高中通用技术选择性必修1电子控制技术第五章电子控制系统的设计及其应用课时教学课件

(共58张PPT)
电子控制系统的设计及其应用
二、 开环电子控制系统的设计和应用
第五章
设计和安装开环电子控制系统的一般步骤如下：
（1）依据设计要求进行分析，确定被控量和被控对象。
（2）根据开环电子控制系统方框图，选择恰当的传感器，确定控制 （处理）部分使用的实用电路和元器件，选择合适的执行部件。
（3）参照相关资料，在输入、控制（处理）和输出部分之间分别选择 合适的接口电路，设计或改进原有的电路。
（4）检测元器件或实用电路的质量。
（5）安装电路，防止元器件错接、虚焊，要注意对未使用的引脚的处 理，注意接地。
（6）调试电路，检查触发电压的大小。
【项目情境】同学们在学习了简单实用的功能电路之后，经过奇思妙 想，又对电子门铃进行多方案的设计。有的同学想将电子门铃设为双音 以便于门卫师傅辨识，有的同学则希望采用无线遥控的方式来操作电铃 系统等等。
【任务1】　设计双音电子门铃
小林同学利用555集成电路和相关电子元器件设计一个双音电子门铃， 请回答下列问题：
图1
（1）根据电路图，简述该双音电子门铃的工作原理。
【答案】 按下按钮开关（S1或S2），555集成电路4脚获得高电平，同时 电阻R1被短路，555集成电路构成的多谐振荡器开始振荡，振荡频率约 700 Hz，扬声器发出“叮”的声音。与此同时，电源通过二极管给电容 C1充电。松开按钮开关时，电容C1便通过电阻R4放电，维持振荡。但由 于开关的断开，电阻R1被串联接入电路，使振荡频率改变，大约为500 Hz，扬声器发出另一种“咚”的声音。直到电容C1放电到电压不能维 持555集成电路振荡为止。所以，“咚”声音的余音长短可以通过改变 电容C1或者电阻R4的大小来改变。
（2）适当增加或者减少C1、C2、C3和C4的值对扬声器SP发声有何 影响？
图1
【答案】 适当增加或者减少C1的值，当断开开关S1或S2后扬声器SP发 声延时的时长相应变长或变短；适当增加或者减少C2的值，对应的振荡 周期变长或变短，扬声器SP发出的声音音调变低或变高；适当增加或 者减少C3的值，会影响滤波效果，对扬声器SP发声影响较小；适当增 加或者减少C4的值，对扬声器SP发声影响较小。电容器C1起到延时作 用，C2参与振荡，C3起到滤波作用，C4起到耦合作用。
【任务2】　设计简单的红外遥控电子门铃
前面所设计的双音电子门铃有两个按钮开关，由于安装位置的限制，连 接按钮开关和控制模块的导线在布线时遇到困难，小林同学打算利用家 中多余的电视机红外线遥控器来遥控电子门铃。于是设计了如图2所示 的红外无线遥控门铃。JS1838为一体化红外接收头，当JS1838红外接收 头接收到相应频率的红外线时，扬声器SP响起。请回答下列问题。
图2
（1）接通电路的电源，JS1838红外接收头未接收到红外线时，扬声器 SP为何不会响起？
图2
【答案】 接通电路的电源，JS1838红外接收头未接收到红外线时，其 引脚1输出高电平，三极管VT截止，继电器J释放，NE555芯片引脚4通 过电阻R4接地电位为0，NE555芯片引脚3始终输出为0，因此扬声器SP 不会响起。
（2）根据题意和电路图：当JS1838红外接收头接收到相应频率的红 外线，扬声器SP响起时，其引脚1输出高电平还是低电平？
【答案】 JS1838红外接收头在接收到相应频率的红外线时，其引脚1输 出低电平。
图2
（3）JS1838红外接收头接收较为短暂的红外线信号后，为何扬声器SP 也能发出较长时间的声音？
资料：
红外遥控系统
红外遥控系统主要分为调制、发射和接收三部分，如图3所示。
红外信号收发系统的典型电路如图3所示，红外接收电路通常被厂家集 成在一个元件中，成为一体化红外接收头，如图4所示的JS1838红外接 收头。
一体化红外接收头内部电路包括红外监测二极管、放大器、限 幅器、带通滤波器、积分电路、比较器等。红外监测二极管监测到 红外信号，然后把信号送到放大器和限幅器，限幅器把脉冲幅度控 制在一定的水平，而不论红外发射器和接收器的距离远近。交流信 号进入带通滤波器，带通滤波器可以通过30 kHz到60 kHz的负载 波，通过解调电路和积分电路进入比较器，比较器输出高低电平， 还原出发射端的信号波形。注意输出的高低电平和发射端是反相 的，这样是为了提高接收的灵敏度。
红外接收头的种类很多，引脚定义也不相同，一般都有三个引脚， 包括供电脚，接地和信号输出脚。根据发射端调制载波的不同应选用相 应解调频率的接收头。
红外接收头内部放大器的增益很大，很容易引起干扰，因此在接收 头的供电脚上须加上滤波电容，一般在22 μF以上。有的厂家建议在供 电脚和电源之间接入330 Ω电阻，进一步降低电源干扰。
【答案】 JS1838红外接收头接收到红外线信号后，三极管VT导通，继 电器J吸合，电源通过二极管VD1直接给电容器C1充电，虽然红外线信 号比较短暂，但是给电容器C1充电的电流比较大，可以认为电容器C1瞬 间充满电。NE555引脚4输入高电平，电路开始振荡，扬声器SP响起。 红外线信号消失后，继电器释放，电容器C1通过电阻R4放电，NE555引 脚4维持一段时间的高电平，扬声器SP发出一段时间的声音。
【任务3】　采用NE555集成电路制成简易红外线发射电路
