電路是構(gòu)成數(shù)字集成電路的基本單元，若將非常復(fù)雜的數(shù)字電路進(jìn)行細(xì)分解，可以知道都是由與門、或門、非門這三種基本門電路構(gòu)成的。門電路的輸出數(shù)據(jù)由輸入數(shù)據(jù)決定，其邏輯關(guān)系函數(shù)表達(dá)式表達(dá)了門電路的輸出與輸入之間的關(guān)系，是分析和設(shè)計數(shù)字電路的基礎(chǔ)。

真值表以表格形式反映了輸入信號所有變化可能性對應(yīng)輸出信號的關(guān)系，是邏輯關(guān)系函數(shù)表達(dá)式的表格化形式，真值表是理解數(shù)字電路工作狀態(tài)的重要依據(jù)。

波形圖反映了門電路的輸入、輸出信號電平隨時間變化的情況，也是由邏輯關(guān)系函數(shù)表達(dá)式?jīng)Q定的。

邏輯關(guān)系函數(shù)表達(dá)式、真值表和波形圖以三種不同形式來表達(dá)數(shù)字電路的工作狀態(tài)，其本質(zhì)都是一樣的。

TTL型和CMOS型集成電路在電氣特性方面的差別

數(shù)字集成電路有TTL與CMOS兩種類型，例如集成與、或、非門也有TTL與CMOS兩種類型，TTL主要由NPN型晶體管構(gòu)成，CMOS主要由場效應(yīng)管構(gòu)成，由于使用器件不同，決定了這兩種集成電路的結(jié)構(gòu)和電氣性能有很大不同，使用時，理解它們的特性非常重要。

由于TTL型和CMOS型集成電路的最大額定電源電壓、邏輯電平、延遲時間等參數(shù)都有較大的差別，所以TTL型和CMOS型集成電路不能混合使用。

比較項目

TTL門電路

CMOS門電路

邏輯0電平（輸出時）

0.3～0.4V

0～0.4V

邏輯0電平（輸入時）

0.3～0.8V

0～1.5V

邏輯1電平（輸出時）

2.4～3.6V

3.5～Vd（電源電壓）

邏輯1電平（輸入時）

2～3.6V

3.5～Vd（電源電壓）

邏輯擺幅

小

大

輸入阻抗

低（約幾KΩ）

高（108Ω以上）

工作電壓

5V

3～18V

平均傳輸延遲時間

快（約十幾ns）

慢(約幾十ns)

功耗

大（約十幾mW）

低（約幾個uW）

閾值電壓

約1.5V

約2.5V（電源電壓為5V時）

扇出系數(shù)

8

約50

集成度

低

高

抗輻射能力

弱

強(qiáng)

雖然TTL型和CMOS型集成電路在電氣特性方面有較大差別，但相同功能電路的邏輯關(guān)系是相同的，不影響對電路的邏輯分析。

用數(shù)字集成電路安裝簡單的實用電路

用數(shù)字集成電路構(gòu)成簡單實用電路，是數(shù)字集成電路應(yīng)用和構(gòu)成較復(fù)雜組合數(shù)字電路的基礎(chǔ)。學(xué)生通過電路安裝，可以認(rèn)識和熟悉電子元器件，初步掌握焊接、安裝技巧，體驗成功的快樂，培養(yǎng)對電子技術(shù)的興趣。在教學(xué)時可選用與、或、非、與非、或非等集成門構(gòu)成多諧振蕩電路，利用多諧振蕩器搭接電子門鈴、報警器等簡單、有趣電路，有興趣的學(xué)生除了學(xué)會安裝多諧振蕩器外，還可了解多諧振蕩器頻率的計算方法，以便調(diào)節(jié)頻率、改變音調(diào)。

（二）難點分析

什么是數(shù)字信號？

模擬信號是直接反映外界物理信息變化規(guī)律的電信號，日常生活中有大量的事例，學(xué)生好理解；而數(shù)字信號是對模擬信號的人為加工和處理，它以另外一種形式（0和1的編碼）間接地反映外界物理信息的變化規(guī)律，雖然日常生活中有大量數(shù)字技術(shù)應(yīng)用的事例，但很少能直觀、準(zhǔn)確地解釋什么是數(shù)字信號，學(xué)生往往難以理解；所以準(zhǔn)確理解數(shù)字信號是教學(xué)中的一個難點。

2、數(shù)字電路簡單的組合設(shè)計和制作試驗

學(xué)生通過數(shù)字電路簡單的組合設(shè)計，要學(xué)會優(yōu)化設(shè)計方案，選擇、識別電子元器件，焊接、安裝電路、學(xué)會寫試驗報告，初步體驗電子技術(shù)試驗的一般過程。數(shù)字電路的組合設(shè)計要建立在簡單數(shù)字集成電路安裝的基礎(chǔ)之上，是對簡單數(shù)字集成電路的組合應(yīng)用。

四、教學(xué)建議

1、正確理解數(shù)字信號

教師在講解數(shù)字信號時，建議按以下內(nèi)容順序講解數(shù)字信號的來龍去脈，使學(xué)生能較全面的了解數(shù)字信號、較準(zhǔn)確地理解數(shù)字信號的特性：

（1）模擬信號：自然界中聲、光、熱、力等物理信息經(jīng)相應(yīng)的傳感器轉(zhuǎn)換成電信號，這樣的電信號就是模擬信號，它在數(shù)值和時間上是連續(xù)變化的，其變化規(guī)律反映了相應(yīng)物理信息的強(qiáng)度和變化規(guī)律。

（2）模擬信號的主要缺點：

①噪聲容易疊加在模擬信號上，引起信號失真；

②不便計算機(jī)處理。

（3）十進(jìn)制數(shù)與成二進(jìn)制數(shù)之間的轉(zhuǎn)換：

如：9＝（1001）2，7＝（0111）2，5＝（0101）2，3＝（0011）2等等。

掌握十進(jìn)制數(shù)和二進(jìn)制數(shù)的特性，可以幫助學(xué)生理解數(shù)字信號。

（4）模擬信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號的過程（示意）如下：

①例如聲音信號經(jīng)聲敏傳感器（話筒）轉(zhuǎn)換成電壓Ua信號波形如圖9.3（a）所示：

②根據(jù)采樣定理，由采樣電路對模擬信號進(jìn)行采樣，輸出采樣電壓信號波形如圖9.3（b）所示，采樣信號是離散的模擬信號，只要采樣頻率足夠高，采樣信號能正確無誤地表示模擬信號；

③A/D轉(zhuǎn)換器將采樣后的模擬信號經(jīng)量化、編碼后轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，如圖9.3（c）所示，如2V電壓的編碼是0010,7V電壓的編碼是0111,9V電壓的編碼是1001。

圖9.3對模擬信號采樣、編碼示意圖

（5）數(shù)字信號的特點：

數(shù)字信號是用0和1對采樣后的離散的模擬信號進(jìn)行編碼、僅是由0與1兩種數(shù)據(jù)組成的信號，相對模擬信號有顯著的優(yōu)點：

①數(shù)字信號容易克服失真問題：在傳輸、放大處理過程中失真的數(shù)字信號，經(jīng)限幅、整形處理后，即可復(fù)原；

②數(shù)字信號抗噪聲干擾能力強(qiáng)：可采用多種算法對數(shù)字信號進(jìn)行檢錯糾錯；

③數(shù)字信號便于計算機(jī)和大規(guī)模數(shù)字集成電路存儲、處理。

④經(jīng)數(shù)字電路處理后的數(shù)字信號，根據(jù)需要，可用D/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成模擬信號。

