内容正文:
高效作业21[第21课 电子控制系统设计
4——控制部分2(比较器、联动开关)]
1
2
3
4
5
6
7
8
9
1.小红同学设计了一个如图1所示的智能室内湿度控制电路,把室内湿度控制在人体适宜的湿度范围内(60%~70%)。当湿度低于下限时,开启加湿系统对室内进行加湿(即继电器J1吸合),当湿度高于上限时,开启除湿系统对室内进行除湿(即继电器J2吸合)。比较器功能:当V+>V-时输出高电平,V+<V-时输出低电平。请完成以下任务。
(1)当湿度超过上限时,三极管V2处于______
(在“A.截止;B.放大;C.饱和导通”中选择合
[A级 新教材落实与巩固]
A
适的选项,将序号填入“________”处)状态。
(2)若调小RP4的阻值,湿度上限______,下限______(在“A.变低;B.不变;C.变高”中选择合适的选项,将序号填入“________”处)。
(3)测试时发现,当湿度低于下限时,加湿系统和除湿系统都处于开启状态,下列原因可能是______(在“A.三极管V2的c、e极短路;B.三极管V4的c、e极短路;C.RP1短路;D.RP1断路”中选择合适的选项,将序号填入“________”处)。
(4)小红发现在没人的时候电路也会工作,比较浪费电,为了改进电路,
C
A
B
小红找来了微波雷达探测模块来采集室内有无人的信号。IC为微波雷达探测模块,当探测到有人时,IC输出高电平;当室内无人时,无论室内湿度如何变化,加湿系统和除湿系统都不会启动。只有当室内有人且湿度低于下限时,加湿系统开启,对室内进行加湿(即继电器J1吸合);当室内有人且湿度高于上限时,除湿系统开启,对室内进行除湿(即继电器J2吸合)。现部分电路已搭建好(如图2),请在虚线框中利用至多4个与非门实现电路功能。
【答案】 如图
【解析】 (1)当湿度超过上限时,J2吸合,可知电压比较器输出低电平,V2截止,V4饱和导通。
(2)湿度到达上限前,比较器V+>V-,输出高电平,是加湿状态,这时的反馈电阻RP4右端高电位,等效于与RP2并联。调小RP4的阻值,RP2和RP4的并联电阻减小,V+升高。比较器转换临界V-=V+也相应提高,要求RS的电阻更小,即为湿度上限变高。湿度到达下限前,比较器V->V+,输出低电平,是除湿状态,这时的反馈电阻RP4右端低电位,等效于与RP3并联。调小RP4的阻值,RP3和RP4的并联电阻减小,V+降低,比较转换器临界V-=V+也相应降低,即要求RS的电阻更大,即湿度下限降低。
A B X Y
1 1 1 1
0 1 0 0
1 0 0 1
0 0 0 1
(3)当湿度低于下限时,加湿系统正常工作,而除湿系统应该是关闭的。但除湿系统开启了,原因应该是三极管V4的c、e极短路,使J2线圈仍然处于通电吸合状态。
(4)设比较器输出为A,IC输出为B;设R5左端为X,R6左端为Y。根据题干要求,A、B、X、Y逻辑关系的真值表是:
1
2
3
4
5
6
7
8
9
2.2023·台州中学检测如图1所示,这是小明搭建的热水壶保温控制实验电路,V1、V2处于放大状态。要求当温度低于60℃时,D2发光,代表加热器加热。IC工作原理:U+>U-时,Uo=VCC;U+<U-时,Uo=0。请完成以下任务。
(1)根据电路的功能可知,热敏电阻RT的
类型是_____(在“A.PTC;B.NTC”中选
择合适的选项,将序号填入“________”处)。
(2)在如图1所示的电路中,若要求当温度低于50 ℃时,D2发光,下列调
A
试方案中不能实现的是_____(在“A.调小RP;B.调大R2;C.调大R4;D.调大R5”中选择合适的选项,将序号填入“________”处)。
(3)小明发现当温度在60 ℃左右时,继电器会出现频繁的吸合、释放。请用一个电阻补全图2虚线框中的电路,能实现将温度控制在某范围内,避免继电器频繁动作。
B
