专题十二 电子控制系统及其应用-普通高中春招考试备考教材 通用技术（第六版）

专题十二　 电子控制系统及其应用 课程标准 １．能描述电子控制系统的基本组成，用方框图分析常见的电子控制系统的工作过程。 ２．会应用功能电路设计开环电子控制系统和简单的闭环电子控制系统，并进行安装、调 试和改进。 考试要求 知识点 内　 容 考试层次 Ａ Ｂ Ｃ 电子控制的含义 正确识别电子控制，熟悉控制过程 √ 基本控制电路 基本控制电路组成 √ 开环控制电路 掌握开环电子控制系统的设计 √ 闭环控制电路 掌握闭环电子控制系统的设计 √ 知识点拨 １．电子控制系统 电子控制系统是以电子技术为核心的控制系统。 电子控制系统一般可分为输入、控制 （处理）和输出三个基本的组成部分。 输入部分通常由传感器组成；控制（处理）部分一般由 电子元件或集成电路构成，它能对输入的信号进行分析比较和处理，然后发出执行指令；输 出部分就是执行机构，通过该部分能完成任务或达到特定功能，可以由继电器组成。 电子控制系统在生活中应用非常广泛，比如，路灯的自动开启和关闭控制、电冰箱的恒 温控制、微波炉的火力控制等。 ２．基本的单元电路 （１）振荡器 非门振荡电路如图 １２⁃１ 所示。 假设非门 Ｂ 输出高电平，由于电容 Ｃ１ 两端电压不能突 变，则非门 Ａ 输入也为高电平，非门 Ａ 输出为低电平，则非门 Ｂ 输出为高电平，此时保持非 ２２２ 图 １２⁃１ 门 Ｂ 输出脉冲为高电平，给电容 Ｃ１ 充电；随着 Ｃ１ 电 容的充电，Ｃ１ 充得上正下负的电压，电容下端的负电 压重新使非门 Ａ 的输入电压下降，当电压下降到非门 关断电压时，非门 Ａ 输出翻转为高电平，非门 Ｂ 也跟 着翻转输出低电平，此时会改变电容 Ｃ１ 的充电方向， 会由非门 Ａ 通过电阻 Ｒ１ 给电容 Ｃ１ 反向充电，先是与 原来电荷中和，随后电容 Ｃ１ 充成下正上负的电压，当下正电压上升到使非门 Ａ 开门电平时， 非门 Ａ 输出低电平。 如此反复循环，产生方波，发光二极管出现闪烁。 非门振荡电路可采用 非门芯片 ４０６９ 形成。 频率计算公式：ｆ＝ １ ／ （２．２×Ｒ×Ｃ）。 （２）比较器 电压比较器的基本功能是能对两个输入电压的大小进行比较，判断比较的结果用输出 电压的高和低来表示。 它有两个输入端：同相输入端（“＋”端）及反相输入端（“－”端）；有一 个输出端 Ｖｏｕｔ（输出电平信号）。 常见的比较器 ＬＭ３９３ 由两个比较电路构成，它的内部结构 及性能如图 １２⁃２ 所示。 图 １２⁃２ （３）电压放大器 集成运算放大集成电路 ＣＦ７４１（ＵＡ７４１），其实质是一只比较器，它可调节 ５ 脚电压，动 态使失调电压为零。 它的电路符号及功能如图 １２⁃３ 所示。 图 １２⁃３ （４）ＮＥ５５５ 时基电路 因其内部有 ３ 个 ５ ｋΩ 电阻组成的分压器而得名，内部还有 ２ 个比较器、１ 个基本 ＲＳ 触 发器和 １ 个反相缓冲器。 原理如图 １２⁃４ 所示。 ８ 脚为电源脚，可供电压 ４．