第20课 电子控制系统设计3——控制部分1(逻辑电路、触发器)-【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Word教参（苏教版2019）

第20课　电子控制系统设计3——控制部分1(逻辑电路、触发器) (见学生用书P126) ——5　电子控制系统的设计及其应用，教材P98～116 1．能够设计逻辑电路来实现电子控制系统。　2.能够设计触发器电路来实现电子控制系统。 本课核心点·重难点 1．逻辑电路设计题 一般来说，一个比较复杂的功能往往是受多种因素控制的，这些因素可以称之为输入量，而这一功能可以称之为输出量。输出量与输入量之间可用一组逻辑关系来描述，用真值表加以描述这组逻辑关系，从真值表中写出逻辑函数，并根据逻辑函数设计逻辑电路。 2．保持状态的应用——上下限的判断 准备知识：达到极限值时，该点电位发生跳变；离开极限值时，该点电位也发生跳变。 方法1：先假设极限值，确定电位，再进入保持状态，哪一点电位跳变，这一点就是假设的极限值。 方法2：先在极限值确定电位，再达到假设的极限值，哪一点电位跳变，这一点就是假设的极限值。 如图所示，这是利用基本触发器设计的某鱼缸温度电子控制电路，当鱼缸内的热敏电阻(负温度系数热敏电阻)检测出水温低于设定的下限温度时，鱼缸内的电热丝就加热；当鱼缸内的热敏电阻检测出水温达到设定的上限温度时，鱼缸内的电热丝就停止加热。 分析：低温加热→J——1闭合→J吸合→三极管V导通→Q＝1，＝0→结合或非门的逻辑关系，得知S＝1，R＝0→低温向高温变化，继续加热，触发器进入保持状态，R＝0，S＝0，S端发生跳变，S端接下限，R端接上限。 例1 如图1所示，这是某学校的闸机，小明为其设计了如图2所示的实验电路。人脸识别正确时A点(或B点)为高电平，体温检测正常时E点为高电平。当A点和E点同时为高电平，或者B点为高电平时，V7发光，代表闸门打开；人在规定的时间内通过进校(或出校)检测传感器时，V1(或V4)发出的光被遮挡，V8发光，代表闸门关闭。人离开人脸识别检测区时，A点(或B点)为低电平；延时器输出的高电平比A点(或B点)高电平的持续时间长5秒。请完成以下任务。 (1)进校时人脸识别不正确，D点的电平为__B__(在“A.高电平；B.低电平；C.不能确定”中选择合适的选项，将序号填入“________”处)。 (2)如图所示，电机(M)电流从“＋”到“－”，电机正转，打开闸门；电机电流从“－”到“＋”，电机反转，关闭闸门。请在虚线框内设计继电器控制电机正反转的电路，并标明J1、J2，要求三极管采用共发射极接法。提供的元器件有：2个NPN型三极管、2个普通二极管、2个电阻、2个继电器。 (3)请使用合适的逻辑门，补全图2虚线框1中的电路，要求电路简单。 (4)小明调试闸机时发现实验电路存在问题，在出校人脸识别正确时，__C__(在“A.人未出校，闸门的打开与关闭间隔5秒交替进行；B.闸门打开又立刻关闭；C.闸门打开后人离开闸机返回校内，门保持开启；D.人在闸门打开5秒内已出校，闸门仍延时至5秒关闭”中选择合适的选项，将序号填入“________”处)。 【解析】 (1)进校时人脸识别不正确时，A为0，V3截止，V2截止，D为低电平。 (2)V7发光时，电机(M)电流从“＋”到“－”，电机正转，代表闸门打开，G为1，F为0，J1吸合；V8发光时，电机反转，电流从“－”到“＋”，代表闸门关闭，G为0，F为1，J2吸合。J1控制正转，J2控制反转，设计电路时需要注意共发射极接法，电阻起基极的限流作用，二极管反接在线圈两端。 (3)记触发器上方输入端为H，下方输入端为J，人脸识别正确时A点(或B点)为高电平，体温检测正常时E点为高电平。当A点和E点同时为高电平，或者B点为高电平时，V7发光，代表闸门打开；人在规定的时间内通过进校(或出校)检测传感器时，V1(或V4)发出的光被遮挡，V8发光，代表闸门关闭。反推，V7发光，代表闸门打开，G为1，F为0，交叉相等，所以J为0，H为1，所以下面的或门的输入端都是00，上面的或门有1出1。进校时，人脸识别正确和体温检测正常时，A点和E点同时为高电平，与的关系。