數(shù)字電路試驗電源的制作：

一般數(shù)字集成電路使用電源電壓為5V，使用1.5V電池疊加很不方便；建議用7805集成穩(wěn)壓器自己安裝簡單的5V電源供試驗室使用。

5伏電源電路如圖9.4所示。集成穩(wěn)壓器7805為三端器件，①腳為輸入端，②腳為接地端，③腳為+5V穩(wěn)壓輸出端；它具有1.5A的輸出能力，內(nèi)部有限流保護(hù)、過熱保護(hù)和過壓保護(hù)，采用低噪聲、溫度漂移小的基準(zhǔn)穩(wěn)壓電源，工作穩(wěn)定可靠。

3C2

0.1uF

IC7805

C1

2200uF

+

+5v

_

1

2

圖9.45V電源電路

變壓器可選用8W以上電源變壓器，使用前要測一下線圈的直流電阻，線圈電阻大的為初級線圈接220V交流電源。橋式整流器可選用全橋整流塊，整流塊的②、③腳接變壓器次級線圈，④腳接地，①腳接三端穩(wěn)壓器的輸入端，濾波電容C1選用大容量電解電容，C2為小容量電解電容以消除可能產(chǎn)生的高頻自激振蕩。

數(shù)字集成門電路試驗

通過判斷邏輯門的試驗，可以加深學(xué)生對真值表和邏輯函數(shù)關(guān)系表達(dá)的感性認(rèn)識。

例1：

試驗判斷邏輯門

一、教師先將學(xué)生分組（4～6個為一組），分發(fā)給各組一套電子零配件如：2支電鉻鐵、焊錫絲、2個蜂巢板、尖嘴鉗、鑷子、小刀、數(shù)字集成電路74LS08和74LS32芯片、4個按鈕、4個10KΩ電阻、200Ω和100Ω電阻、2個發(fā)光二極管、2個14腳集成電路插座、5V電源一個、多用電表一塊等等。

老師在黑板上畫出兩個電路圖，如圖9.5和圖9.6所示；

圖9.5與門試驗電路圖9.6或門試驗電路

1、教師讓學(xué)生對照電路圖，認(rèn)識元器件，注意集成電路的型號和引腳的排列順序，電阻的阻值和發(fā)光二極管的極性、電源的正極和地。

2、老師講解焊接的注意事項，如元件管腳去氧化處理鍍錫，為避免焊接時損壞芯片，對于集成電路最好加上插座，先將插座焊接在蜂巢板上，使用時再插上芯片等；

3、【老師】：同學(xué)們，這節(jié)課的目的是通過試驗判斷門電路的邏輯關(guān)系，給大家的7408和7432是兩種不同功能的數(shù)字集成門電路，老師先不告訴你們它們是什么門電路，只告訴大家，④腳和⑤腳是門電路的兩個輸入端、⑥腳是輸出端接發(fā)光二極管V。請同學(xué)們先畫出兩個電路發(fā)光二極管亮滅與按鈕A、B通斷的表格，并約定按鈕斷開為1,閉合為0，發(fā)光二極管V亮為1、不亮為0；如表9.1和表9.2所示，即為真值表：

輸入

輸出

V⑥電壓

輸入

輸出

V⑥電壓

A1

B1

V1

A2

B2

V2

0

0

0

0

0

1

0

1

1

0

1

0

1

1

1

1

表9.1與門試驗真值表表9.2或門試驗真值表

二、學(xué)生自主探究：

1、以小組為單位，利用分發(fā)的零配件，分別按圖9.5和圖9.6焊接電路；

2、焊接完畢后，進(jìn)行試驗：

按表格要求觀察A、B通斷的四種不同組合的二極管V亮滅情況，同時測量芯片第⑥腳的電壓值，并將試驗結(jié)果填入表格中；

3、根據(jù)試驗結(jié)果，老師引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行小組討論

觀察分析真值表，導(dǎo)出邏輯關(guān)系函數(shù)表達(dá)式；

判斷數(shù)字集成電路的功能；

根據(jù)V⑥的電壓值，判斷數(shù)字集成電路的類型（是TTL還是CMOS）。

三、老師進(jìn)行總結(jié)：

74LS08是四2輸入與門芯片（內(nèi)部集成了四個與門，每個與門有2個輸入端），74LS32是四2輸入或門；

TTL集成電路特性：0邏輯時的電平約為0.1V，1邏輯時的電平約為3.6V

（如果是CMOS集成電路，0邏輯時的電平約為0V，1邏輯時的電平接近電源電壓約為5V）。

R3的作用：是發(fā)光二極管的限流電阻，因為發(fā)光二極管的正向管壓降為1.6V～2V,最大正向電流小于50mA。如果不加限流電阻，發(fā)光二極管會燒毀。

四、學(xué)生完成試驗報告：

報告應(yīng)包括：試驗?zāi)康?、試驗器材、試驗電路、試驗結(jié)果、結(jié)果分析等五個方面主要內(nèi)容。

用數(shù)字集成電路安裝簡單的實用電路

產(chǎn)生脈沖信號是數(shù)字集成電路的典型應(yīng)用之一，脈沖信號既可作為數(shù)字系統(tǒng)的時鐘脈沖，也可構(gòu)成有趣的聲響電路。在教學(xué)時可選用集成門電路構(gòu)成多諧振蕩電路，利用多諧振蕩器搭接電子門鈴等簡單、有趣電路，有興趣的學(xué)生除了學(xué)會安裝多諧振蕩器外，還可了解多諧振蕩器頻率的計算方法，以便調(diào)節(jié)頻率、改變門鈴聲音。

多諧振蕩器是一種自激振蕩器，通電后能自動產(chǎn)生連續(xù)的矩形波脈沖，由于矩形波中除基波頻率外，還含有豐富的高次諧波分量，所以矩形波振蕩器又加多諧振蕩器。用不同方法構(gòu)成多諧振蕩器，目的是使學(xué)生掌握多種設(shè)計方案，以便試驗、比較、選擇。

CMOS門電路構(gòu)成非對稱式多諧振蕩器試驗

用多諧振蕩器構(gòu)成天亮叫醒電路如圖9.7所示

（1）元器件作用：IC采用CD4011型CMOS四2輸入與非門，與非門U1的輸出與輸入之間接有反饋電阻R1,它工作在電壓傳輸特性的轉(zhuǎn)折區(qū)，把它的輸出電壓直接接到U2的輸入端作為U2的靜態(tài)偏置電壓，就能使U2也工作在電壓傳輸特性的轉(zhuǎn)折區(qū)，其輸出經(jīng)電容C1反饋到U1的輸入端構(gòu)成正反饋回路，B是蜂鳴器，RG選用硫化鎘光敏電阻MG41—23,其暗電阻≥5MΩ、亮電阻≤5KΩ。