(4)小明想使该保温实验电路具有防空烧的保护功能,即检测到水壶中没水时,D2始终处于熄灭状态。已知有水时a点为高电平,无水时a点为低电平。现提供两个二极管,一个电阻,在虚线框中设计合适的电路实现上述功能。
【解析】 (1)根据题意,温度低的时候,D2发光。D2要
发光,J——1常开触点要闭合,J吸合,V3导通,IC输
出高电平,U-低电平,U-=R4×Ic2,R4不变,Ic2减小,
三极管处于放大状态,Ib2减小,VCC-UB减小,UB电位
增大,UB=VCC-R1×Ic1,Ic1减小,三极管放大状态,Ib1减小,UA减小,RT减小。
(2)选项B,调大R2,C点电位升高,A点主要是由RP和RT分压得出,基本不变,所以A、C两点之间的电势差减小,Ib1减小,因为三极管处于放大
状态,Ic1减小,R1×Ic1减小,B点电位增大,VCC-UB电势差减少,Ib2减小,因为三极管处于放大状态,Ic2减小,R4×Ic2减小,U-减小,IC更容易出1,所以设定温度变高。
(3)当温度在60 ℃左右时,继电器频繁吸合、释放的原因是,温度低于60 ℃,加热,高于60 ℃就停止加热,是单点控制。应该设定一个区间,当加热时,c是1,把1送回给U+,这时R5和ac之间的电阻并联一起充当上拉电阻,上拉电阻阻值减小,U+变大,可再维持一段时间的高电平,从而避免继电器频繁动作。
a b d
0 0 0 无水,温度高,不加热
0 1 0 无水,温度低,不加热
1 0 0 有水,温度高,不加热
1 1 1 有水,温度低,加热
(4)
1
2
3
4
5
6
7
8
9
3.如图所示,这是小明搭建的一个温控电路原理图。IC是电压比较器,其工作原理为:当V+>V-时,输出高电平;当V+<V-时,输出低电平。当RT检测到水温高于设定值时,J——1断开,电热器停止加热;当RT检测到水温低于设定值时,J——1闭合,电热器开始加热。根据电路图及其描述,完成以下任务。
(1)当加热器开始加热时,下列说法不正确
的是______、______(在“A.若R2的滑动片往
上移动,设定温度会被调低;B.D1是加热
B
D
指示灯;C.继电器至少有4只引脚;D.电路中拥有3只引脚的元器件共有3个;E.反接二极管V2主要用于继电器释放时,对三极管V1的保护”中选择合适的选项,将序号填入“________”处)。
(2)该电路不能实现温度区间控制,请你利用一个电阻器与继电器的另一组转换触点帮助小明改进该温控电路,以实现温度的区间控制。
(3)小明对原有电路的局部电路的接法进行了微调(元器件不变),如下图所示。若依旧想实现温度的区间控制,请根据下图中已提供的一个电阻和一个二极管再次帮助小明改进电路。
【解析】 (1)当RT检测到水温高于设定值时,J——1断开,电热器停止加热;当RT检测到水温低于设定值时,J——1闭合,电热器开始加热。属于单点控制。当RT检测到水温低于设定值时,IC出1,V+>V-,所以RT是NTC。选项A,电路中若R2的滑动片往上移动,V-电位升高,V+电位也要升高,RT是NTC,设定温度会被调低,说法正确。选项B,IC出1时,D1两端电位达不到1.66 V以上,所以不会亮,说法错误。选项C,继电器线圈有2只引脚,触点有2只引脚,说法正确。选项D,只有R2、V1有3只引脚,选项错误。选项E,反接二极管V2在三极管截止时起作用,对三极管V1有保护作用,说法正确。
(2)要实现温度的区间控制,就要通过继电器的转换触点来实现,答案不唯一。当RT检测到水温低于设定值时,IC出1,J——1闭合,电热器开始加热,温度上升时,这时IC还是要出1,R1可以与R2下电阻和R3并联,V-的电位被拉低,温度上升时,V+还是大于V-,IC出1,保持,答案图线路连接成立。
(3)提示:RT和R4换了位置,V+和V-也换了位置,只要能实现区间控制就行。
1
2
3
4
5
6
7
8
9