而A为1时，V3导通，V2导通，光线没有遮挡，D＝0，这时B＝0，C＝0同理，出校时，B＝1，C＝0，这时A＝0，D＝0。所以C和D连在下面的或门，A点和E点同时为高电平或B点为高电平时，连在上面的或门。V8发光，代表闸门关闭。进校时，人脸识别正确，A为1，走到闸门口，A为0，延时5秒，V2，V3还是导通，然后光线被遮挡，D为1，所以V8发光。出校类似。 (4)选项A、C中，在出校人脸识别正确时，闸门打开，而人未出校时，A、B、C、D都为0，H、J也为0，00保持，还是闸门打开，所以选C。选项B，要光线被遮挡时才关闭闸门，而选项D只要光线遮挡，C为1，闸门就关闭。 变式1 小明去大田港旁边的东方湖游玩，看到当大田港水位明显高于东方湖水位时，管理人员就将进水闸门打开，让大田港的清水注入东方湖；当东方湖的水位上涨到与大田港水位相同或大田港的水变浑时，就关闭闸门。回来后小明设计了如图所示的进水闸门控制实验电路，用发光二极管V1和光敏电阻RG来检测水的清澈程度，用水位差检测传感器的触点d1与d2、d3的接触状态反映大田港水位与东方湖水位的变化状态。普通二极管和三极管均为硅管。IC为电压比较器，V＋>V－时输出高电平，V＋<V－时输出低电平。请完成以下任务。 (1)当水的清澈度下降时，V2集电极电位__B__(在“A.下降；B.上升；C.不变”中选择合适的选项，将序号填入“________”处)。 (2)当水清澈时，水位差检测传感器触点d1与d2接触，V6发光；触点d1与d3接触，V7发光；触点d1与d2、d3均不接触，V6、V7保持原来的发光状态。当水变浑时，无论d1处于什么位置，都是V7发光。请用不超过四个2输入或非门设计虚线框中的电路，实现上述功能。 【答案】 如图 (3)小明对设计好的电路进行调试，发现水变浑时V6没有熄灭，V7也不发光。以下调整措施中不起作用的是__A__(在“A.减小R5；B.减小R4；C.减小R2”中选择合适的选项，将序号填入“________”处)。 (4)小明准备用两个继电器来控制电机的正转和反转，当V6发光时，电机正转(流过电机的电流由“＋”到“－”)，当V7发光时，电机反转(流过电机的电流由“－”到“＋”)。请在虚线框中设计电机的控制电路，并标明J1、J2，要求三极管采用共发射极接法。提供的元器件有：1个NPN型三极管和1个PNP型三极管、2个电阻、2个普通二极管、2个继电器(每个继电器只有2个常开触点)。 【答案】 如图 方案一： 方案二： 【解析】 (1)水的清澈度下降，V1的光照减弱，RG的电阻变大，V2的基极电压变小，V2的集电极电位上升。 (2)水浑浊时，V1的光照减弱，RG的电阻变大，V2的基极电压变小，V2的集电极电位上升，即IC正高电平，IC输出高电平，B为高电平。当水变浑时，无论d1处于什么位置，都是V7发光，根据触发器关系，可知B＝1时，S＝1；水清澈时，触点d1与d3接触，V7发光，此时A为高电平，B点低电平，可知A＝1，B＝0时，S＝1，即S＝A＋B。S＝。水清澈时，触点d1与d2接触，V6发光，此时C为高电平，则可知B＝0，C＝1时，R＝1，即R＝C。水清澈时，触点d1与d2、d3均不接触，V6、V7保持原来的发光状态。此时A＝0, B＝0, C＝0, S、R均为0。 (3)水变浑时，无论d1处于什么位置，都是V7发光，此时B应为高电平。选项A，由二极管的电压钳位关系，减小R5对IC负的影响不大，故不起作用。选项B，减小R4，UR4电压减小，IC正电压增大，IC输出高，B高。选项C，减小R2，条件相同时，V2基极电压减小，V2的集电极电位上升，IC正电压增大，IC输出高，B高。 (4)V6发光时，电机正转，J1吸合。V7发光时，电机反转，J2吸合。 变式2 小马参观了农业园区的蔬菜大棚(图1所示)后，决定为家中的蔬菜大棚设计湿度指示电路和温度控制电路。请完成以下任务。 (1)图2是小马设计的湿度指示电路。RS为负系数湿敏电阻(湿度越大，电阻越小)。当湿度处于上下限之间时，V2发光；当湿度高于上限或低于下限时V1发光。请在虚线框1中完成元件的连线，实现上述要求。 (2)小马准备调低上限湿度，则应该将__B__(在“A.RP1触点上移；B.RP1触点下移；C.RP2触点上移；D.RP2触点下移”中选择合适的选项，将序号填入“________”处)。 (3)如图3是小马设计的温度控制电路。RT为负系数热敏电阻。电路调试正常后IC3“V＋”的电位大于IC4“V－”的电位。当大棚内温度大于28 ℃时，V3、V4都发光，表示风机高速运转；当温度处于18 ℃和28 ℃之间时，V3不发光，V4发光，表示风机低速运转；当温度小于18 ℃时，V3、V4都不发光，表示风机停止运转。请在虚线框2中用不多于3个2输入与非门画出电路，实现上述要求。 【答案】 如图 (4)用继电器驱动风机(风机与调速器串联后低速运转)，下列电路正确的是__A__。 　　　　　　　　　 　A.　　　　　　　　　B.　　　　　　　　　C. 【解析】 (1)根据题目逻辑关系列真值表，由于U＞U，所以当湿度介于上下限之间时，E、F均为1。E、F与G的关系为全1出1，有0出0，为与门。 状态 E F G LED发光 低于湿度下限 1 0 0 V1 介于上下限之间 1 1 1 V2 高于湿度上限 0 1 0 V1 (2)低于下限和介于上下限时，F在变化，因此F端负责下限，E端负责上限。调低上限湿度，要保证上限跳变时的电压不变，则Rs变大，RS和R1的中点电位即UIC1－变小，RP1变小，所以RP1触点下移。 (3)根据题目逻辑关系列真值表，由于IC3“V＋”＞IC4“V－”，因此当温度介于上下限之间时A、B均为1。得到：C＝；D＝B。 状态 A B C D 低于温度下限 1 0 0 0 介于上下限之间 1 1 0 1 高于温度上限 0 1 1 1 (4)低速运转时，V3发光，V4不发光，即J1不吸合，J2吸合时，调速器与风机串联。 例2 2023·台州中学检测如图所示，这是小明为学校化学药品储存间设计的多功能报警电路，探头1检测有毒气体浓度、探头2检测易燃气体浓度，RT检测储存间温度。当有毒气体浓度过高或易燃气体浓度过高或储存间温度过高时，该报警电路会启动声光报警。请完成以下任务。 (1)下列关于探头1特性的说法中正确的是__A__(在“A.浓度越大，探头间的阻值越小；B.浓度越大，探头间的阻值越大”中选择合适的选项，将序号填入“________”处)。 (2)请在图1的虚线框中完成连线，实现电路光报警功能。 (3)为实现储存间有毒气体或易燃气体浓度超标时，系统能够自动开启排风扇，小明重新设计了如图2所示的气体浓度控制实验电路。若要使两类气体的控制区间上限浓度更低、下限浓度更高，以下调试措施合理的是__A__(在“A.先调大RP4，再调大R4；B.先调小RP4，再调小R4；C.先调大RP5，再调大R4；D.先调小RP5，再调小R4”中选择合适的选项，将序号填入“________”处)。 (4)如果二极管V3发生短路现象，下列关于该电路功能的说法正确的是__C__(在“A.无法实现区间控制；B.能实现区间控制，但调低了原来的上限浓度；C.能实现区间控制，但调高了原来的上限浓度”中选择合适的选项，将序号填入“________”处)。 (5)小明准备用三个2输入或非门来代替电路中的部分元器件，实现图2的原有控制功能。请在图3虚线框中完成电路连线。 【解析】 (1)有毒气体浓度过高或易燃气体浓度过高时，报警电路要报警，IC出0，U－出1，所以探头间的阻值要变小。 (2)当V1导通之后，B点因为发射结的钳位，电压为VCC－0.7 V，若连B，则V2一直不亮，所以A要与C相连。 (3)图2电路中IC通过R4反馈使得输入端电压跳变实现区间控制。IC出0开启风扇降低浓度，R4为下拉电阻，与RP5并联后与RP4串联，影响下限；IC出1后V3反向截止，RP4和RP5串联决定上限。上限：浓度变低，探头电阻变大，U－变小，平衡调节，U＋变小，可以把RP5调小或者RP4调大。下限：浓度增大，R4为下拉电阻并联RP5，若RP5调小，则R4要调大；若RP4增大，平衡调节，R4要调大。 (4)V3短路后，因为R4的反馈存在，仍能实现区间控制。IC出0时与原电路相同，IC出1时R4为上拉电阻与RP4并联决定上限，并联后导致U＋增大，所以原来的上限浓度调高。