５～ １６ Ｖ，１ 脚为公 共接地端；３ 脚为输出端，可输出高低电平，最大电流为 ２００ ｍＡ；４ 脚为复位脚，当接低电平 时复位，输出为低电平，接高电平时，进入工作状态；５ 脚为控制脚，控制芯片的阈值电压，当 脚为空时，默认的阈值电压为 １ ／ ３Ｖｃｃ 和 ２ ／ ３Ｖｃｃ；２ 脚为触发引脚，当电压低于阈值电压或低 于 １ ／ ３Ｖｃｃ 时，３ 脚为输出高电平；６ 脚为阈值引脚，当输入电压高于阈值电压或高于 ２ ／ ３Ｖｃｃ ３２２ 时，３ 脚为输出低电平；７ 脚为放电引脚，用于电源电容放电，它与 ３ 脚输出电平同步一致。 图 １２⁃４ ５５５ 时基电路增值表见表 １２⁃１。 表 １２⁃１ 复位脚（４） 触发脚（２） 阈值脚（６） 输出脚（３） 放电脚（７） ０ × × ０ 接地 １ 小于 １ ／ ３Ｖｃｃ 小于 ２ ／ ３Ｖｃｃ １ 断开 １ 大于 １ ／ ３Ｖｃｃ 小于 ２ ／ ３Ｖｃｃ 保持 保持 １ 大于 １ ／ ３Ｖｃｃ 大于 ２ ／ ３Ｖｃｃ ０ 接地 典型的 ５５５ 时基电路如图 １２⁃５ 所示。 图 １２⁃５ ３．开环电子控制系统 开环电子控制系统是以电子技术作为控制的手段，系统的输出结果对系统的控制没有 影响，被控量的变化不会引起控制量改变的系统。 该系统没有反馈。 开环的控制系统的组 成方框图如图 １２⁃６ 所示。 图 １２⁃６ ４２２ ４．闭环电子控制系统 闭环电子控制系统能对输出结果进行检测，并将检测信号反馈到控制处理部分，从而对 系统的控制产生影响。 它在开环基础上增加反馈回路，具有较高的控制精度，可实现自动控 制。 闭环电子控制系统的组成方框图如图 １２⁃７ 所示。 图 １２⁃７ ５．电子控制系统设计的一般过程 ①首先确定控制量和被控对象；②再根据控制的精度确定选择开环控制还是闭环控制； ③然后参考资料，落实各个单元电路，形成完整控制系统；④进行安装与调试；⑤最后优化改 进和完善。 典型案例分析 【案例 １】下列控制系统中，属于闭环电子控制系统的是（　 　 ）。 Ａ．上课铃声控制系统 Ｂ．教室烧水器的保温控制系统 Ｃ．校园的车辆出入自动抬杆控制系统 Ｄ．抽水马桶自动水位控制系统 【答案】Ｂ 【解析】本题主要考查电子控制和闭环控制的特点。 电子控制以电子电路为核心；闭环 控制一定存在反馈环节。 Ａ 和 Ｃ 控制系统无反馈，为开环电子控制系统。 Ｄ 虽然是闭环控 制系统，但是其为机械控制，故也不属于闭环电子控制系统。 故本题的正确答案是 Ｂ。 【案例 ２】小明同学用 ＬＭ３９３ 设计了如图 １２⁃８ 所示的温度控制指示电路，其中 ＩＣ１、ＩＣ２ 为集成运算 ＬＭ３９３ 的比较器，功能特性如表所示。 本电路正常工作时，要求温度过高时只 能点亮绿灯，温度过低时只能点亮红灯。 但在调试时，他发现温度过高时，只点亮了红灯，温 度过低只点亮了绿灯。 你认为造成该现象可能的原因是（　 　 ）。 图 １２⁃８ ５２２ Ａ．Ｒ４ 阻值偏小 Ｂ．Ｒ６ 阻值偏小 Ｃ．Ｒ１ 的阻值没有调好 Ｄ．