4.2023·杭十四检测如图1所示,这是小明设计的暖手宝温度控制电路,当暖手宝温度低于下限时,电热丝加热升温;当温度达到上限时,停止加热。已知RT1和RT2为负温度系数热敏电阻,IC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。
(1)若要调节温度下限设定值,应调节
的是______(在“A.RP1;B.RP2;C.R1”
中选择合适的选项,将序号填
入“________”处)。
B
(2)请你选择一个符合控制要求的逻辑门,将逻辑符号画在图1虚线框1中。
(3)小明认为图1中的V1和R1可用继电器的另一组常开触点来代替,请在图2电路虚线框2中帮小明将触点正确连入电路。
【答案】 如图
(4)小明按照电路图2搭建电路后发现电热丝始终无法加热,造成该现象的原因不可能是______(在“A.继电器线圈额定电压过高;B.R2虚焊;C.RP1虚焊”中选择合适的选项,将序号填入“________”处)。
(5)小明认为只用一个负系数热敏电阻RT3即可实现暖手宝温度区间控制,故重新设计了部分电路,如图3所示。电路
调试完成后,RP3与RP4的大小关系为______
(在“A.RP3>RP4;B.RP3=RP4;C.RP3<RP4”
中选择合适的选项,将序号填入“________”处)。
B
A
【解析】 (1)加热时,V2导通,V+高电位,V1导通,RP2被短路,故RP2与上限无关,只与下限有关,而RP1只与上限有关,要调节温度下限设定值,应调节的是RP2。
(2)到达上限后,RP1与RT1必定分压产生高电位,此时会让逻辑门输出低电平停止加热,再联系电路中设置V1的意义,所以应该接入的是一个或非门。
(3)接入的常开触点的功能应等同于V1,即在加热过程短路RP2。
(4)选项B,R2虚焊还是有可能加热的。
(5)RP3控制下限,开始加热后为保证持续加热,必须提升V+的电位,故RP4接入后V+变高,RP3>RP4。
1
2
3
4
5
6
7
8
9
5.如图1所示,这是小明在学校的科技创新节中设计制作的保温箱。其功能是:当保温箱外环境温度低于T1时,保温箱内温度控制在(T3~T4);当环境温度高于T1时,保温箱内温度控制在(T2~T3),其中T2<T3<T4。电路原理如图2所示,RT1、RT2是相同系数热敏电阻,RP1、RP2是相同的可变电阻,继电器J2吸合表示加热,反之不加热。比较器V+>V-时输出高电平,V+<V-时输出低电
平,555功能如表所示。
请完成以下任务。
555功能表
(1)传感器1和2分别是______(在“A.RT1和RT2,都是负温度系数热敏电阻;B.RT2和RT1,都是负温度系数热敏电阻;C.RT1和RT2,都是正温度系数热敏电阻;D.RT2和RT1,都是正温度系数热敏电阻”中选择合适的选项,将序号填入“________”处)。
(2)下列对电阻的分析中,正确的是______。
A.R5阻值小于R6,RP1的滑片高度不可能高于RP2
B.R5阻值大于R6,RP1的滑片高度不可能等于RP2
C.R5阻值小于R6,RP1的滑片高度可能等于RP2
D.R5阻值大于R6,RP1的滑片高度可能低于RP2
A
C
(3)小明准备设计加热部分电路,需要考虑到保温箱可移动及用电安全的要求。可选用的元器件有:加热丝H1(直流、24 V),加热丝H2(交流、220 V),常开触点J2-1,常闭触点J2-2。请你帮助小明
在下图虚线框中完成电路设计,并标注加热丝的名称。
(4)小明发现原电路的555损坏,想用比较器、电阻、二极管替换,请你在下图虚线框2中完成电路设计,
实现电路原功能。其中V2发光时,
表示原继电器J2吸合。
25
(3)考虑到可移动的要求,选用低压直流电的加热丝较为合适,同时选
用常开触点。
(4)虚线框2的两条反馈回路和比较器搭配,实现区间控制功能,两二极
管的方向不一致,主要用于温度范围的不同。虚线框2内比较器出低时,