（2）工作原理：

天黑時，因RG≥5MΩ，Uk＝“0”，振蕩器不起振，蜂鳴器B不叫；

天亮?xí)r，因RG≤5KΩ，Uk＝“1”，如果有一點小的干擾，就會在U1與U2之間引起自激振蕩，使電路在兩個暫穩(wěn)態(tài)中轉(zhuǎn)換，于是電路不停地振蕩。由理論推導(dǎo)可知，電路的振蕩周期為：T≈1.4R1C1（適用TTL電路）。

（3）試驗：

①可調(diào)節(jié)W的電阻值，調(diào)節(jié)叫醒信號報警時的天亮程度；

②可改變R1、C1的值，改變振蕩頻率，改變蜂鳴器的聲音。

W

82K

RG

＋5V

Uk

圖9.7非對稱式多諧振蕩器天亮報警電路

例3CMOS門電路構(gòu)成對稱式多諧振蕩器試驗

圖9.8對稱式多諧振蕩器電路

對稱式多諧振蕩器電路如圖9.8所示，它由兩個與非門和—對RC定時元件組成，其中R1＝R2＝R，C1＝C2＝C，B是蜂鳴器，S是控制端。當(dāng)S接5V電源時，振蕩器振蕩；S接地時，振蕩器停振。

接通電源后，與非門U1和U2因輸出與輸入之間接有反饋電阻R1和R2,工作在電壓傳輸特性的轉(zhuǎn)折區(qū)，U1、C1、U2、C2構(gòu)成正反饋回路，如果有一點小的干擾，就會引起自激振蕩，使電路在兩個暫穩(wěn)態(tài)中轉(zhuǎn)換，于是電路不停地振蕩。由理論推導(dǎo)可知，電路的振蕩周期為：T≈1.4RC（適用TTL電路）。

在作試驗時，R、C可選用不同的值進(jìn)行試驗，用示波器觀察輸出波形的變化，聽蜂鳴器發(fā)出不同的聲音。

5、數(shù)字電路簡單的組合設(shè)計和制作試驗

數(shù)字電路的組合設(shè)計要建立在簡單數(shù)字集成電路安裝的基礎(chǔ)之上，是對簡單數(shù)字集成電路的組合應(yīng)用?？蓪蓚€不同頻率的多諧振蕩器進(jìn)行組合，用較高頻信號對較低頻信號進(jìn)行調(diào)制，合成一個新的信號，并由此制作一個發(fā)出變調(diào)聲音的報警器，這就是常見的數(shù)字電路組合設(shè)計。

可變調(diào)的天亮叫醒電路

將例2和例3電路進(jìn)行組合設(shè)計，將例2電路U2的輸出直接接到例3電路的控制端S，

電路如圖9.9所示。U1和U2組成第一級振蕩器產(chǎn)生較低頻率，U3和U4組成第二級振蕩器產(chǎn)生較高頻率，讓U1、U2產(chǎn)生的較低頻率振蕩控制U3、U4振蕩器的工作，這樣合成一個新的信號，就是較高頻率信號對較低頻率信號的調(diào)制。

工作原理：

（1）天黑時，因RG≥5MΩ，Uk＝“0”，U1、U2振蕩器不起振，控制端S為低電平，振蕩器U3、U4也不工作；

（2）天亮?xí)r，因RG≤5KΩ，Uk＝“1”，如果有一點小的干擾，U1、U2產(chǎn)生自激振蕩：從S端輸出周期性脈沖信號：

①輸出脈沖信號高電平時：S＝“1”，U3、U4振蕩器起振，輸出較高頻率信號；

②輸出脈沖信號低電平時：S＝“0”，U3、U4振蕩器暫停工作，無信號輸出。

其輸出信號V0的波形如圖9.10所示，T1為U1、U2振蕩器產(chǎn)生的振蕩周期，T2為U3、U4振蕩器產(chǎn)生的振蕩周期。

W

82K

RG

＋5V

Vk

圖9.9可變調(diào)天亮報警電路

V0

0

T1

T2

t

圖9.10組合電路輸出調(diào)制信號

第三節(jié)電磁繼電器

一、內(nèi)容結(jié)構(gòu)圖

電磁繼電器

常見繼電器種類

無觸點繼電器

繼電器常識

電磁

繼電器

直流電磁繼電器

繼電器的使用

單向可控硅

可控硅

雙向可控硅

二、知識點列表

學(xué)習(xí)結(jié)果（知識點）

指標(biāo)（當(dāng)學(xué)生獲得這種學(xué)習(xí)結(jié)果時，他們能夠：）

表現(xiàn)水平

常見繼電器種類

·知道繼電器是“以弱電信號控制高電壓、強(qiáng)電流工作電路”的執(zhí)行部件

·知道電磁繼電器有直流、交流、時間繼電器等種類

·知道無觸點繼電器有單向可控硅、雙向可控硅等類型

Ⅰ

Ⅰ

Ⅰ

直流電磁繼電器

·了解單組觸點直流電磁繼電器的構(gòu)造

·描述述直流電磁繼電器的工作過程

·了解直流電磁繼電器的規(guī)格參數(shù)

·會根據(jù)控制電路的電壓和電流、被控電路的電壓和電流、被控電路的路數(shù)和使用環(huán)境選擇繼電器的型號和規(guī)格

Ⅰ

Ⅰ

Ⅰ

Ⅱ

直流電磁繼電器的使用

·學(xué)會用直流電磁繼電器搭接簡單實用的控制電路

Ⅱ

單向可控硅

·知道單向可控硅的構(gòu)造和電路符號

·了解單向可控硅的簡單工作原理

Ⅰ

Ⅰ

雙向可控硅

·知道雙向可控硅的構(gòu)造和電路符號

·了解雙向可控硅的簡單工作原理

·嘗試用雙向可控硅簡單搭接簡單實用的控制電路

Ⅰ

Ⅰ

Ⅰ

三、重難點分析

（一）重點分析

1、直流電磁繼電器的結(jié)構(gòu)和工作過程

直流電磁繼電器是利用電磁感應(yīng)原理實現(xiàn)觸點閉合和斷開的控制元件，它可以小電流、低電壓控制較大電流、高電壓，用直流控制交流等，并可將被控電路與控制電路完全隔離，在自動控制、保護(hù)電路等方面有廣泛的應(yīng)用。

繼電器由電磁線圈、銜鐵、常開觸點、常閉觸點、切換觸點組成，當(dāng)電磁線圈通電吸合銜鐵，帶動觸點接觸變換。

2、直流電磁繼電器搭接簡單實用的控制電路

用直流電磁繼電器搭接簡單控制電路，驗證繼電器的原理和工作過程。

3、雙向可控硅的簡單應(yīng)用

可控硅具有以小電流（電壓）控制大電流（電壓）作用，并具有體積小、重量輕、功耗低、開關(guān)速度快等優(yōu)點，在無觸點開關(guān)、可控整流、調(diào)壓、調(diào)光、調(diào)速等方面應(yīng)用廣泛。

（二）難點分析

直流電磁繼電器的選用

如果繼電器選用不當(dāng)，會產(chǎn)生不能可靠工作、通電不能吸合、燒壞接觸點、尺寸不合適無法安裝等問題，繼電器種類很多，根據(jù)不同的電路選擇合適的繼電器，有一定難度。