原有控制功能中有区间控制，图3的输入端都为单点控制，故先用2个或非门组成触发器来实现保持功能；浓度升高的过程中，A、B点先出1，C点后出1，所以C点应该是上限点，决定F出0。A、B点满足有1出0，使触发器进入置位状态。 (5)由题干可知，需要实现保持功能，可以分析A、B、C 三点电位变化如下：气体浓度高时，A＝1或B＝1，C＝1，F＝0；气体浓度不高不低时，A＝1或B＝1，C＝0，保持；气体浓度低时，A＝0且B＝0，C＝0，F＝1。结合或非触发器的功能对比完成电路连线即可(见答案图)。 变式1 如图所示，这是小明设计的过载欠压器报警器控制电路。当电机过载时，流过RH的电流超过上限允许值；当电机欠压时，流过RH的电流超过下限允许值。IC1、IC2是电压比较器，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)为实现纺织机过载或欠压时，报警器均能发出报警信号。虚线框1中应选择__C__(在“A.与门；B.或门；C.与非门；D.或非门”中选择合适的选项，将序号填入“________”处)。 (2)若调大R3阻值，则__B__(在“A.上限被调高，下限被调低；B.上、下限均被调高；C.下限被调高，上限被调低；D.上、下限均被调低”中选择合适的选项，将序号填入“________”处)。 (3)小明改进了电路，要求报警器在电压恢复后仍然保持报警，按下S后解除报警。请利用两个相同的逻辑门电路在虚线框2中补全电路，实现该功能(S为复合按钮，按住时，常闭触点断开，常开触点闭合)。 (4)在以上改进电路的基础上，要使白天过载或欠压时BZ发出声音报警；晚上过载或欠压时VD1发出灯光报警，请在虚线框3中补全电路，利用所给元器件实现该功能。 【解析】 (1)根据题干可知，B点电位高于C点电位，欠压时，UA<UC<UB，A点电位上升时，IC1输出1－1－0，IC2输出0－1－1，过载或欠压时报警，可知虚线框l中选择与非门。 (2)调大R3阻值，B、C点电位都上升，因此可以判断上、下限均被调高，选项B正确。 (3)过载和欠压时，如上图所示，A＝1，B＝0，C＝1，电压恢复时，A＝0，B＝0，C保持，可以知道选择或非门组成的触发器可以实现该功能，电路连线如(3)题图所示。 (4)白天，过载或欠压时，A＝1，B＝1，C＝1，D＝0；晚上，过载或欠压时，A＝1，B＝0，C＝0，D＝1。电路连线如(4)题图所示。 |随|堂|检|测| 1．小明设计制作了一个鸡蛋孵化箱，下图为孵化箱控制电路。当孵化室内温度低于37 ℃时，电磁继电器吸合，闭合电加热器电路，电加热器对孵化室加温。当孵化室温度达到39 ℃时，电磁继电器释放，断开电加热器电路，电加热器停止加温。图中RT为负温度系数的热敏电阻，RP2用于调节下限温度，RP3用于调节上限温度，S1、S2为联动的行程开关，当孵化室门打开时，S1闭合S2断开，当孵化室门关闭时，S1断开S2闭合，如果孵化室门长时间未关闭，无论温度高低，电加热器都不加热。电压比较器当V＋＞V－时输出高电平；当V－＞V＋时输出低电平。IC555芯片功能表如表所示。请完成以下任务。 输入 输出 6脚 2脚 4脚 3脚 × × 0 0 ＞2/3VCC ＞1/3VCC 1 0 ＜2/3VCC ＜1/3VCC 1 1 ＜2/3VCC ＞1/3VCC 1 不变 (1)孵化室门打开时，V1基极电位将__A__(从“A.升高；B.降低”中选择合适的选项，将序号填入“________”处)。 (2)图中蜂鸣器的作用是__B__(从“A.孵化室温度异常提醒；B.孵化室门长时间未关闭提醒；C.孵化完成提醒”中选择合适的选项，将序号填入“__________”处)；V4的作用是__C__(从“A.孵化室照明；B.电源指示；C.加热器加热指示；D.无指示作用”中选择合适的选项，将序号填入“________”处)。 (3)请用三个2输入与非门将图中虚线框中的电路补充完整。 (4)小明对设计好的电路进行调试，发现孵化室内温度低于37 ℃，而加热器没有加热，以下措施不可能有效的是__C__(从“A.