第21课 电子控制系统设计4——控制部分2(比较器、联动开关)-【精彩三年】2024-2025学年高中通用技术选择性必修1课程探究与巩固PPT课件（苏教版2019）

第五章│电子控制系统的设计及其应用 ——5　电子控制系统的设计及其应用，教材P98～116 第21课　电子控制系统设计4 ——控制部分2(比较器、联动开关) 新课程目标 1．能利用继电器的触点开关实现比较器的区间控制。　2.能利用三极管的开关自锁实现比较器的区间控制。　3.利用比较器的输出端信号返回输入端实现比较器的区间控制。 目录 CONTENTS 01 命题整体感知 尝试与研析 01 命题整体感知 尝试与研析 命题整体感知 尝试与研析 例1 如图所示，这是小明设计的大棚内部温度控制电路。当温度高于上限值时，通风扇M工作；当温度低于下限值时，通风扇M不工作。其中LM35是一款温度传感器，作用是直接将摄氏温度转换成数值等比的电压信号供后面电路使用。请完成以下任务。 命题整体感知 尝试与研析 (1)小明所设计的电路图中，LED指示灯_____(在“A.能；B.不能”中选择合适的选项，将序号填入“________”处)正常工作。 (2)小明在前期查阅资料时发现，LM35是一款输出电压与环境摄氏温度成负比例关系的温度传感器，根据题目需求，电压比较器IC1和IC2分别控制_____(在“A.上限和下限；B.下限和上限；C.都可以”中选择合适的选项，将序号填入“________”处)。 (3)小明在活动室搭建电路时发现，没有或非门芯片并且只有一个比较器能正常使用，他准备用二极管、NPN型三极管重新设计电路，实现同样 B A 命题整体感知 尝试与研析 的功能。小明画出了部分电路，请在虚线框中用1个电阻和1个二极管补全电路。 命题整体感知 尝试与研析 (4)由于大棚面积过大，通风扇效率过低，在实际操作时，小明决定温度高于上限时通过电机正转(电流由“＋”到“－”)将大棚薄膜翻起来，以便通风，温度低于下限时通过电机反转(电流由“－”到“＋”)将薄膜放下。请在虚线框内画出三极管驱动继电器工作的电路，要求三极管采用共发射极接法，标注J1、J2。 命题整体感知 尝试与研析 【解析】 (1)LED接在三极管V2的基极，当三极管V2导通时，基极电压为0.7 V，不能使LED发光。 (2)当温度高于上限时，Up电位低，UA输出电位高，四输出电位低，UC电位为高，继电器吸合，通风扇工作。当温度低于下限时，Up电位高，UA输出电位低，四输出电位高，UC电位为低，继电器释放，通风扇不工作。说明通风扇工作是由A点高电位决定，通风扇不工作是由B点高电位决定。所以IC1控制的是上限温度，IC2控制的是下限温度。 命题整体感知 尝试与研析 (3)电路原功能具有保持状态。根据现在的电路图和提供的元器件，可知此时需要通过二极管和电阻的反馈，使得电路具有保持功能。因此在接线时，需要从IC的输出端接出，反馈到输入端。假设温度超过上限，结合负系数，可知LM35输出低电平，此时M应接通工作，故IC输出高电平，因此LM35输出端应接IC的“－”输入端。R1下方接线点则接IC的“＋” 命题整体感知 尝试与研析 输入端， 同时为了使得IC在出1的时候， 能够保持输出1, 应将IC输出端的1通过二极管和电阻反馈到IC的“＋”输入端，使得IC的U＋继续大于 U－，IC就保持输出高电平。接二极管时，应将其正极接IC输出端。 (4)根据电路功能和电路图的分析，可知当温度高于上限时，IC1出高，此时IC2出低。当温度低于下限时，IC2出高，此时IC1出低。因此当IC1出高时， 通过NPN三极管驱动J1吸合， 此时J2不吸合， 电机正转。当IC2出高时，通过NPN三极管驱动J2吸合，此时J1不吸合， 电机反转。接线时，基极应串联电阻，起限流保护作用，继电器两端应反向并联二极管，起保护三极管的作用。 命题整体感知 尝试与研析 变式1 如图所示，这是小明设计的晾衣杆控制电路。