5.3利用传感器制作简单的自动控制装置（培优教学课件）物理人教版选择性必修第二册

3.利用传感器制作简单的自动控制装置 第五章 传感器 人教版选择性必修第二册 导入新课 传感器是构成自动控制系统的必要环节。如果没有传感器对原始信息进行准确、可靠地捕捉和转换，那么一切自动化控制将无法实现。生活中都有哪些传感器？ 观看视频，神奇的机器工人 导入新课 生活中的传感器 光感传感器 水质PH传感器 紫外线传感器 仿生传感器 磁光效应传感器 学习目标 物理观念 了解门窗防盗装置、光控电路的电路图及工作原理。 科学思维 利用干簧管、光敏电阻等元件根据实际应用场景的需求，将这些元件组合、连接，实现对实验电路的设计。 科学探究 会利用干簧管、光敏电阻等元件制作简单的自动控制装置，如门窗防盗装置、光控开关电路等。 科学态度 与责任 通过制作自动控制装置，初步养成针对学习和生活的问题，设计方案，动手实践的意识和习惯。 重点难点 重点 1. 了解门窗防盗装置、光控电路的电路图及工作原理。 2. 根据实际生活场景中的需求，对相应实验电路的设计。 难点 1.制作简单的自动控制装置。 2.通过电路设计提高学生的创新能力，培养学生的实践意识。 1. 门窗防盗报警装置 2. 光控开关 3. 拓展学习 4. 课堂总结 5. 练习与应用 学习内容 第3节 利用传感器制作简单的自动控制装置 一、门窗防盗报警装置 第3节 利用传感器制作简单的自动控制装置 一、门窗防盗报警装置 思考：如何设计用干簧管控制的防盗报警电路？ 靠近，蜂鸣器不响，指示灯亮； 远离，蜂鸣器发出声音警报，指示灯灭。 干簧管 一、门窗防盗报警装置 电源、导线、开关、干簧管、继电器、蜂鸣器、发光二极管、电阻、小磁体。 2.实验器材： 作用 作为传感器，用于感知磁体磁场是否存在 作用 电磁继电器 继电器则相当于一个自动的双向开关。 作用 作为电路正常工作提示 你能根据以上器材设计出门窗报警器的电路吗？ 1.实验目的：了解门窗报警装置的原理 一、门窗防盗报警装置 观看动画，回忆电磁继电器的工作原理 电源 输入端 常闭触点 动触点 常开触点 一、门窗防盗报警装置 电路设计和实验模拟 一、门窗防盗报警装置 实验原理图 当门窗紧闭时,磁体M靠近干簧管SA,干簧管两个簧片被磁化相吸而接通继电器线圈K,使继电器工作。继电器的动触点c与常开触点a接通,发光二极管LED发光,显示电路处于正常工作状态。 闭合电路开关S,系统处于防盗状态。 当门窗开启时,磁体离开干簧管,干簧管失磁断开,继电器被断电。继电器的动触点c与常闭触点b接通,蜂鸣器H发声报警。 当门窗紧闭时，蜂鸣器不响，指示灯亮 当门窗被打开时，蜂鸣器发出声音警报，指示灯灭。 3.实验原理 一、门窗防盗报警装置 4.实验操作 (1)连接电路前，用磁体靠近干簧管，观察簧片能否正常动作。 (2)确定各元件可以正常工作后，按图连接电路。 (3)接通电源后，将磁体靠近和离开干簧管，分别观察实验现象。 一、门窗防盗报警装置 5、注意事项 (1)安装前对电磁继电器进行测试，确保电磁继电器通电时能吸合，断电时在弹簧的作用下恢复原状。 (2)安装前对干簧管进行检测，观察磁铁靠近时弹簧片是否接触，磁铁离开时弹簧片是否能断开。 (3)选择合适的定值电阻，保证发光二极管能正常工作。 一、门窗防盗报警装置 6.利用面包板设计实验 面包线 面包板 开关 定值电阻 330 Ω 发光二极管 红色 蜂鸣器 有源型 继电器 JQX-14FC 5 V 干簧管 常开型 干电池组6V 按照连线图连接电路 一、门窗防盗报警装置 1 2 4 3 5、6 思考：尝试画出电磁继电器连线图 一、门窗防盗报警装置 例1．