Ｒｔ 为正温度系统热敏电阻 【答案】Ｄ 【解析】本题主要考查比较器及各元件的性质。 如果 Ｒｔ 为正温度系数热敏电阻，随着温 度升高，当检测到的温度过高时，Ｒｔ 上电压最高，也就是 ３、６ 脚电压最高，当 ３ 脚高于 ２ 脚 时，１ 脚是输出高电平，ＶＤ２ 发亮，而 ＶＤ１ 不亮；随着温度降低，Ｒｔ 上电压降低，３、６ 脚上电压 都降低，当 ６ 脚低于 ５ 脚时，７ 脚是输出高电平，ＶＤ１ 发亮、ＶＤ２ 不亮；如果 Ｒｔ 为负温度系统 热敏电阻，结果刚好与上相反。 而 Ｒ１ 只影响起始控制点，Ｒ４、Ｒ６ 只影响亮度。 故本题的正 确答案是 Ｄ。 【案例 ３】小明搭建了如图 １２⁃９ 所示电路，电路中 ＣＦ７４１ 为电压比较器，它的性能如表所 示。 他进行了以下测试，调节 ＲＰ１与 ＲＰ２，蜂鸣器发出声响，二极管 ＶＤ 点亮。 如果他再用黑 布完全遮挡住 Ｒｇ，蜂鸣器与发光二极管 ＶＤ 可能处于的工作状态是（　 　 ）。 Ａ．蜂鸣器响，ＶＤ 不亮 Ｂ．蜂鸣器不响，ＶＤ 亮 Ｃ．蜂鸣器不响，ＶＤ 不亮 Ｄ．蜂鸣器响，ＶＤ 亮 图 １２⁃９ 【答案】Ｃ 【解析】本题主要考查电子控制系统中比较器的运用特点和门电路的性质。 当用黑布完 全遮挡住 Ｒｇ 时，Ｒｇ 的阻值很大，同相端电位很高，因而 ＣＦ７４１ 的输出端为高电平，此时，Ｖ 截止，蜂鸣器不发声，或门电路取非后输出为低电平，二极管不亮。 故本题的正确答案是 Ｃ。 【案例 ４】如图 １２⁃１０ 所示为小明用 ＣＢ７５５５ 设计的抽水控制电路。 该电路中的集成芯 片 ＣＢ７５５５ 性能如表所示。 当水位低于 ｂ 点时水泵 Ｍ 加水，水位达到 ａ 点时停止加水。 下 列关于该电路的说法中不正确 ∙∙∙ 的是（　 　 ）。 图 １２⁃１０ ６２２ Ａ．水位降到 ｂ 点以下时，２ 脚的电位会低于 １ ／ ３Ｖｃｃ Ｂ．由于加水电机启动，水位由低水位向高水位不断升高的过程中，指示灯 ＶＤ２ 会点亮 Ｃ．到最高水位接触 ａ 点时，６ 脚电位会高于 ２ ／ ３Ｖｃｃ，此时加水电机停止工作 Ｄ．水位到达最高，电机停止时，指示灯 ＶＤ２ 会点亮，直至水位低于 ｂ 点，ＶＤ２ 才会熄灭 【答案】Ｂ 【解析】本题主要考查 ＮＥ５５５ 集成电路的设计运用。 在本电路中，由于 ＮＥ５５５ 的 ７ 脚与 ３ 脚电平一致。 在加水过程中，３、７ 脚均为高电位，指示灯 ＶＤ２ 不亮；在达到最高水位后 ３、７ 脚输出是低电平，ＶＤ２ 会发亮。 因此本题的答案是 Ｂ。 图 １２⁃１１ 【案例 ５】如图 １２⁃１１ 所示是小明为一款 伸缩雨篷设计的自动伸缩电机控制电路，其 中 Ｒｔ 是负温度系数热敏电阻，ＲＳ 为湿敏电 阻，ＩＣ１ 为或门电路，继电器 Ｊ 通过开关 Ｊ⁃１ 控制电机 Ｍ 的运转。 当烈日暴晒或下雨时 电机 Ｍ 都会运转，带动雨布轴将雨布伸出打 开。 根据以上描述请完成以下任务： （１）当下雨湿度增加时，ＲＳ 的电阻值将 （在“①增大；②减小；③不变”中选 择一项，将序号填写在“ ”处）； （２）小明搭好电路之后进行测试，下雨测试完全正常，但在高温时，电机不转动，雨篷没 有打开。 