可控硅的簡單工作原理

可控硅的工作原理比較復(fù)雜，不必深究。主要講解可控硅的觸發(fā)條件和工作過程，知道如何使用可控硅。

四、教學(xué)建議

教師在教學(xué)過程中要讓學(xué)生了解常見的直流電磁繼電器的構(gòu)造、規(guī)格（參數(shù)）和基本工作原理，并從構(gòu)造和原理上說明它是電磁繼電器，有觸點開關(guān)。對于晶閘管不要介紹其復(fù)雜的工作原理，但要定性地讓學(xué)生知道晶閘管構(gòu)造和其在電路中的符號，重點說明正常使用的條件，從構(gòu)造和控制結(jié)果上說明它是無觸點繼電器，進(jìn)而介紹它的優(yōu)點。

根據(jù)本節(jié)教學(xué)內(nèi)容的特點，建議教學(xué)方式以教師課堂實物觀摩和實際電路演示以及學(xué)生小組實驗為主，讓學(xué)生通過觀察、分析實驗的結(jié)果，掌握本節(jié)的教學(xué)內(nèi)容。教師可參照下面的實驗過程進(jìn)行教學(xué)設(shè)計。

1、直流電磁繼電器的選用原則

要使學(xué)生學(xué)會根據(jù)控制電路的電壓和電流的大小、被控量是電壓還是電流、被控電路的路數(shù)、負(fù)載的性質(zhì)（電阻性還是電感性）以及使用環(huán)境等因素選擇繼電器。

現(xiàn)以JZC-22FA005型超小型中功率直流電磁繼電器為例進(jìn)行說明：

（1）觸點形式：1H,1D,1Z;1個常開觸點，1個常閉觸點，1個轉(zhuǎn)換觸點；

（2）額定工作電壓：5V,繼電器正常工作時線圈電壓;

（3）吸合電壓：4v,繼電器產(chǎn)生吸合時的最小電壓，一般為額定值的75%～80%;

（4）線圈電阻：75Ω，是繼電器線圈的直流電阻值；

（5）額定工作電流：66mA，繼電器正常工作時線圈電流;

（6）觸點負(fù)荷：3A×220V交流或10A×28V直流，是繼電器觸點的負(fù)載能力

（7）外形尺寸：(L×W×H)=22.5×16.5×16.5mm。

2、直流電磁繼電器在數(shù)字電路控制系統(tǒng)中的使用建議

（1）數(shù)字電路的電源一般是5V，為簡化電路以免設(shè)置多路電源，如無特殊要求，一般選用額定電壓為3V～5V的小型直流繼電器；

（2）一般不直接用數(shù)字電路的輸出去驅(qū)動直流繼電器，要加驅(qū)動電路。

例1三極管作為繼電器驅(qū)動電路

VDD

VT

9013

驅(qū)動信號輸入

＋5V

J

如圖9.11電路所示，三極管VT工作在開關(guān)狀態(tài)，

當(dāng)輸入驅(qū)動的數(shù)字信號為1時，VT飽和導(dǎo)通，

VT的集電極電壓Vc≈0.2V，繼電器K

吸合工作。當(dāng)輸入驅(qū)動的數(shù)字信號為0時，

VT截止，繼電器J不工作。

圖9.11繼電器驅(qū)動電路

繼電器線圈實質(zhì)是一個大電感，為避免驅(qū)動繼電器的晶體管被損壞，在繼電器線圈兩端并接保護(hù)二極管VD，在開關(guān)三極管VT截止斷開的瞬間，繼電器線圈產(chǎn)生的反向高壓可以通過二極管VD泄放，保護(hù)三極管VT不被反向高壓所擊穿。

例2數(shù)字電路控制繼電器試驗

目的：了解數(shù)字電路的輸出是如何驅(qū)動電磁繼電器工作的

74LS00

J

R1

10K

1

2

7

R2

100Ω

R3

330Ω

VD1

VD2

+5V

14

3

VT

A

圖9.12數(shù)字電路控制繼電器試驗電路

如圖9.12電路是用數(shù)字門電路控制繼電器工作的電路。

（1）元器件選擇：

74LS00是四2輸入與非門，選用其中一個與非門，①、②腳為輸入端，③腳為輸出端，將①腳接＋5V,這樣將與非門變成了非門U③=A。

保護(hù)二極管VD1選用1N4001,發(fā)光二極管（LED）VD2選用BFP5直徑為5mm，開關(guān)三極管VT選用9013（功率為625mW）,繼電器選用JRC-21F—5VDC.

工作過程：

按下按鈕A，輸入信號A=0,與非門輸出U③=A=1,開關(guān)三極管VT飽和導(dǎo)通，繼電器J通電吸合工作，常開觸點閉合（能聽到觸點觸動聲）接通LED電路，點亮發(fā)光二極管。

松開按鈕A，輸入信號A=1,與非門輸出U③=A=0,開關(guān)三極管VT截止斷開，繼電器J斷電釋放，常開觸點復(fù)位（能聽到觸點觸動聲）切斷LED電路，發(fā)光二極管熄滅。

3、雙向可控硅的觸發(fā)特性和工作過程：

雙向可控硅的電路符號是VS，有三個電極陽極A1、A2、控制極G；

如圖9.13所示

A1

A2

VS

G

圖9.13雙向可控硅電路符號

（2）觸發(fā)條件：當(dāng)A1—A2間加有電壓(不論極性)，A1—G間加足夠大的觸發(fā)電壓和電流時（不論極性），可控硅雙向?qū)ǎ?/p>

（3）可控硅導(dǎo)通后，去掉A1—G間的觸發(fā)電壓，可控硅仍一直保持導(dǎo)通；

A1A2G

（4）當(dāng)A1—A2間的電壓消失，或改變極性而此時又沒有觸發(fā)電壓時，可控硅退出導(dǎo)通，A1—A2間呈高阻截止?fàn)顟B(tài)。

用多用電表檢測雙向可控

如圖9.14為雙向可控硅的管腳電極。

（1）檢測控制極G與主電極A1、A2之間的電阻：

將多用電表置“R×1Ω”擋，測G與A1之間的

正、反向電阻均應(yīng)為較小阻值；圖9.14雙向可控硅正面引腳圖

測G與A2之間的正、反向電阻，均應(yīng)為無窮大。

（2）檢測導(dǎo)通特性：

將多用電表黑表筆接A1，紅表筆接A2，阻值應(yīng)為無窮大，用螺絲刀將G與A2短接一下，表針應(yīng)向右偏轉(zhuǎn)并保持在十幾歐姆處，否則說明可控硅已損壞。