能导通的二极管反馈回路,控制范围相对较小,能实现T2~T3的控制。
1
2
3
4
5
6
7
8
9
6.如图1所示,这是希罗自动门的控制原理示意图。小明应用通用技术教材中的知识,对该自动门的控制装置进行改造。光敏电阻检测白天还是晚上,热敏电阻检测祭坛是否点火,电机驱动轴3正转或反转实现庙门的开启或关闭,干簧管检测开门和关门的极限位置。如图2所示,这
[B级 素养形成与评价]
是小明设计的部分电路,其控制要求为:仅在白天祭坛点火时开门,其
他情况关门;V3是电路运行指示灯,只要通电就一直发光;V2发光代表开门过程(电机正转),V1发光代表关门过程(电机反转)。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。
(1)热敏电阻应该选用_____(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)虚线框1中缺少一个逻辑门,请选择一个符合控制要求的逻辑门,将逻辑符号画在虚线框1中。
A
(3)门完全打开或完全关闭时,相应的干簧管闭合,V1、V2均不发光,只有V3发光。请完成虚线框2中的电路连线,以实现该功能。
【答案】 (2)、(3)如图
(4)为了防止因意外熄火或点火导致误动作,小明修改了控制要求:白天点火后V2发光,意外熄火后,V2仍然发光;晚上熄火后V1发光,意外点火后,V1仍然发光。小明重新设计了控制电路(不考虑接通电源时V1、V2的发光状态和门开、关到位时电机如何停止),请完成虚线框中的电路连线,实现上述功能。
祭坛 光线 门
点火 白天 开启
— — 关闭
— — 关闭
— — 关闭
A B F
— 0 1
— — 0
— — 0
— — 0
【解析】 (1)无法直接确定选项,需结合第(2)小题,分析虚线框1的逻辑关系后才能确定。分析见后面。
(2)记上方比较器输出端为C点,下方比较器输出端为D点。根据控制要求分析F与A、B之间的逻辑关系。控制要求:白天/祭坛点火时/开门,其他情况关门。白天:RG电阻小,B点电位为低电平;开门:V2灯亮,C点为高电平,D点为低电平,根据比较器运算功能可推知,此时F为高电平;反之关门时F为低电平。将以上分析填入真值表得:
因为虚线框1中只缺少一个教材中学过的逻辑门,所以一定是全0出1,有1出0的或非门。再看第(1)小题:因为真值表的第1行是全0出1,所以祭坛点火时A点电位为低电平,推出温度高时RT电阻大,是正温度系数热敏电阻。
(3)门打开时,F为1(高电平),经过比较器运算,C点为高电平,D点为低电平,V2、V3灯亮。门完全打开时,需要相应的干簧管闭合,若是干簧管1闭合,输入为1(高电平),不能改变比较器的输入;故应是干簧管2闭合,输入为0(低电平),将其与比较器2的U-连接,则C、D点均为高电平,V1、V2、V3均不亮,不符合题意;若将其与比较器1的U+连接,则
C、D点均为低电平,V1、V2均不亮,只有V3发光,符合题意。同理,门关闭时,F为0(低电平),经过比较器运算,C点为低电平,D点为高电平,V1、V3灯亮。门完全关闭时,若是干簧管2闭合,输入为0(低电平),不能改变比较器的输入;故应是干簧管1闭合,输入为1(高电平),将其与比较器1的U+连接,则C、D点均为高电平,V1、V2、V3均不亮,不符合题意;若将其与比较器2的U-连接,则C、D点均为低电平,V1、V2均不亮,只有V3发光,符合题意。
(4)根据控制要求分析此题。①白天/点火/V2发光。白天:B点低电平,点火:A点低电平,AB或运算输出低电平,AB与非运算输出高电平。V2
发光:C点为高电平,D点为低电平。比较器1的U-需要输入低电平,所以V3接比较器1的U-端。②意外熄火,V2仍然发光。意外熄火:A点变高电平,AB或运算变高电平,V3截止,但是为了V2仍然发光,比较器1的U-端仍需要输入低电平,此时比较器2的D输出是低电平,所以R6接比较器1的U-端。实现自锁。同理,根据晚上/熄火后/V1发光,可以判断出V4接比较器2的U-端;意外点火,V1仍然发光,可以判断出R5也接比较器2的U-端。