你认为可能的原因是 （在“①Ｒ１ 虚焊；②热敏电阻 Ｒｔ 虚焊；③Ｒｔ 短路”中 选择一项，将序号填写在“ ”处）。 【答案】（１）②；（２）②。 【解析】本题主要考查电子控制系统的设计运用。 在本电路中，由于或门电路是逻辑加 运算，因此输入端只要有一个为高电平，输出即为高电平，三极管即导通，电动机就会转动， 伸缩雨篷就会打开。 在（１）中根据题意，只要当 Ｒｓ 电阻变小，Ｂ 点电位就升高，或门电路就 会输出高电平，故答案是②；在（２）题中，要让 Ａ 点电位不升高，Ｒｔ 断路，Ａ 点没有供电，或门 电路就不会输出高电平，电机就不转动。 而 Ｒ１ 虚焊或 Ｒｔ 短路都会导制 Ａ 点电位升高，电机 转动，故答案是②。 知识结构 ７２２ 专题检测 单项选择题 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　１．电子控制系统可以分为闭环电子控制系统和开环电子控制系统两种，下列关于闭环 电子控制系统和开环电子控制系统的说法中，错误 ∙∙ 的是（　 　 ）。 Ａ．开环电子控制系统相对闭环控制系统，控制精度通常要低 Ｂ．开环电子控制系统中没有反馈环节 Ｃ．相同任务中，采用闭环或开环电子控制系统在设计造价上没有区别 Ｄ．闭环电子控制系统相对开环电子控制系统的抗干扰性更强 ２．在电子控制系统的控制信息传递过程中，以下说法正确的是（　 　 ）。 Ａ．传感器只能吸收来自系统外界的输入信号 Ｂ．在电子控制系统电路中，一定存在电子传感器元件 Ｃ．开环电子控制系统的信号只能从输入端送至输出端 Ｄ．闭环电子控制系统的信号只能从输出端送至输入端 ３．下列控制系统中，属于闭环电子控制系统的是（　 　 ）。 Ａ．语音智能晾衣架升降控制系统 Ｂ．操场自动升旗控制系统 Ｃ．高速公路汽车测速扫描系统 Ｄ．室内中央空调温度控制系统 如图 １２⁃１２ 所示为小明在实验室用 ＬＭ３９３ 设计的天亮灯光报警电路。 其中 ＲＬ 是光敏 电阻，ＤＬ 为蜂鸣器，ＶＤ１ 为发光二极管，ＬＭ３９３ 内部 Ｃ１ 比较器的功能如表所示。 请根据描 述的内容，完成 ４—５ 两题。 图 １２⁃１２ ４．关于以上电路，下列说法中分析不正确 ∙∙∙ 的是（　 　 ）。 Ａ．由于电路要一直检测环境光照的情况，因此该电路是电子闭环控制电路 Ｂ．环境中有光照时，调节 ＲＰ１与 ＲＰ２，就可点亮发光二极管 Ｃ．本电路可利用光敏电阻在光照时改变电阻获得输入信号 Ｄ．比较器 Ｃ１ 输出端低电平时，三极管导通 ５．电路调试时，以下说法不正确 ∙∙∙ 的是（　 　 ）。 Ａ．ＲＰ１阻值调得过小时，黑暗中，发光二极管也可能发亮 ８２２ Ｂ．ＲＰ２阻值调得过小时，黑暗中，发光二极管也可能发亮 Ｃ．正常工作时，如果只改变 Ｒ３ 的电阻值，发光二极管的亮度也会改变 Ｄ．二极管点亮的瞬间，蜂鸣器会发出声音 ６．如图 １２⁃１３ 所示为小明在实验室用 ＬＭ３９３ 设计的一款简易高温报警指示装置的电路 图。 