当白天温度在正常范围内时(既不高也不低)，电机M正转(电流由“＋”到“－”)，带动晾衣杆把衣服送到窗外晾晒，天黑或者温度不正常时，电机M反转将衣服收回；IC1、IC2和IC3为电压比较器，当V＋>V－时输出高电平，当V＋<V－时输出低电平，RT为负温度系数热敏电阻。请完成以下任务。 命题整体感知 尝试与研析 (1)若想把上限温度调低，下限温度不变，合理的调节措施是_____(在“A.调小R7，调大R8，R7和R8的总值不变；B.调大R6，调小R7，R6和R7的总值不变；C.调大R6，调小R8，R6和R8的总值不变”中选择合适的选项，将序号填入“________”处)。 (2)根据功能描述，请用四个2输入或非门完成虚线框中电路的连线设计。 (3)调试时，小明发现电机不是正转就是反转，而且电机运转后不能自动停止，为了解决这个问题，他准备设置限位开关，S1、S2分别为前端(晾衣杆回收后的端口)、末端(晾衣杆伸出后的端口)限位开关(均为常闭型按 B 命题整体感知 尝试与研析 钮开关)，如当晾衣杆伸出到末端晾衣时，限位开关被触碰后断开，从而控制电机停止工作。限位开关S1、S2在电路中的安装位置最合理的是______。 B A.　　　　　　　　　　B.　　　　　　　　　　C. 命题整体感知 尝试与研析 (4)天气不好衣服不容易干，为此小明设计了一个烘干电路，部分电路如下图所示，要求温度低开启加热，到达上限停止加热，请在虚线框中选择合适端口进行连线，实现功能(R3只影响上限)。 命题整体感知 尝试与研析 【解析】 (1)RT为负温度系数热敏电阻，所以温度越高，电阻越低，所以IC1和IC2分别检测上限和下限；R6调大可实现上限温度调低，R7调小并且保持R6＋R7的总值不变，可实现下限温度不变。 (2)根据题意，只有当A＝1、B＝0、C＝0同时满足时，F＝1。 (3)设计限位开关的原则是，S2只能接入正转电路中，不能处在反转电路中，S1同理。 (4)由分析可知，图中R2电平低于R1电平时，加热，R1、R2、R3的逻辑值和模拟值(假设)如图。实现区间控制的方法是：用R3的低电平将R2的低 命题整体感知 尝试与研析 电平拉得更低，形成反馈。考虑到题目要求R3只影响上限，所以可加二极管单向导通。 命题整体感知 尝试与研析 例2 如图所示，这是小明根据电脑CPU降温原理改编设计的自动降温通风装置部分电路，其中IC是运算放大器，当输入电位V＋>V－时，输出高电平；当输入电位V＋<V－时，输出低电平。当温度达到或超过上限时，该装置风扇电机工作，实现通风降温；当温度达到或低于下限时，该风扇停止工作。已知RT是负温度系数 热敏电阻，继电器J触点开关J——1 与J——2联动。请完成以下任务。 命题整体感知 尝试与研析 (1)该电路图中没有用到的电子元器件是_____(在下列选项中选择合适的选项，将序号填入“________”处)。 (2)图中的继电器J应选_____(在“A.5脚继电器；B.6脚继电器；C.8脚继电器”中选择合适的选项，将序号填入“________”处)。 A.　　　　　　B.　　　　　　C.　　　　 　D.　　　　　　E. D C 命题整体感知 尝试与研析 (3)当温度超过上限很多时，风扇还没有转动，在不改变其他工作状态的前提下，以下调节措施中合理的有_____(在“A.调大RP1；B.调小RP1；C.调大RP2；D.调小RP2；E.调大RP3；F.调小RP3”中选择合适的选项，将序号填入“________”处)。 (4)小明用指针式多用电表分别测量了三极管V1的基极与发射极之间的电压Ube及集电极与发射极之间的电压Uce，测量的结果为Ube＝0.7 V，Uce＝1.7 V，VCC＝5 V，继电器线圈额定电压为5 V，下列判断不正确的是_____(在“A.此时V1尚未饱和；B.若继电器没有吸合，则应该调小RP4；C. D D 命题整体感知 尝试与研析 此时V1的发射结正偏，集电结反偏；D.运算放大器没有输出高电平”中选择合适的选项，将序号填入“________”处)。 (5)若在使用一段时间后发现原NPN型三极管烧坏了，现备用的元器件只有PNP型的三极管2只(V2和V3)和一个电阻器R2，其中V2基极已正确接入电路，请在虚线框中将元器件正确地连 接到电路中，使电路保持原有的功能 (注意V3必须采用共发射极接法)。 命题整体感知 尝试与研析 【解析】 (1)由电路图结合电子元器件可知，该电路无电解电容器，即选项D电子元器件。 (2)由电路图可知，触点开关J——1有三个引脚、J——2有两个引脚、线圈有两个引脚，所以继电器至少有7个引脚，所以应选8脚继电器，选项C正确。 (3)设IC的V－端为A点，V＋端为B点。高温时，电机工作，降温通风，说明V1基极输入为高电平，即电压比较器A点电位小于B点电位，所以A点电平降低，说明RT电阻变小，所以为负特性热敏电阻，现在发现超过 命题整体感知 尝试与研析 上限温度时风扇电机还没有工作，则说明B点电位太低，要升高B点电位，即调小RP2的电阻，选项D正确。 (4)电压比较器输出端只能输出高电平(VCC)和低电平(0)，再由题干可知，V1处于放大状态，因此继电器不能吸合，要让V1进入饱和状态，只能增大基极电流，所以调小RP4的电阻，选项D正确。 (5)V1基极输入高电平时，继电器工作，所以对于PNP，基极输入低电平时工作。 命题整体感知 尝试与研析 变式1 小明设计了如图所示的煤气泄漏报警电路，当厨房内煤气浓度超过设定值或厨房内温度过高时，LED灯V2均会报警；若是煤气浓度过大，还会启动排风系统M工作。气敏电阻器AB在煤气浓度变化时会发生变化，RT为负温度系数热敏电阻。请完成以下任务。 命题整体感知 尝试与研析 (1)当煤气浓度增加时，气敏电阻器AB之间的电阻将_____(在“A.增大；B.减少；C.不变”中选择合适的选项，将序号填入“________”处)。 (2)当厨房内煤气浓度超过设定值或厨房内温度过高时，V2均会发光报警，请用不超过四个2输入或非门补全虚线框1中的电路。 【答案】 如图 B 命题整体感知 尝试与研析 (3)煤气浓度过大V2报警，同时排风系统开始排风，当煤气浓度小于设定值时，V2将_____(在“A.立即熄灭；B.保持发光；C.逐渐熄灭”中选择合适的选项，将序号填入“________”处)。 (4)在调试过程中，小明发现煤气浓度过大时，排风系统 会反复地通断。若想要排风系统启动后，使煤气浓度下 降到一定值时再自动关闭排风系统，请利用继电器的另一组转换触点与一个电阻器，选择合适的端口，对图中虚线框2中的电路进行改进。 B 命题整体感知 尝试与研析 【解析】 (1)由“若是煤气浓度过大，还会启动排风系统M工作”可知，当煤气浓度增加时，气敏电阻器AB的电阻减小，信号电平降低，IC1出0，V4导通，J工作，J——1吸合，M启动。 (2)A＝1或B＝0均可触发F＝1，考虑到题目给出的是或非门，输入条件为1有效，所以将A＝1直接输入或非门即可，将B＝0用通过反相器再输入或非门，即可实现“有1出0”，但输出需要1信号，所以结果需要再次反相。 (3)当V7左边获得高电平信号，V2发光，V3be正偏，V1be正偏，V1ce导通， 命题整体感知 尝试与研析 形成保持电路，当煤气浓度小于设定值时，V2保持发光。 (4)将频繁启停的单点控制系统改造为区间控制系统，即增加煤气浓度下限设计。当IC1一旦出0(排风系统启动)，即通过一组常开触点实现在R2两端并联一个电阻器，相当于调小R2，提高参考电平，使得AB间电阻需要更大(煤气浓度更低)才能使IC1出1(排风系统关停)。 命题整体感知 尝试与研析 例3 [2023·丽水中学检测]小明根据所学电控知识，设计了如图1所示的恒温控制电路。当温度低于下限时，加热器开始加热；当温度高于上限时，继电器断开，停止加热。比较器的功能：当V＋>V－时输出高电平，当V＋<V－时输出低电平。请完成以下任务。 命题整体感知 尝试与研析 (1)为实现电路功能，热敏电阻应选用_____(在“A.正温度系数热敏电阻；B.负温度系数热敏电阻”中选择合适的选项，将序号填入“________”处)。 (2)为实现电路功能，请选择合适的三极管并在图1虚线框1中完成电路的连接。 (3)为增加一个加热发光指示电路，请选择合适的电子元器件并在图1虚线框2中完成电路的连接。 (4)小明在进行实物连接的时候发现手头只有一个三极管，于是利用同一块芯片上的两个比较器重新设计了以下电路。请帮助小明完成图2虚线 A 命题整体感知 尝试与研析 框3中的电路连线，实现上述功能。 【解析】 (1)用极端状态判断正负系数。假设当前温度低于下限，则加热器应该加热，继电器应吸合，V1应导通，VC1输出高电平，因U－为固定值，则U＋为高电平，RT阻值小，故为正温度系数热敏电阻。 命题整体感知 尝试与研析 (2)若仅有VC1，则U＋＞U－时出高，U＋＜U－时出低，电路为单点控制。若要区分上下限形成区间控制，需通过R5将输出信号返回到输入端，因此R5接三极管的基极控制三极管ce端的通断，使R3与RP并联。当低温加热时，VC1输出高电平，继电器吸合，开始加热，温度上升后，RT电阻变大，U＋电压降低，此时为保持继续加热，通过使三极管截止，让R3不再与RP并联，可使U＋电压升高，继续保持加热。故基极高电平时，三极管截止，应选用PNP三极管。 (3)VC1输出为高电平时，开始加热，发光二极管应连在下端，与电阻 命题整体感知 尝试与研析 串联。 (4)当温度低于下限时，RT电阻变小，A点出低电平；加热器开始加热，G为1，H为0，则E为1，F为1，A点应连VC1的U－和VC2的U－。温度上升，且温度介于上下限之间时，加热器保持加热，G和H均为1，则E为1，F为0，因此VC2负责下限，因为UB＞UC，故C与VC2的U＋连，继而推出B与VC1的U＋连。 命题整体感知 尝试与研析 |随|堂|检|测| 小明参观某现代农业技术学校的花卉大棚基地时，发现温度过高时，需要人工打开四周的通风窗来调节棚内温度，操作很烦琐。小明想运用通用技术教材中的知识，实现通风窗的自动控制。当棚内温度高于上限时，打开通风窗(通过电机的电流从“b”到“a”)，碰到限位开关S2后，停止转动；当棚内温度低于下限时，关闭通风窗，碰到限位开关S1后，停止转动。请完成以下任务。 命题整体感知 尝试与研析 (1)热敏电阻RT应该选用_____(在“A.正温度系数热敏电阻；B.负温度系数热敏电阻”中选择合适的选项，将序号填入“________”处)。 (2)当大棚内的温度在下限和上限之间时，对F点的电平判断正确的是_____(在“A.高电平；B.低电平；C.高、低电平都有可能”中选择合适的选项，将序号填入“________”处)。 A C 命题整体感知 尝试与研析 (3)调试时，小明发现RP1和RP2都影响温度的下限和上限，无法调试成功。小明准备用图2或者图3方案替代图1虚线框中的电路，图2方案中RP2只与下限值有关，图3方案中RP2只与上限值有关。请在图2所示的虚线框中补画1个二极管并连线，在图3所示的虚线框中补画1个三极管并在合适的端子连线实现设计要求。 命题整体感知 尝试与研析 【解析】 (1)用反推的方法，当棚内温度高于上限时，打开通风窗(通过电机的电流从“b”到“a”)，所以应该是J2吸合，F＝0，左边比较器的V＋电位应为低电位，温度越高，阻值越高，所以是正温度系数热敏电阻。 (2)当棚内温度高于上限时，左边比较器的V＋电位应为低电位，温度在上限和下限之间时，相当于RP1和RP2并联，左边比较器的V＋电位还是为低电位。当棚内温度低于下限时，左边比较器的V＋电位为高电位，温度下降在下限和上限之间时，相当于RP2与RT并联，左边比较器的V＋电位还是为高电位，所以高、低电平都有可能。 命题整体感知 尝试与研析 (3)当棚内温度高于上限时，左边比较器输出为0，这时RP2需要接入电路，温度下降过程，保持，低于下限时，比较器出1，这时RP2影响着下限。同理，图3中当棚内温度低于下限时，右边比较器出1，这时RP2需要接入电路，温度上升过程中，保持，高于上限时，比较器出0，RP2影响着上限。   感谢聆听，再见！ $$