下图中关于传感器的应用，说法正确的是（　　） A．干簧管是利用电磁感应的原理控制电路的通断的 B．机器人“眼睛”利用了光传感器 C．红外测温枪向人体发射红外线，从而测量人体温度 D．火灾报警器是通过感知温度触发报警的 B 二、光控开关 第3节 利用传感器制作简单的自动控制装置 二、光控开关 光控路灯可以根据光照的变化自动开启或关闭。怎样能够在天色暗到一定程度时让路灯自动开启，而在天明时自动熄灭？我们可以利用光敏电阻来完成这一任务。下面提供两种模拟的光控开关电路，用发光二极管或小灯泡代表路灯。 二、光控开关 1、 实验的基本思想 在天色暗到一定程度时让路灯自动开启，而在天明时自动熄灭。 光照弱，路灯开启； 光照强，路灯熄灭。 光敏电阻 工作电流很微弱，不能直接驱动执行机构工作， 需要放大电路。 晶体三极管 二、光控开关 三极管： 晶体三极管是半导体基本元件之一，具有电流放大作用，在控制电路中常用作电子开关。三极管由三个电极组成，分别是发射极 e，基极 b 和集电极 c，有 NPN 型和 PNP 型两种。 三极管的一个重要特性是，从基极输入一个较小的电流，就会在集电极获得较大的电流。此外，三极管还具有完成断路和接通的开关作用，对 NPN 型三极管来说，当基极 b 电压比 发射极 e 高 0.7V 时，三极管导通，集电极 c上有电流，否则没电流。 二、光控开关 2.实验器材： 可调电阻、限流电阻、光敏电阻、暗电阻、亮电阻、三极管、发光二极管、继电器、小灯泡、二极管、电源 作用 作用 你能根据以上器材设计出光控路灯的电路吗？ 作为放大电流，以及控制电路通断的作用 三极管电路符号及实物图 模仿路灯 二、光控开关 当环境的光比较强时,光敏电阻RG的阻值很小,三极管不导通,发光二极管或继电器所在的回路相当于断路,即发光二极管不工作;继电器处于常开状态,小灯泡L不亮。 实验原理图 当环境的光比较弱时,光敏电阻RG的阻值变大,三极管导通,且获得足够的基极电流,产生较大的集电极电流,点亮发光二极管或驱动继电器吸合而点亮小灯泡L。 强光→RG很小→三极管不导通→小灯泡不亮。 弱光→RG很大→三极管有大电流→小灯泡亮。 3.实验原理 二、光控开关 R1 R2 RG LED VT b c e +Vs 0 V 光照强时，RG阻值很小 Ube较小， Ib=0 三极管处于截止状态 二极管不发光 思考：请你分析一下这个电路是如何实现光控的？ 二、光控开关 R1 R2 RG LED VT b c e +Vs 0 V 光照弱时，RG阻值很大 Ube较大， Ib≠0 三极管处于导通状态 二极管发光 思考：请你分析一下这个电路是如何实现光控的？ 二、光控开关 4.实验操作及现象 （1）按照图所示连接电路，检查无误后，接通电源。 （2）让光敏电阻RG受到白天较强的自然光照射，调节电阻R1使发光二极管LED或小灯泡L刚好不发光。 （3）遮挡RG，当光照减弱到某种程度时，就会看到发光二极管LED或小灯泡L发光。 （4）让光照加强，当光照强到某种程度时，则发光二极管LED或小灯泡L熄灭。 二、光控开关 视频：光控开关 二、光控开关 1、要想在天更暗时路灯才会亮，应该把R1的阻值调大些还是调小些？为什么？ 应该把R1的阻值调大些，这样要使斯密特触发器的输入端A电压达到某个值（如1.6V），就需要RG的阻值达到更大，即天色更暗。 2、用白炽灯模仿路灯，为何要用到继电器？ 由于集成电路允许通过的电流较小，要用白炽灯泡模仿路灯，就要使用继电器来启闭工作电路。 思考与讨论 二、光控开关 例2. 把光敏电阻(光照越强，阻值越小)接入如图所示电路，制成光电报警装置。