其中 Ｒｔ 是负温度系数热敏电阻，ＬＭ３９３ 内部 Ｃ１ 比较器的功能如表所示。 关于该电路， 下列说法不正确 ∙∙∙ 的是（　 　 ）。 图 １２⁃１３ Ａ．ＲＰ１一定的情况下，ＲＰ２调大，报警温度会降低 Ｂ．当 １ 脚输出为高电平时，Ｖ 导通，ＶＤ 发光 Ｃ．ＲＰ２一定的情况下，ＲＰ１调小，报警温度会增大 Ｄ．温度越高，Ｒｔ 的电阻越小 小明接到一项任务，准备为蔬菜大棚设计一个恒温、恒湿的电子控制系统。 他选用了正 温度系数电阻 Ｒｔ、湿敏电阻 Ｒｓ、比较器 ＬＭ３９３、两只继电器 Ｊ１ 与 Ｊ２ 以及设备 Ｍ１ 与 Ｍ２ 完成 任务，其具体电路及 ＬＭ３９３ 的功能如图 １２⁃１４ 所示，请根据以上描述，完成 ７－９ 题。 图 １２⁃１４ ７．在安装以上电路的过程中，小明一定用不到的电子元件是（　 　 ）。 Ａ． Ｂ． Ｃ． Ｄ． ９２２ ８．在小明设计的电路中，关于设备 Ｍ１ 与 Ｍ２ 的性能描述最合适的是（　 　 ）。 Ａ．Ｍ１ 可设计为加湿电机，大棚湿度较大时 Ｊ１ 吸合 Ｂ．Ｍ１ 可设计为加热电阻丝，大棚温度较高时 Ｊ１ 吸合 Ｃ．Ｍ２ 可设计为加湿电机，大棚湿度较低时 Ｊ２ 吸合 Ｄ．Ｍ２ 可设计为加热电阻丝，大棚温度较低时 Ｊ２ 吸合 ９．关于该电路的功能分析，以下说法不正确 ∙∙∙ 的是（　 　 ）。 Ａ．随着温度的升高，比较器 Ｃ２ 的 ７ 脚会输出高电平，三极管 Ｖ２ 会导通，继电器 Ｊ２ 会 断开 Ｂ．将电位器 Ｒｐ 中心向下滑动，设定的温度将会下降 Ｃ．将电位器 Ｒｐ 中心向下滑动，设定的湿度将会下降 Ｄ．该电路是闭环电子控制系统 如图 １２⁃１５ 所示为小明设计的自动浇花控制电路。 该电路由 ａ、 ｂ 探针、时基电路 ＮＥ５５５、三极管 Ｖ、继电器 Ｊ 和水泵电机 Ｍ 等组成。 当花盆中土壤湿度较小时，探针 ａ、ｂ 之间 的电阻值较大，使得 ３ 脚输出为高电位，继电器吸合，启动水泵往花盆里加水；当土壤湿度达 到设定值，探针 ａ 和探针 ｂ 之间的电阻值较小，水泵停止加水。 其中时基电路 ＮＥ５５５ 的功能 如表所示。 请根据以上内容，完成 １０、１１ 题。 图 １２⁃１５ 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　１０．关于该电路，以下说法错误 ∙∙ 的是（　 　 ）。 Ａ．该电路是闭环电子控制系统 Ｂ．如果要提高花盆中土壤的湿度，可以将电位器 Ｒｐ 中心向下滑动 Ｃ．与继电器并联的二极管最好不要去掉，可以保护三极管 Ｄ．本电路的探针 ａ 和探针 ｂ 可用湿度传感器代替 １１．在该电路调试过程中，无论花盆中土壤的干湿程度如何，水泵 Ｍ 始终处于加水状态， 造成该现象的原因可能是（　 　 ）。 Ａ．探针 ａ 和探针 ｂ 碰在了一起 Ｂ．三极管 Ｖ 烧坏断路 Ｃ．电阻 Ｒ 两管脚连焊，造成短路 Ｄ．Ｒｐ 中心抽头调整到最上方 如图 １２⁃１６ 所示是小明用运算放大器 ＩＣ 设计的风扇运行控制电路，Ｒｔ 是负温度系数热 ０３２ 敏电阻，当环境温度高于设定值时，风扇电机就会转动，从而让房间通风降温。 