如TLC386A雙向可控硅，其耐壓為700V，額定導(dǎo)通電流為3A。

例2用可控硅設(shè)計、安裝可調(diào)光臺燈試驗

電路如圖9.15所示

（1）元器件的選擇與作用：

雙向可控硅VS選用TLC386A，

S

～220V

燈泡

C

0.1u/300v

VD

A2

VS

A1

G

R

2.7K

W

470K

雙向二極管VD選用2CTS,一般情況下，

VD呈高阻截止?fàn)顟B(tài)，當(dāng)外加電壓（無論

極性）高于VD的擊穿電壓（約幾十伏），

雙向二極管就擊穿導(dǎo)通。

（2）工作原理：

交流電經(jīng)燈泡、W、R對

電容C充電，當(dāng)C上的電壓高于

VD的擊穿電壓時，C通過VD向

可控硅的控制極G放電，

觸發(fā)雙向可控硅VS導(dǎo)通。

改變W值，就改變了C的充電速度，圖9.15雙向可控硅調(diào)壓電路

也就改變了雙向可控硅的導(dǎo)通角，本電路在交流電的正、負(fù)兩個半周都能工作，改變雙向可控硅的導(dǎo)通角，完成交流調(diào)壓。

在作本電路試驗時，要注意安全、防止觸電?？蓪㈦娐钒惭b在臺燈的絕緣底座內(nèi)，檢查焊接和絕緣沒問題時，再通電試驗。

第四節(jié)電子控制系統(tǒng)及其應(yīng)用

內(nèi)容結(jié)構(gòu)圖

基本組成

電子控制系統(tǒng)概述

工作過程

設(shè)計

開環(huán)電子控制系統(tǒng)

電子控制系統(tǒng)應(yīng)用

安裝調(diào)試

設(shè)計、安裝

閉環(huán)電子控制系統(tǒng)

調(diào)試和改進(jìn)

組成、分類及應(yīng)用

遙控電子控制系統(tǒng)

簡單遙控系統(tǒng)的設(shè)計、安裝與調(diào)試

二、知識點列表

學(xué)習(xí)結(jié)果（知識點）

指標(biāo)（當(dāng)學(xué)生獲得這種學(xué)習(xí)結(jié)果時，他們能夠：）

表現(xiàn)水平

電子控制系統(tǒng)的基本組成

·知道電子控制系統(tǒng)基本組成中輸入環(huán)節(jié)、控制環(huán)節(jié)、輸出執(zhí)行環(huán)節(jié)的作用與聯(lián)系

·了解閉環(huán)電子控制系統(tǒng)的組成，了解反饋環(huán)節(jié)的作用

Ⅰ

Ⅰ

電子控制系統(tǒng)的工作過程

·能用方框圖分析生活中常見的開環(huán)電子控制系統(tǒng)的工作過程

·能用方框圖分析生活中常見的閉環(huán)電子控制系統(tǒng)的工作過程

Ⅱ

Ⅱ

開環(huán)電子控制系統(tǒng)的設(shè)計、安裝、調(diào)試

·能用數(shù)字集成電路等安裝簡單的實用電路

·能用常用電子儀器如多用電表和示波器等對該電路進(jìn)行調(diào)試

·能應(yīng)用該電路設(shè)計和安裝開環(huán)電子控制系統(tǒng)

Ⅱ

Ⅱ

Ⅱ

閉環(huán)電子控制系統(tǒng)的設(shè)計、安裝

·能用集成電路等設(shè)計和安裝簡單的閉環(huán)控制系統(tǒng)

Ⅱ

閉環(huán)電子控制系統(tǒng)的調(diào)試和改進(jìn)

·能對簡單的閉環(huán)控制系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)試和改進(jìn)

Ⅱ

遙控電子控制系統(tǒng)

·了解常見的遙控系統(tǒng)的組成、分類及應(yīng)用

·能用集成電路設(shè)計和安裝簡單的遙控系統(tǒng)，并進(jìn)行調(diào)試

Ⅰ

Ⅱ

三、重難點分析

重點分析

1、用方框圖分析生活中常見的閉環(huán)電子控制系統(tǒng)的工作過程

可使學(xué)生站在系統(tǒng)的高度，分析系統(tǒng)中各個環(huán)節(jié)的相互聯(lián)系、相互作用、選擇、優(yōu)化設(shè)計方案，學(xué)會技術(shù)決策、科學(xué)決策的方法。

（1）了解閉環(huán)電子控制系統(tǒng)中各個環(huán)節(jié)的作用：

①輸入環(huán)節(jié)：輸入控制信號，這個控制信號可以是人為預(yù)先設(shè)定也可以是由傳感器采集外界物理信息轉(zhuǎn)換來的；

②控制環(huán)節(jié)：由電子集成電路構(gòu)成，對輸入信號進(jìn)行比較、分析、處理輸出控制信號，這個控制信號可以是提示性信號（如一組“音樂”或“報警”電信號）也可以是控制繼電器工作的觸發(fā)信號；

③輸出環(huán)節(jié)：是電子控制系統(tǒng)的執(zhí)行環(huán)節(jié)，可以是繼電器、也可以是喇叭等被控對象；

④被控對象：往往是電爐絲、電燈、電動機(jī)等大功率設(shè)備；

⑤檢測、反饋環(huán)節(jié)：主要由傳感器組成，監(jiān)測被控量（如溫度等），轉(zhuǎn)換為被控量電信號；

⑥比較環(huán)節(jié)：可看成電子控制器的一部分，將被控量與預(yù)設(shè)量不斷進(jìn)行比較、分析、處理。

（2）用數(shù)字集成電路等安裝簡單的實用電路來設(shè)計和安裝開環(huán)電子控制系統(tǒng)，

學(xué)生通過用數(shù)字集成電路等安裝簡單的實用電路來設(shè)計和安裝開環(huán)電子控制系統(tǒng)，可使學(xué)生站在系統(tǒng)的高度，分析開環(huán)系統(tǒng)中各個環(huán)節(jié)的作用和控制關(guān)系、選擇、優(yōu)化設(shè)計方案。選擇、識別電子元器件，焊接、安裝、調(diào)試電路、完成試驗報告，體驗電子技術(shù)試驗的全過程。是對本章所學(xué)傳感器、數(shù)字集成電路和繼電器知識的綜合應(yīng)用。

難點分析

1、用集成電路等設(shè)計和安裝簡單的閉環(huán)控制系統(tǒng)，

（1）根據(jù)任務(wù)要求，畫出閉環(huán)電子控制系統(tǒng)的方框圖；

（2）按照任務(wù)要求，詳細(xì)分析各個環(huán)節(jié)的作用，提出技術(shù)要求、指標(biāo)；

（3）選擇符合技術(shù)要求、指標(biāo)的傳感器類型、控制環(huán)節(jié)的結(jié)構(gòu)電路、繼電器類型和合適的被控對象；

（4）畫出詳細(xì)的閉環(huán)電子控制系統(tǒng)電路圖；

（5）安裝電路：可用面包板接插或用蜂巢板焊接。

2、電子控制系統(tǒng)的調(diào)試和改進(jìn)

如果電子控制系統(tǒng)的設(shè)計存在問題，或由于系統(tǒng)內(nèi)各個環(huán)節(jié)之間的不匹配，或由于電子元器件的質(zhì)量（如離散度較大）等問題，會使安裝好的電子控制系統(tǒng)達(dá)不到設(shè)計指標(biāo)的要求，甚至不能工作，所以調(diào)試、改進(jìn)是一個重要的環(huán)節(jié)，也是一個難點。

電子控制系統(tǒng)的設(shè)計要經(jīng)過比較、選擇和優(yōu)化，因此調(diào)試、改進(jìn)這個環(huán)節(jié)，一般不對電路結(jié)構(gòu)作大的改動，只對元器件的參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，以達(dá)到設(shè)計指標(biāo)的要求。