1
2
3
4
5
6
7
8
9
7.2023·绍兴鲁迅中学检测小明想设计一个监测蔬菜大棚生态环境的检测器,设计了如图所示的电路,想要实现当温度上升到合适温度且湿度达到设定区间时,检测器灯L1才会发光,可是在电路测试中发现电路无法正常实现所需功能。其中RP1调节湿度上限,RP2调节湿度下限。请完成以下任务。
(1)根据题目要求判断出此电路中RT为_____(在“A.正温度系数;B.负温度系数”中选择合适的选项,将序号填入“________”处)热敏电阻。
(2)小明想要调高该电路中的湿度上限值,下列操作可以实现的是______(在下列选项中选择合适的选项,将序号填入“________”处)。
A.增大RP1阻值
B.增大RP2阻值
C.减小RP1阻值
D.减小RP2阻值
B
C
(3)小明发现该电路存在的问题是湿度低于下限时,LED灯就会发光,而从高湿度降到设定湿度时LED灯不会发光,无法实现在湿度区间内才发光的要求。为了解决该问题,小明重新设计了电路,请在虚线框中用或非门来实现电路功能。
(4)小明发现该电路还存在一个缺陷,温度过高、湿度在设定范围内时,该灯仍旧会发光。为了实现温度过高时灯立即熄灭,小明决定使用电压比较器来完成该电路的改装(已改装部分电路)。材料有1个可调电阻,1个定值电阻以及1个电压比较器CF741芯片(“+”电压大于“-”电压时输出高电平,反之输出低电平),请完成下面的电路连接。
【答案】 (3)如图
(4)如图
【解析】 (1)用逆推的方法,当L1亮时,555芯片3脚出高电平,4脚接高电平,PNP三极管导通,R1和RT组成的分压电路输出低电位,此时RT阻值偏小,温度高,所以推出RT为负温度系数热敏电阻。
(2)RP1调节湿度上限,根据同大同小的规律,调大湿度上限,湿度传感器阻值会变小,即应减小RP1阻值。
(3)设RS1组成的分压电路输出信号为A,RS2输出信号为B,经过门电路运算得到的信号为F,分四种情况:当湿度低于下限时,A=0,B=0,F=0;当湿度高于上限时,A=1,B =1,F=0;当湿度高于下限低于上
1
2
3
4
5
6
7
8
9
8.如图所示,这是小明设计的蔬菜大棚土壤湿度控制电路。当水箱水位在b以上且土壤湿度低于下限湿度时,继电器J1吸合,电机M1启动将水箱中的水往土壤浇灌;当湿度高于上限湿度时,继电器J1释放。当水箱水位在b以下时,电机M1停止工作,继电器J2吸合,电机M2启动,将水池中的水抽入水箱中;当水
箱水位达到a时,继电器J2释放,
电机M2停止工作。请根据要求
完成以下任务。
(1)小明发现当水箱水位在b以上时,无论湿度高低,电机M1都无法启动工作,下列故障原因中可能的是_____(A.二极管VD1虚焊;B.电阻R1阻值太大;C.三极管VT1击穿)。
(2)若要使土壤湿度上限不变,下限降低,合理的措施是_____(A.先调大RP1,再调小RP4;B.先调小RP1,再调大RP4;C.先调大RP2,再调大RP4)。
(3)请用一块四2输入与非门集成门电路设计虚线框1中的逻辑电路,实现电路功能。
B
A
【答案】 如图
(4)使用过程中比较器损坏了,小明准备用555芯片设计电路来实现控制功能。请在小明设计的电路图2的虚线框2中将电路连线图补画完整。
【解析】 (1)VD1虚焊会导致RP4反馈失效,形成单点控制,错误;R1阻值太大会导致VT1无法导通,M1无法启动,正确;VT1击穿会导致M1始终工作,错误。
(2)考虑到VD1的单向性,RP4仅参与上限电路,且位于下偏位置。调大RP1可调低下限,但为了保证上限不变,应将上限电路的参考电平同步调低且下限电路的参考电平不变,通过调小RP4实现。
(3)当A=0且B=1时,F=1,其余情况均为F=0。