闭合开关，当光照达到一定强度时，报警器的蜂鸣器发声，则（ ） A.干簧管应用了电磁感应原理 B.增大了电阻箱R的阻值，报警器在光照更强时才可能报警 C.增大了电源B的电动势，报警器在光照更强时才可能报警 D.增大了电源A的电动势，报警器在光照更强时才可能报警 B 三、拓展学习 第3节 利用传感器制作简单的自动控制装置 三、拓展学习 双金属片温度传感器在电熨斗中的应用——双金属片温度传感器 原理:热胀冷缩 常温下两触点分离。温度升高，两种金属膨胀性能不同，双金属片形状发生变化，使触点接触。 三、拓展学习 常温下，上、下触点应是接触的，但温度过高时，由于双金属片受热膨胀系数不同，上部金属膨胀大，下部金属膨胀小，则双金属片向下弯曲，使触点分离，从而切断电源，停止加热．温度降低后，双金属片恢复原状，重新接通电路加热，这样循环进行，起到自动控制温度的作用． 熨烫棉麻衣物和熨烫丝绸衣物需要设定不同的温度，此时可通过调温旋钮调节升降螺丝，升降螺丝带动弹性钢片升降，从而改变触点接触的难易，达到控制在不同温度的目的． 双金属片温度传感器实验原理 三、拓展学习 烟雾散射式火灾报警器 报警器带孔的罩子内装有发光二极管LED、光电三极管和不透明的挡板．平时，光电三极管收不到LED发出的光，呈现高电阻状态．烟雾进入罩内后对光有散射作用，使部分光线照射到光电三极管上，其电阻变小．与传感器连接的电路检测出这种变化，就会发出警报． 天花板上的火灾报警器 结构和原理 三、拓展学习 例3.如图所示为一温度自动报警器的原理图，在水银温度计的顶端封入一段金属丝，下列说法正确的是（ ） A.温度升高至74 ℃时，灯L1亮报警 B.温度升高至74 ℃时，灯L2亮报警 C.温度升高至78 ℃时，灯L1亮报警 D.温度升高至78 ℃时，灯L2亮报警 D 四、课堂总结 第3节 利用传感器制作简单的自动控制装置 四、课堂总结 当门窗紧闭时，蜂鸣器不响，指示灯亮；当门窗被打开时，蜂鸣器发出声音警报，指示灯灭。 01 实验1 门窗防盗报警装置 在天色暗到一定程度时让路灯自动开启，而在天明时自动熄灭。 02 实验2 光控开关 03 实验3 火灾报警器 五、练习与应用 第3节 利用传感器制作简单的自动控制装置 五、练习与应用 1．某楼梯口的电灯开关装有传感器，天黑时，出现声音才能发光，而白天即使有声音，电灯也不能发光，该开关中有两种传感器，它们可能是( ) A．光敏电阻和驻极体话筒 B．金属热电阻和光敏电阻 C．热敏电阻和霍尔元件 D．热敏电阻和光敏电阻 A 五、练习与应用 2、（多选）下如图所示为一个逻辑电平检测电路，A与被测点相接，则( 　 ) A．A为低电平，LED发光 B．A为高电平，LED发光 C．A为低电平，LED不发光 D．A为高电平，LED不发光 BC 五、练习与应用 3、如图所示是一位同学设计的防盗门报警器的简化电路示意图。门打开时，红外光敏电阻R3受到红外线照射，电阻减小；门关闭时会遮蔽红外线源(红外线源没有画出)。经实际试验，可知灯的亮灭情况能反映门的开关状态。门打开时两灯的发光情况及R2两端电压U2与门关闭时相比(　　) A.红灯亮，U2变大 B.绿灯亮，U2变大 C.绿灯亮，U2变小 D.红灯亮，U2变小 D 五、练习与应用 4．如图所示为某居住小区门口利用光敏电阻设计的行人监控装置，R1为光敏电阻、R2为定值电阻，A、B接监控装置，则下列说法正确的是（ ） ①当有人通过而遮蔽光线时，A、B间的电压增大 ②当有人通过而遮蔽光线时，A、B间的电压减小 ③当仅增大R2的阻值时，A、B间的电压增大 ④当仅减小R2的阻值时，A、B间的电压增大 A．①③ B．①④ C．②③ D．②④ C $