调大RP2阻值；B.减小R6；C.增大R8”中选择合适的选项将序号填入“________”处)。 【解析】 (1)当孵化室门打开时，S1闭合S2断开，当孵化室门关闭时，S1断开S2闭合，我们只要看左边部分，S1断开，S2闭合，电容放电，S1闭合S2断开，电容充电。孵化室门打开时，S1闭合，电容充电，V1的基极电位慢慢上升。 (2)V1导通，2、6为高，3为低，蜂鸣器报警。所以是门打开时报警。已知电磁继电器吸合，闭合电加热器电路触发器输出端，则此时三极管V2导通，触发器下方输出端输出高电平，触发器上方输出端输出低电平，V4点亮，所以是加热器加热指示。 (3)图中RT为负温度系数的热敏电阻，RP2用于调节下限温度，RP3用于调节上限温度，当孵化室门打开时，S1闭合S2断开，当孵化室门关闭时，S1断开S2闭合，如果孵化室门长时间未关闭，无论温度高低，电加热器都不加热。 D＝ABC＋AC＝AC＝ E＝＋AC＋A＝＋＝ (4)小明对设计好的电路进行调试，发现孵化室内温度低于37度，而加热器没有加热，可能是B没有出1，所以调大RP2阻值可以。第二就是触发器已经出高电平，所以要调大Ib。而减小R6阻值可以增大Ib，增大R8，Ib不会变。 2．2023·路桥中学检测如图所示，这是小明设计的一款温度控制系统，当温度低于36 ℃时开始加热，达到或高于39 ℃时停止加热，将温度控制在36 ℃～39 ℃之间。集成电路NE555的输入输出关系如图表所示，图中IC为电压比较器，当V＋>V－时，输出高电平，当V＋<V－时，输出低电平。请根据电路图及描述完成以下任务。 2脚 6脚 3脚 ＜1/3VCC 任意 高 ＞1/3VCC ＜2/3VCC 不变 ＞1/3VCC ＞2/3VCC 低 (1)图中热敏电阻RT应选__B__(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)为了使系统温度控制在35 ℃～40 ℃之间，下列调节措施合理的是__A__(在“A.RP1向下滑，RP2向上滑；B.RP1向下滑，RP2向下滑；C.RP1向上滑，RP2向上滑；D.RP1向上滑，RP2向下滑”中选择合适的选项，将序号填入“________”处)。 (3)在调试过程中发现，不管温度如何变化，继电器始终不能吸合，下列原因中不可能的是__D__(在“A.RP3滑至最左端；B.V1短路；C.NE555集成电路8脚虚焊；D.R1短路”中选择合适的选项，将序号填入“________”处)。 (4)系统工作一段时间后，NE555集成电路损坏，小明准备用74LS00集成电路来替代原来的NE555，请帮助小明在虚线框中选择合适的端子重新连接电路，要求保持系统原有的功能。已知74LS00集成电路的结构如下图。 【解析】 (1)当温度低于36 ℃时开始加热，达到或高于39 ℃时停止加热，可得：低于36 ℃时，J——1闭合，3脚出1，此时2脚出0(低于1/3VCC)，IC2输出为0，U－>U＋，R1与RT之间的节点为高电位，RT为负系数。39 ℃反推亦然。 (2)由555的特点分析可得，3脚跳变1由2脚决定，3脚跳变0由6脚决定。因此2脚控制下限加热，6脚控制上限停止加热。R1所在电路连通IC1的U－与IC2的U－是公共端，因此RP2用于下限调节，RP1用于上限调节。原温控范围为36 ℃～39 ℃，现需调整为35 ℃～40 ℃，即下限降低，上限升高。下限降低时，R1与RT之间的节点电压升高，即IC2的U－升高，因此需要将U＋升高即可，因而只需RP2上滑。同理可得RP1下滑。 (3)若RP3较大，滑至最左端，可能导致V2不能导通，故而继电器不能吸合，A正确。V2短路将导致继电器短路，B正确。8脚虚焊，555电路不能上电，3脚输出0，C正确。R1短路将使IC1，IC2输出0，3脚输出1，不会出现如题继电器不导通情况，D错误。 (4)非门构建基本RS触发器替代，写出真值表。由S、R出1保持，得出在S前加个非门连接A端，R连接B端，F连接Q端，电路设计如下。 　　 S R Q 1 0 0 1 0 1 1 0 1 1 保持 0 0 不使用 　　 学科网（北京）股份有限公司 $$