在电路中，运 算放大器 ＩＣ 的功能如表所示。 请根据以上描述，完成 １２、１３ 题。 图 １２⁃１６ １２．在制作电路的过程中，根据电路原理图的要求，小明最适合选用的直流电磁继电器 是（　 　 ）。 Ａ． Ｂ． Ｃ． Ｄ． １３．关于该电路的分析，以下说法正确的是（　 　 ）。 Ａ．ＲＰ１电阻由大调小时，可能会使红灯灭，绿灯亮 Ｂ．加热 Ｒｔ 时，可能会使红灯灭，绿灯亮 Ｃ．电路中，Ｒ４ 断路会使红灯灭，绿灯亮 Ｄ．为了在较高的温度下打开风扇，ＲＰ１的阻值要调大 图 １２⁃１７ １４．如图 １２⁃１７ 所示是小明设计的早晚光线亮度 提醒视力保护控制电路的一部分。 当环境光线过亮 或过暗时，蜂鸣器都会发声。 关于该电路，下列说法 不正确 ∙∙∙ 的是（　 　 ）。 Ａ．环境光线过亮或过暗时，或非门应输出为 低电平 Ｂ．晚上光线很暗时，蜂鸣器也不发声，应调 整 Ｒ３ 的阻值 Ｃ．当蜂鸣器鸣叫时，Ｖ 的 Ｕｃｅ应该较小 Ｄ．亮度很强时，可调电阻 Ｒ３ 端为或非门高电平输入端 １５．如图 １２⁃１８ 所示是小明设计的水位控制系统电路，其中 ５５５ 的性能如下：６ 脚电位升 至 ２ ／ ３Ｖｃｃ 时，３ 脚输出低电平，２ 脚电位低至 １ ／ ３Ｖｃｃ 时，３ 脚输出高电平，当水位低于 ｂ 点时 水泵 Ｍ 抽水，水位达到 ａ 点时停止抽水。 请根据描述，完成以下任务。 １３２ 图 １２⁃１８ 　 　 （１）下图中的 ５５５ 时基集成电路管脚对应顺序识别正确的是 （在下列选项中选 择正确的选项，将序号填写在“ ”处）； Ａ． Ｂ． Ｃ． Ｄ． （２）测试电路时发现当 ５５５ 集成电路的 ３ 脚输出高电平时，继电器 Ｊ 不工作，合理的调 节措施是 （在“①减小 Ｒ１ 和 Ｒ２ 的阻值；②减小 Ｒ３ 的阻值；③减小 Ｒ４ 的阻值；④减 小 Ｒ５ 的阻值”中选择合适的选项，将序号填写在“ ”处）； （３）小明设计的控制电路中，忘记设置水泵工作状态指示灯，请你在图 １２⁃１９ 的虚线框 内选择合适的端子连接发光二极管 ＶＤ３ 和电阻 Ｒ６，使得水泵 Ｍ 抽水时 ＶＤ３ 发光，不抽水时 ＶＤ３ 不发光； 图 １２⁃１９ （４）系统工作一段时间后，三极管 Ｖ 损坏，小明准备用手头仅有的 ＰＮＰ 型三极管替代原 ２３２ 来的三极管，请你在图 １２⁃２０ 的虚线框内选择合适的端子重新连接电路。 要求保持系统原 有的功能，继电器线圈接在集电极上。 图 １２⁃２０ ３３２ 专题十二 电子控制系统及其应用 (一)单项选择题 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 C C D A A A A D A B 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 D D B B 15题：(1) A ； (2)②； （3）、（4） 学科网（北京）股份有限公司 $$