（1）掌握電路工作原理，了解有關(guān)參數(shù)的調(diào)整方法，如在多諧振蕩器電路中有那些元件參數(shù)決定振蕩器的頻率，有那些元件參數(shù)會影響工作穩(wěn)定性，有那些元件參數(shù)選擇決定振蕩器是否工作。

（2）電子測量儀器是調(diào)試電子控制系統(tǒng)的主要技術(shù)手段，多用電表可以判斷電子元器件的好壞，示波器可以觀察和測量振蕩頻率，通過多次元器件選擇試驗，使電子控制系統(tǒng)的技術(shù)指標(biāo)達(dá)到設(shè)計要求。

四、教學(xué)建議

電子控制系統(tǒng)及其應(yīng)用是電子控制系統(tǒng)技術(shù)模塊中的重點。它一方面是本模塊所學(xué)傳感器、數(shù)字集成電路和繼電器知識的綜合應(yīng)用。另一方面，是培養(yǎng)學(xué)生如何從整體出發(fā)，分析和設(shè)計電子控制系統(tǒng)。雖然電子控制系統(tǒng)課程中的“系統(tǒng)”“控制”所包含的內(nèi)容很簡單，但其中滲透的思想和方法，具有很強(qiáng)的普遍意義，是培養(yǎng)學(xué)生良好的技術(shù)素養(yǎng)精華所在。透過電子控制系統(tǒng)及其應(yīng)用的學(xué)習(xí)，應(yīng)讓學(xué)生初步領(lǐng)悟技術(shù)設(shè)計的一般思想和方法；知道電子控制系統(tǒng)的基本組成；能用方框圖分析生活中常見的電子控制系統(tǒng)的工作過程；能用數(shù)字集成電路等安裝簡單的實用電路，并進(jìn)行調(diào)試。然后，能應(yīng)用該電路設(shè)計和安裝開環(huán)控制系統(tǒng)；能設(shè)計和安裝簡單的閉環(huán)控制系統(tǒng)，并進(jìn)行調(diào)試和改進(jìn)。

1、在電子控制系統(tǒng)及其應(yīng)用的教學(xué)過程中，引導(dǎo)學(xué)生親歷設(shè)計的過程

電子控制系統(tǒng)課程是一個實踐性強(qiáng)、創(chuàng)造空間大、涉及知識面廣的課程模塊。在我們生活的周圍無處不見電子控制技術(shù)，教學(xué)中考慮如何引導(dǎo)學(xué)生親歷設(shè)計的過程是十分重要的，其重要性在于這種引導(dǎo)要能夠激發(fā)學(xué)生對技術(shù)問題的興趣和研究愿望，最大限度地開發(fā)每個學(xué)生的潛能，然后促使學(xué)生主動、有效地參與設(shè)計過程；這種引導(dǎo)要有助于學(xué)生從多個角度提出問題，然后再用多種方法解決問題。

在教學(xué)設(shè)計中，教師應(yīng)多考慮以引導(dǎo)者的身份出現(xiàn)，創(chuàng)造一種開放、民主、活躍、進(jìn)取的學(xué)習(xí)氛圍，鼓勵學(xué)生展開想象，大膽創(chuàng)新，使教學(xué)成為生動活潑，師生互動的過程，使全班同學(xué)在學(xué)習(xí)中都得到發(fā)展。

例：

教學(xué)設(shè)計可以考慮安排學(xué)生回家用電飯煲煮一頓飯，用全自動洗衣機(jī)洗一次衣服，用……，并觀察記錄試驗的過程。經(jīng)同學(xué)們課堂討論后，老師提出一系列為什么。如：為什么電飯煲會自動煮飯、為什么洗衣機(jī)能實現(xiàn)自動進(jìn)水，自動控制水位、為什么臺燈能手動調(diào)光等。鼓勵學(xué)生展開想象，結(jié)合教科書引導(dǎo)全班同學(xué)理解電子控制技術(shù)的含義，了解它的廣泛應(yīng)用，知道電子控制系統(tǒng)是以電子控制技術(shù)為核心的系統(tǒng)；理解電子控制系統(tǒng)的組成和工作過程。知道開環(huán)電子控制系統(tǒng)和閉環(huán)電子控制系統(tǒng)的區(qū)別，會用方框圖分析生活中常見電子控制系統(tǒng)的工作過程。在師生互動教學(xué)過程中，學(xué)生的認(rèn)知水平和創(chuàng)造性思維能力得到提高。

2、從應(yīng)用的角度理解電子控制系統(tǒng)

電子控制涵蓋了開環(huán)控制和閉環(huán)空。理論上它們具有高度的抽象性。由于電子控制系統(tǒng)是應(yīng)用學(xué)科，教學(xué)中要從應(yīng)用的角度來解釋電子控制系統(tǒng)，教學(xué)過程要以創(chuàng)新精神和實踐能力培養(yǎng)為重點。要避免過分的理論分析電子控制系統(tǒng)中的單元電路。對電子控制系統(tǒng)的單元電路只要做簡單的定性分析就可以。在教學(xué)是設(shè)計中，選擇的實驗內(nèi)容要符合學(xué)生學(xué)習(xí)生活和認(rèn)識規(guī)律的基礎(chǔ)知識，要有一定的代表性，切不可以急于求成拔苗助長。特別是基本操作技能，它是需要實踐的堆積，不能要求太高。

例1開環(huán)控制系統(tǒng)的設(shè)計和制作

老師：復(fù)習(xí)控制技術(shù)的基本原理等。開環(huán)控制系統(tǒng)的基本組成框圖。如圖9.5它由傳感

圖9.16開環(huán)電子控制系統(tǒng)組成方框圖

器電路，控制電路和報警電路三大部分組成。由于開環(huán)控制系統(tǒng)不存在反饋通道，因此多用于控制精度不高的場合。

老師：今天我們要來設(shè)計一個水開了聲光報警系統(tǒng)。從解決問題的角度看，它可以采用精度不高的控制系統(tǒng)。有誰能回答采用什么控制系統(tǒng)，它即能解決問題又能降低投入的成本。

同學(xué)：可以采用開環(huán)電子控制系統(tǒng)。它適用控制精度不搞的場合，滿足開水報警器的功能要求。

老師：開環(huán)電子控制系統(tǒng)的原理框圖如圖9.16所示。下面同學(xué)們討論一下每個框圖采用什么單元電路。

同學(xué)：熱烈討論。

老師小節(jié)：依據(jù)開環(huán)控制系統(tǒng)的原理框圖和同學(xué)們討論的結(jié)果，應(yīng)采用如圖9.17所示的控制電路。

圖9.17控制燒水報警電路

老師：圖中溫度傳感器RT是選擇負(fù)溫度系數(shù)的熱敏電阻。當(dāng)水溫上升時電阻減小，反之電阻增大，電位器RP用來設(shè)置溫控點，R1、R2、VT1、VD2組成控制電路，VD1、G1和G2、R3、C1和揚(yáng)聲器元件組成聲光報警電路。其中報警聲的頻率由R3和C1的乘積決定。即f=1.4R3C1，VD1為發(fā)光二極管，由它完成光報警。下面分析電路的工作過程。