小林同学发现用于控制电子门铃的红外线遥控器损坏，打算自己设计制 作一个红外发射器，电路图如图5所示，相应的印制电路板如图6所示。 请回答下列问题：
图5
图6
（1）图6的印制电路板是安装元器件的面还是焊接元器件引脚的面？
【答案】 焊接元器件引脚的面。
图6
（2）请根据图5，在图6的印制电路板图上找出NE555芯片的位置，并 把其引脚1—8标注在图6的印制电路板上。
图5
图6
【答案】 如图所示：
【知识札记】　本项目涉及的知识有：555集成电路、JN6201音乐集成 电路和JS1838一体化红外接收头等。
　　小明根据如图所示的双音门铃电路图在面包板上插接电路。按下 SW2接通电源，调试成功后，按下SW1发“叮”声，松开手发“咚” 声，持续一段时间后停止。然后，他将元件转移至印刷电路板上焊接电 路。请根据图和描述完成第1—2题。
A. 电路中的所有元件都有极性，使用时应该区分引脚
B. 在面包板上插接元件完成之后，最好再用电烙铁焊接以加固
C. 在印刷电路板上完成焊接之后，多余长度的引脚最好不要剪掉
D. 用多用电表检测电路故障时，开关SW2不一定需要断开
【解析】 A中部分元件没有极性，如电阻、开关等；B在面包板上插接 元件，不需要焊接加固；C多余长度的引脚正常情况下都要剪掉，可以 避免短路等问题；D中若用直流电压挡检测则电路电源不能断开，若用 电阻挡检测则需要断开电路电源而且要对电路做必要的隔断处理。
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A. 若VD1接反，则扬声器始终不能发声
B. 若VD2虚焊，则始终不能发出“叮”
C. 若R3连焊，则双音频率均变低
D. 若R1虚焊，则始终不能发出“咚”
【解析】 4脚无法获得高电平，也不能对C1充电，3脚常出低，A选项正 确；VD2虚焊将导致R1无法短接，每次充电都经过R1，所以不能发出 “叮”，B选项正确；少了R3充电更快，放电快放，周期变短， “叮”“咚”频率均变高，C选项错误；若R1虚焊，则按下时发出 “叮”，松手后不能发出声音，始终不能发出“咚”，D选项正确。
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A. R1大小影响“叮”的音调高低
B. 增大C2可以延长SP发声时间
C. VD2的作用是整流
D. 增大C1可以延长“咚”的发声时间
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【解析】 按下SW后，C1快速充电，4脚输入高电平，电源经过VD2、R2 和R3对C2充电，发出“叮”。松开SW后，C1通过R4放电，具有延时作 用，继续为4脚提供高电平，电源经过R1、R2和R3对C2充电，充电回路 电阻增大，充电电流减小，充电周期变长，SP发出“咚”，因此，R1 不影响“叮”的声音，A选项错误；C1通过R4放电，具有延长SP发声时 间作用，改变C2能改变发声频率，B选项错误；VD2的作用是当按下SW 后让R1短路，增大充电电流，增大发声频率，C选项错误。
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A. SP发声，3脚输出为数字信号
B. J－1释放，SP能够继续发声一段时间，但是发声的音调变低
C. V6短路，对C2充电和放电没有影响
D. 低湿度时，SP发声，随着湿度继续降低，SP声音有变化
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【解析】 555集成电路3脚输出高低电平，A选项正确；J－1释放后电容 器C1继续给555集成电路4脚供电，直到电容器C1放电到低电平，所以 SP能够继续发声一段时间，J－1释放后，充电电流流经R2，充电时间 变长，振荡频率变低，发声的音调变低，B选项正确；V6短路，R4被短 路，对C2充电和放电有影响，C选项不正确；低湿度时，SP发声，随着 湿度继续降低，555集成电路5脚电位升高，充放电时间变化，SP声音 有变化。D选项正确。
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A. 开关S1对应的“咚”的发声时间长短与R4有关
B. 调大R5，校外按铃“叮”“咚”的发声时间都变长
C. 按下开关S2，扬声器发出“叮”的声音
D. 电容C4连焊不会影响电路功能
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【解析】 按下开关S1，电容器C1瞬间充满电，发出“叮”的声音，松 开开关S1，发出“咚”的声音，电容器C1通过R4放电，放电时间长短与 R4有关，对应的“咚”的发声时间长短与R4有关，所以A选项正确；调 大R5，校外按铃“咚”的发声时间都变长，“叮”的发声时间取决于按 下开关的时长，与R5无关，因此B选项错误；按下开关S1或者S2，扬声 器均发出“叮”的声音，所以C选项正确；电容C4起到耦合作用，就算 连焊也能够传送振荡信号，不会影响电路功能，所以D选项正确。
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a b
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A. 若VD1虚焊，LED1和LED2的闪烁频率升高