(4)考虑到仅有3脚为输出,且要恢复原电路的功能,故将3的低电平反馈至5脚,高电平不反馈。6脚常接1,2脚输入湿度信号。
1
2
3
4
5
6
7
8
9
9.2023·柯桥中学检测如图所示,这是小明设计的通用技术实验室风扇降温控制电路。温度高时,风扇启动降温,直至降到合适温度。比较器的功能:当V+>V-时,输出高电平;当V+<V-时,输出低电平。RT为热敏电阻。请完成以下任务。
(1)小明用数字式多用电表检测电路,
测得V2的c、e端电压显示为-0.3 V,
此时三极管V2工作状态应处于图2中______区。
A
(2)小明把R2换成一个阻值更大的电阻,则下列说法正
确的是______(在“A.下限温度升高;B.上限温度升高”
中选择合适的选项,将序号填入“________”处)。
(3)小明调试电路时,发现V1损坏,想利用继电器J-2触点代替V1,实现原电路功能(三极管采用共发射极接法),请在虚线框1中将电路图补画完整。
A
(4)为了节能地进行室内排湿,小明对电路进行了下列优化改进:增加人体检测电路,有人时输出低电平,无人时输出高电平;增加湿度检测电路,湿度大时输出高电平,湿度小时输出低电平。实现功能如下:实验室内有人且室内高湿或者高温时,风扇工作;实验室内无人时,风扇不工作。请帮助小明利用1个四2输入或非门集成门电路,在虚线框2中采用逻辑电路实现上述功能。
【答案】 如图(使用集成门电路中其他或非门,实现要求的逻辑功能也可以)
【解析】 (1)因Uce的电压为0.3 V,V2工作在饱和区A,三极管输出特性曲线A为饱和区,B为放大区,C为截止区。
(2)RT为PTC,比较器输出为0,三极管截止,风扇启动降温,二极管V1导通,电阻R2接入下限电路,把电阻R2增大,比较器V+的电位升高,V-也要升高,RT阻值增大,温度升高,即下限温度升高。
(3)三极管共发射极接法,发射极接地,集电极接负载,二极管上半部分为负极;J——2触点代替V1,线圈没有电,无吸合,电阻R2要接入电路,采用J——2常闭触点即可。
感谢聆听,再见!
逻辑关系的表达式:X=A·B即X=,Y=·B或X=A·B=,Y=·B
输入
输出
2脚
6脚
3脚
<VCC
任意
1
>VCC
<VCC
保持
>VCC
>VCC
0
【解析】 (1)保温箱内温度高时,555的3脚输出低电平,此时2、6脚电位高,因此RT1阻值较小,RT1是负温度系数热敏电阻,且是检测保温箱内的温度,因此是图1的传感器1;由题干可知“RT1、RT2是相同系数热敏电阻”,RT2是负温度系数热敏电阻,是图1的传感器2。
(2)保温箱外温度高于设定值T1 时,J——1会动作,会接通R6,根据题意可知温度范围整体在下降,温度下降,RT1阻值变大,因此R6阻值比原先R5要大;保温箱内温度高时,555的3脚输出低电平,此时2、6脚为高电平,随着温度下降,进入保持状态,2为1,6为0,则2脚检测下限端(RP2调节下限),6脚检测上限端(RP1调节上限),当RP1的滑片高
度等于RP2,2、6脚电位相等,还是能实现区间(例如2、6脚电位为VCC,此时2为1,6为0,处于保持状态),选项C正确。
2脚输入
6脚输入
3脚输出
<VCC
<VCC
高电平
>VCC
>VCC
低电平
>VCC
<VCC
保持
<VCC
>VCC
禁止
限时,A=0,B=1,F=1;湿度同时高于上限低于下限的情况不可能,逻辑表达式为:F=B=A+。
(4)设R1与RT组成的分压电路输出端为A,PNP三极管集电极接入点为F。当温度过高时,A点输出低电平,此时如果F接低电平,PNP集电极将输出低电平,灯将熄灭,题目中的要求就能实现。A作为CF741的输入需要接入“+”,F作为CF741的输出,RP和R5构成分压电路,接“—”,与A点电位比较,同时RP起到调节作用,RP和R5的位置可以互换。
(4)人体检测电路输出1或N1输出0时,逻辑电路输出为0,可知F=B=A+,再将芯片7脚接地,1、4脚接电源。
$$