調(diào)整RP可改變電阻，設(shè)定報警溫度。當(dāng)水溫上升，RT電阻值減小，Vbe電壓數(shù)值上升，Vbe電壓數(shù)位小，這時VT1截止，VD1不亮。D點低電壓,使VD2導(dǎo)通，將非門G1鉗位于低電平，使非門G1、G2多諧振蕩器處于停振狀態(tài)，揚(yáng)聲器無聲，說明水的溫度低于設(shè)定的報警溫度。

當(dāng)水的溫度升至設(shè)定的報警溫度時，Vbe電壓數(shù)值增大導(dǎo)使VT1導(dǎo)通，電源經(jīng)VT1的E、C極、VD1、R2構(gòu)成回路，電流經(jīng)過發(fā)二極管VD1，VD1亮。同時，電流經(jīng)過R2產(chǎn)生較大的壓降，D點上升為高電位。VD2截至，由非門G1、G2組成的多諧振蕩器起振，揚(yáng)聲器發(fā)出響聲，實現(xiàn)溫度超限的聲光報警。在圖9.6中，R1為限流阻，其功能是保護(hù)VT1發(fā)射結(jié)，防止因操作失誤而損壞，R2的阻值決定VT1飽和時的導(dǎo)通電流。因此它實質(zhì)是調(diào)整報警時發(fā)光二極管的亮度。通常發(fā)光二極管設(shè)計的工作電流為10mA左右。這時，對應(yīng)R2的阻值約為500歐左右。

根據(jù)上述電路的可行性分析，理論上是可行的，但實際怎樣呢？選用的傳感器，符合技術(shù)要求嗎？控制電路輸出的控制信號強(qiáng)嗎？聲光報警強(qiáng)度夠嗎？這一切還需要實驗來驗證調(diào)試和修改。

同學(xué)們回家后認(rèn)真地分析今天我們設(shè)計的超溫報警器電路工作原理。查一下資料，選擇符合技術(shù)要求的傳感器型號，想一想制作與調(diào)整的步驟，為下一堂課實驗做準(zhǔn)備。

例2閉環(huán)控制系統(tǒng)

老師：上一堂課我們設(shè)計了超溫報警器，這一堂課我們要求同學(xué)們設(shè)計一個養(yǎng)熱帶魚的恒溫箱。

老師：恒溫控制是什么控制？設(shè)計時要采用什么控制系統(tǒng)？

同學(xué)：恒溫控制是精確控制，系統(tǒng)要采用閉環(huán)控制系統(tǒng)。

老師：閉環(huán)控制系統(tǒng)的方框圖，如圖9.18所示。它由控制、執(zhí)行器、被控對象和檢測裝置組成，同學(xué)們討論一下，這些方框?qū)?yīng)恒溫水箱那些單元電路。

圖9.18閉環(huán)電子控制系統(tǒng)方框圖

同學(xué)：討論回答

老師小結(jié)：檢測裝置對應(yīng)恒溫水箱的熱敏傳感器、執(zhí)行器對應(yīng)繼電器，被控對象電熱棒。恒溫水箱閉環(huán)控制系統(tǒng)原理框圖為圖9.19所示

圖9.19水箱恒溫閉環(huán)控制電路方框圖

老師：同學(xué)們討論一下各框圖組成的單元電路，說明為什么要這樣設(shè)計

同學(xué)：討論

老師小結(jié)：根據(jù)閉環(huán)控制系統(tǒng)的原理框圖，結(jié)合同學(xué)們的討論意見，老師給出恒溫水箱閉環(huán)控制電路電原理圖。如圖9.20。下面分析電路的自動恒溫控制過程。

圖9.20水箱恒溫控制電路

老師：在圖9.20中，RT為正溫度系數(shù)的熱敏電阻，其功能是接收水溫信息，（安裝時它是浸在水中），VT1、VT2和R是信號處理電路（控制器），J是繼電器，它的開關(guān)是電熱棒的電源開關(guān)，RP用來設(shè)定溫控點。

當(dāng)水溫低時，RT阻值小，電源在RP兩端的壓降大，使VT1、VT2導(dǎo)通，電流流過繼電器，繼電器開關(guān)動作，電熱棒（圖中沒有畫出）通電加熱，水溫逐漸上升，由于水溫的上升，使浸在水中的熱敏電阻RT阻值增大，RP兩端的壓降減小，當(dāng)水溫達(dá)到設(shè)定溫控點時，RP兩端的壓降減小到是VT1、VT2截止，繼電器J的供電源被切斷，電熱棒控制開關(guān)自動斷開，切斷電熱棒的供電電源，加熱源被切斷，水溫下降，RT阻值減小，RP端電壓上升到使VT1、VT2導(dǎo)通……。這樣周而復(fù)始，達(dá)到水箱中水溫恒溫。

老師：觀察圖9.8控制電路，如果繼電器J的控制開關(guān)不是電熱棒的電源開關(guān)，而是發(fā)光二極管和無穩(wěn)態(tài)的電源開關(guān)，電子控制系統(tǒng)是開環(huán)還是閉環(huán)，同學(xué)們討論一下。

同學(xué)：熱烈討論，回答問題

老師小結(jié)：如果改動圖9.9的電路，將控制電路中的繼電器開關(guān)作為發(fā)光二極管和無穩(wěn)態(tài)電路的電源開關(guān)，控制電路將成為開環(huán)電子控制系統(tǒng)，這個裝置將由恒溫控制裝置變?yōu)槌瑴貓缶b置。

下課以后同學(xué)們查一下資料，根據(jù)電熱棒的功率和控制的水溫范圍，選擇符合技術(shù)要求的繼電器和傳感器型號，想一想制作與調(diào)整的步驟，為下一堂課實驗做準(zhǔn)備。

例三、閉環(huán)控制系統(tǒng)的分析與設(shè)計

―――水塔水箱水位自動控制系統(tǒng)

1、明確問題：

（1）控制量：水位傳感信號；

（2）被控量：水位

（3）傳導(dǎo)電壓大小與高、低水位線位置的關(guān)系；

（4）水塔高度與水泵揚(yáng)程的選擇。

2、系統(tǒng)設(shè)計：確定解決問題的目標(biāo)和評價標(biāo)準(zhǔn)；

（1）解決問題的目標(biāo)：利用水的導(dǎo)電特性，使用導(dǎo)電體探測水位的高低，控制繼電器閉合、斷開，帶動水泵抽水。

（2）評價標(biāo)準(zhǔn)：

①當(dāng)水位低于低水位線時，抽水；

②當(dāng)水位到達(dá)高水位線時，停止抽水；

③當(dāng)水位介于高、低水位線之間時，要維持水泵原工作狀態(tài)；原來抽水，則繼續(xù)抽水，等水位到達(dá)高水位線時再停機(jī)；原來停機(jī)，則繼續(xù)停機(jī)，等水位降到低水位線時，再抽水。