B. 将Rp1滑片滑至最左边，两盏LED将无法闪烁发光
C. 两盏LED闪烁发光时，VT2、VT3和VT4都处于放大状态
D. 搭建电路后发现两盏LED始终被点亮但不闪烁，可能是C3短路或R5 虚焊造成的
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【解析】 当到夜晚时，VT1截止，VT2导通，电源向555芯片供电。555 芯片组成了无稳态电路，3脚输出高低交替电平从而使得由VT3、VT4和 VT5组成的放大电路让LED1、LED2闪烁发光。对于A选项，若VD1虚焊，使得充电时间变长（放电时间不变）造成周期变大，所以闪烁频率变低。A错误；对于B选项，将RP1滑片滑至最左边，VT1始终截止，VT2始终导通，造成两盏LED无论白天还是夜晚始终闪烁发光。B错误；对于C选项，VT2、VT3、VT4的集电极电位始终高于其基极电位，所以处于放大状态。而VT5的基极电位为0.7 V，两个LED正常发光时两端电压范围为3.2～6.4 V，电流10 mA左右，所以VT5的集电极的电位要大于0.7 V，也处于放大状态，C正确；对于D选项，当C3短路时两盏LED仍旧会闪烁发光的，D错误。
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7. 小明设计了如图a所示的测试电路，用于测试二极管功能是否正常。 测试时，将待测二极管连接到P1、P2端口，VD1用于指示待测二极管是 否正常。请回答下列问题：
a
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555集成电路功能表
2脚 6脚 3脚 7脚
任意 高电平 断开
保持 保持
低电平 接地
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（1）将待测二极管的两端与P1、P2分别正向和反向连接，进行正接测 试和反接测试。表示待测二极管功能正常的现象为 （单选，填字 母）；
A. 正接和反接时VD1均闪烁
B. 正接时VD1闪烁，反接时不发光
【解析】（1）555集成电路与电阻电容构成振荡电路，3脚输出高低电平，正接待测二极管，3脚输出高电平时VD1熄灭，3脚输出低电平时VD1发光，因此正接时VD1闪烁；反接待测二极管时电路不导通，VD1不发光。
a
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（2）测试电路中能决定VD1闪烁频率的元件有 （多选， 填字母）；
a
A. R1 B. R2 C. C1 D. C2
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【解析】（2）VD1闪烁频率由振荡频率决定，振荡频率由R1、R2和C1 决定，因此选ABC。
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（3）小明在二极管测试电路的启发下，又设计了如图b所示的比较器测 试电路，图中R4＝R5。当图中双刀双掷开关S切换时，将1、2端的信号 或2、3端的信号分别输入到比较器进行测试。比较器功能正常的情况 下，开关S切换到1、2端时出现 （单选，填字母）的现象；开关S 切换到2、3端时出现 （单选，填字母）的现象；
A. VD1、VD2交替闪烁
B. VD1 不闪烁、VD2闪烁
C. VD1、VD2同步闪烁
D. VD1闪烁、VD2不闪烁
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【解析】（3）开关S切换到1、2端时，555集成电路的3脚输出高、 低电平，而IC1同步输出低、高电平，VD1和VD2交替闪烁；开关S 切换到2、3端时，555集成电路的3脚输出和IC1的输出同相，VD1和 VD2同步闪烁。
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（4）小明想用（3）中已测功能正常的IC1构成电路，实现原有电路的 测试功能。请在虚线框中连接给定的元器件，将电路补充完整。
c
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【答案】 如图所示：
【解析】（4）需要利用比较器、电容器和电阻组成振荡电路，振荡原 理参见第一节内容。
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8. 如图所示为小明设计的声音报警电路。BM（驻极体话筒）检测 到声音信号后，有源蜂鸣器发出一定时长的报警声音。BM（驻极 体话筒）、C2、C3、R1、R2、R3、R4、R5、VT1、VT2 组成声音信 号采集与放大电路，C4、C5、Rp1、Rp2、NE555 构成延时电路。请 回答下列问题：
图1
NE555芯片内部结构
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（1）电容器C3、C5的作用是 （单选，填字母）；
A. 滤波、延时
B. 滤波、耦合
C. 耦合、延时
【解析】（1）C3通过交流，隔断直流，为耦合电容；C5和Rp1决定3脚 的延时效果，C5为延时电容。