（3）鼓勵學(xué)生設(shè)計多方案

控制量：可使用裸導(dǎo)線或液面?zhèn)鞲衅髯鳛樗惶筋^。

控制器：可用三極管放大電路，可用數(shù)字集成電路，也可用專用集成芯片等。

執(zhí)行器：可用不同電壓、功率的繼電器。

被控對象：水泵

3、系統(tǒng)綜合：對可能使目標(biāo)實現(xiàn)的各種方案、管理措施或全系統(tǒng)進(jìn)行綜合；綜合考慮系統(tǒng)的水漏電的安全性、電路簡捷工作可靠、造價等因素，選用合適的傳感器、控制電路結(jié)構(gòu)、繼電器的種類和被控水泵。

4、系統(tǒng)分析：制作模型；以實現(xiàn)目標(biāo)、解決問題、滿足需要為前提，深入地進(jìn)行分析；

（1）水箱中的水位探頭示意圖：

水箱中水位探頭位置如圖9.21所示，a為電源電壓引出端，b為低水位探頭，

c為高水位探頭。a、b、c為三根裸露的硬銅電線。

a

b低水位

C高水位

ABC

圖9.21水箱中水位探頭位置示意圖

（2）水箱水位閉環(huán)電子控制系統(tǒng)方框圖：

輸入控制電壓

探頭C確定高水位，b確定低水位

控制處理

與非門構(gòu)成觸發(fā)器控制

被控對象

繼電器、水泵

輸出

水箱中的水

檢測反饋

由bc兩個探頭組成水位傳感器檢測水位的高低

比較環(huán)節(jié)

圖9.22水箱水位閉環(huán)電子控制系統(tǒng)方框圖

（3）用RS觸發(fā)器為控制器構(gòu)成水位自動控制電路

用RS觸發(fā)器為控制器構(gòu)成水箱水位閉環(huán)電子控制電路如圖9.23所示；U2、U3由兩個與非門的輸出交叉反饋構(gòu)成具有記憶功能的電路——基本RS觸發(fā)器，其工作過程如下：

（a）當(dāng)水位低于b時，Ub＝0、Uc＝0、L＝1、g＝1、e＝0，S＝0，三極管VT截止、繼電器釋放、電源經(jīng)常閉觸點接通電動機(jī)控制水泵給水箱輸水；

(b)當(dāng)水位到達(dá)b時，a、b之間因水導(dǎo)通，Ub＝1、Uc＝0、g＝1、L＝1、S＝0，RS觸發(fā)器維持原態(tài)，三極管VT截止，水泵繼續(xù)給水箱輸水；

(c)當(dāng)水位到達(dá)c點時，Ub＝1、Uc＝1、g＝0、S＝1、L＝0,三極管VT飽和導(dǎo)通、繼電器吸合、電動機(jī)斷電、水泵停止給水箱輸水；

(d)當(dāng)水位低于c點時，Ub＝1、Uc＝0、g＝1、L＝0、S＝1,RS觸發(fā)器維持原態(tài)，三極管VT飽和導(dǎo)通、繼電器吸合、電動機(jī)斷電、水泵停止給水箱輸水；

(e)當(dāng)水位低于b點時，重復(fù)①的過程。

J

M

～220V

圖9.23RS觸發(fā)器構(gòu)成水位控制電路

五、遙控電子系統(tǒng)介紹：

1、概述：

（1）遙控的概念：對被控對象的內(nèi)部電參數(shù)（如音量、對比度、亮度）、工作狀態(tài)（繼電器的吸合、電機(jī)的正反轉(zhuǎn)）進(jìn)行遠(yuǎn)距離操縱。

（2）遙控的應(yīng)用：航模、艦?zāi)?、宇宙飛船、導(dǎo)彈、遙控電視等。

（3）紅外遙控：使用880～940nm波長的近紅外線作為信號的載體來傳送遙控命令。具有不易散射、穿透力強(qiáng)、不易受干擾和易于產(chǎn)生等優(yōu)點；但它也有作用距離短、方向性強(qiáng)和不能跨越墻壁等障礙物的阻擋等缺點。

2、紅外遙控系統(tǒng)的基本組成：

其組成方框圖如圖9.24所示

命令輸入

命令生成

紅外發(fā)射

紅外接收

命令解釋

命令執(zhí)行

受控對象

圖9.24紅外遙控系統(tǒng)組成

（1）遙控命令輸入：

一般由按鈕、鍵盤等構(gòu)成。人們通過按鈕、鍵盤等將預(yù)先定義的命令輸入到有關(guān)電路中去。

（2）遙控命令生成：

將按鈕、鍵盤等輸入的遙控命令，通過其電路處理生成不同的數(shù)字脈沖信號代表不同的命令，這個過程稱為“編碼”。

（3）紅外發(fā)射：

將數(shù)字脈沖信號通過紅外發(fā)射管轉(zhuǎn)換為紅外線發(fā)射。

（4）紅外接收：

用紅外接收器件（光電二極管、光電三極管）將感受到的紅外光脈沖信號，轉(zhuǎn)換為電脈沖信號，即先進(jìn)行光/電轉(zhuǎn)換，然后進(jìn)行放大和去除干擾等預(yù)處理。

（5）命令解釋：

命令解釋是命令生成的相反過程。稱為“解碼”，經(jīng)解碼電路將命令信息內(nèi)容的“串行”信號轉(zhuǎn)換為“并行”信號，每個命令內(nèi)容都對應(yīng)一根輸出線，每根輸出線對應(yīng)一個執(zhí)行機(jī)構(gòu)，控制多路對象。

（6）命令執(zhí)行機(jī)構(gòu)：

可實現(xiàn)對受控對象的控制，有繼電器、伺服電機(jī)、可控硅等。

3、紅外發(fā)射器件：

（1）幾種主要紅外發(fā)射二極管（IRLED）的主要參數(shù)：

型號

發(fā)射功率Pc

(mW)

IF=50mA

峰值波長

（nm）

正向壓降UF（V）

IF=50mA

材料

封裝（mm）

特點

L5IR3

7

940

1.3

GaAs鎵、砷化合物

透明φ5

經(jīng)濟(jì)普通

L5IR880B

12.25

880

1.45

GaAlAs鎵

鋁砷化合物

透明φ5

高功率

(IF為紅外二極管所允許的平均正向電流)

IR

RC

+Vcc

Rb

UK

VT

（2）紅外發(fā)射二極管的驅(qū)動電路：

如圖9.25電路所示

UK輸入脈沖信號，三極管

工作在開關(guān)狀態(tài)，使紅外發(fā)射

二極管工作在快速斷續(xù)狀態(tài)，

斷續(xù)工作時，紅外二極管承受

的瞬間電流大，可以大于2IF。

這就使紅外管的發(fā)射功率增大，圖9.25NPN三極管驅(qū)動電路

發(fā)射作用距離增大；而且在實際電路中，傳送的是脈沖編碼信號而非連續(xù)的單值信號。

4、紅外接收器件：

是一種紅外線傳感器，作用是將所接收的紅外光轉(zhuǎn)換為電信號。有光電二極管和光電三極管。

幾種典型的光電器件的主要參數(shù)如下表所示：

名稱

型號

響應(yīng)光譜

（nm）

光電流

暗電流

反壓UR

（V）

功率

（mW）

光電二極管

2CU33IR

700～1100

>50uA

<5nA

>30

光電二極管

2CU35IR

700～1100

>25uA

<5nA

>30

光電三極管

3DU030IR

700～1050

>2mA

<0.