图1
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（2）如果要延长报警时间，下列方法可行的是 （多选，填字 母）；
A. 增大RP1 B. 增大RP2
C. 减小RP1 D. 减小RP2
【解析】（2）增大Rp1，充电电流减小，延时延长；增大Rp2，提高电 容C5的充电阈值，延时延长。
图1
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（3）小明发现有源蜂鸣器已损坏，于是重新设计了图2所示的电 路，请在虚线框1中选择合适的端子，将电路补充完整，实现电路的 原有功能。
图2
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【答案】 如图所示：
或
【解析】（3）555集成电路3脚输出高电平时，7脚悬空，3脚输出低电 平时，7脚接地。所以7脚接入与否都一样的。
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（4）为了提高报警的警示效果，小明对图2电路进行了改进（如下图3 所示），用9561 报警音乐芯片替代NE555（IC2），当检测到声音信号 时喇叭发出一定时长的特定的报警音乐。9561芯片引脚的功能为：VDD 接电源正极，VSS接电源负极，9561芯片输出端out输出报警音乐信号。 请用1个电阻、1个NPN三极管完成虚线框2中的电路设计。
图3
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【答案】 如图所示：
【解析】（4）依照题意，3脚出1时IC9561启动，即VSS接地，电阻接在 基极，芯片接在集电极。
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9. 小明设计了一个简易迎宾机器人。当红外检测装置检测到有人时， 蜂鸣器能发出“叮咚叮咚”的声音。IC1是红外检测模块，当检测到有 人时，输出端O1输出高电平。IC2是振荡模块，当IC2的输入端I2输入高 电平时，输出端O2能输出高低变化的电平，否则一直输出高电平。555 内部结构示意图如图b所示。请根据电路图和描述回答下列问题：
a b
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（1）已知振荡频率约700 Hz，蜂鸣器发出“叮”声音，振荡频率约500 Hz，蜂鸣器发出另一种“咚”声音。则当IC1检测到有人，O2输出高电 平时，蜂鸣器Buzz发声的声音是 （单选，填字母）；
A. 叮 B. 咚 C. 不确定
【解析】（1）当IC1检测到有人O2输出高电平时，V2导通，此时R5短 路，充电时间变短，因此振荡频率变高，可发出“叮”的声音。
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（2）小明想要当人离开IC1的检测范围后，能够延长发出叮咚声的时 间，下列调节措施合理的是 （单选，填字母）；
A. 调大C1 B. 调大C2
C. 调大C3 D. 调大C4
【解析】（2）C1、R3组成延时电路，调大C1，可以延长。
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（3）下列电路可以用作IC2振荡模块的是 （单选，填字母）；
　　 　　 　　
A. B. C. D.
【解析】（3）根据题干IC2振荡模块功能要求，当I2为高电平时，能够 输出高低变化，即I2接的是与非门，且I2是低电平时，O2一直是高电 平，D符合要求。
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（4）小明提出了新的功能要求：当蜂鸣器发出叮咚的同时，左臂能够 来回摆动表示欢迎。其中干簧管1和干簧管2用于检测前后摆动的极限位 置，左臂上含有磁铁。电机正转时，电流从“＋”到“－”，左臂从干 簧管1位置摆向干簧管2，反之电机反转。请在虚线框内完成电路的连 线，并在干簧管电路符号旁标注干簧管名称“干簧管 1”或“干簧管2”；
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【答案】 如图所示：
或 或 或
【解析】（4）电阻R12是构成反馈回路，当干簧管均断开时，能够保持 J2吸合或保持J2释放。干簧管主要用于转至极限位置时，能切换转动方 向。满足干簧管1闭合时，保证比较器输出0，干簧管2闭合时，保证比 较器输出1即可。
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（5）小明测试发现，左臂一直在干簧管2附近摆动，无法运动至干簧管 1处，造成该故障的原因可能是 （单选，填字母）。
B. R12断路
C. R13阻值过大
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【解析】（5）R12断路后，反馈失效，电机运行时无法保持正转或反 转，所以只能在干簧管1或干簧管2附近振荡。
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