电子控制系统及其应用.docx

一、 内容结构图第四节电子控制系统及其应用(3)红外发射：将数字脉冲信号通过红外发射管转换为红外线发射。(4)红外接收：用红外接收器件(光电二极管、光电三极管)将感受到的红外光脉冲信号，转换为电脉 冲信号，即先进行光/电转换，然后进行放大和去除干扰等预处理。(5)命令解释：命令解释是命令生成的相反过程。称为“解码”，经解码电路将命令信息内容的“串行” 信号转换为“并行”信号，每个命令内容都对应一根输出线，每根输出线对应一个执行机构, 控制多路对象。(6)命令执行机构：可实现对受控对象的控制，有继电器、伺服电机、可控硅等。3、红外发射器件：(2)红外发射二极管的驱动电路: 如图9.25电路所示Uk输入脉冲信号，三极管 工作在开关状态，使红外发射 二极管工作在快速断续状态， 断续工作时，红外二极管承受 的瞬间电流大，可以大于2If。 这就使红外管的发射功率增大，图9.25 NPN三极管驱动电路(1)几种主要红外发射二极管(IRLED)的主要参数:型号发射功率Pc (mW) If = 50mA峰值波长 (nm)正向压降 UF(V) If = 50mA材料封装(mm)特点L5IR379401.3GaAs 钱、 硅化合物透明6 5经济普通L 5IR880B12.258801.45GaAlAs 钱 铝珅化合物透明力5局功率(If为红外二极管所允许的平均正向电流)发射作用距离增大；而且在实际电路中，传送的是脉冲编码信号而非连续的单值信号。4、红外接收器件：是一种红外线传感器，作用是将所接收的红外光转换为电信号。有光电二极管和光电三极管。几种典型的光电器件的主要参数如下表所示:名称型号响应光谱 (nm)光电流暗电流反压Ur(V)功率 (mW)光电二极管2CU33IR7001100>50uA<5 nA>30光电二极管2CU35IR7001100>25 uA<5 nA>30光电三极管3DU030IR7001050>2mA<0.1 uA>30100光电三极管3DU050IR7001050>4mA<0.1 uA>30150例一：红外遥控电灯开关实验电路: (1)红外发射电路：图9.26单脉冲红外遥控发射电路单脉冲红外遥控发射电路如图9.26所示，K发射按钮，Cl、RI、R2为正向尖脉冲形 成电路，U1和U2构成整形电路将尖脉冲变成正向矩形脉冲，U3和U4构成多谐振荡器， Rs为保护电阻减少C3充放电对CMOS门电路输入保护电路所承受的电流冲击，产生的振 荡周期T2.2RfC3 ,当正脉冲加到U3输入端时，振荡器工作，产生40KHz的振荡脉冲， 经三极管VT放大后，由红外发射二极管IR向外发射遥控信号。例二、红外接收电路4700P图9.27遥控接收电路遥控接收控制电路如图9.27所示，红外接收探头采用NJL41H40,当接收到红外遥整信 号时，U0输出负脉冲，加到D触发器作为触发脉冲，因D触发器的次态方程Qe=D=0, 每来一个控制信号，输出Q翻转一次，去控制“双向可控硅光耦。Q=1时，控制二极管发 光，触发双向可控硅触发导通，控制灯泡回路的通、断。二、知识点列表学习结果（知识点）指标（当学生获得这种学习结果时，他们能够：）表现水平电子控制系统的基本组 成知道电子控制系统基本组成中输入环节、控制环节、 输出执行环节的作用与联系了解闭环电子控制系统的组成，了解反应环节的作 用II电子控制系统的工作过 程能用方框图分析生活中常见的开环电子控制系统的 工作过程能用方框图分析生活中常见的闭环电子控制系统的 工作过程IIII开环电子控制系统的设 计、安装、调试 能用数字集成电路等安装简单的实用电路 能用常用电子仪器如多用电表和示波器等对该电路进行调试 能应用该电路设计和安装开环电子控制系统IIIIII闭环电子控制系统的设 计、安装能用集成电路等设计和安装简单的闭环控制系统II闭环电子控制系统的调 试和改进能对简单的闭环控制系统进行调试和改进II遥控电子控制系统了解常见的遥控系统的组成、分类及应用能用集成电路设计和安装简单的遥控系统，并进行调试III三、重难点分析（一）重点分析1、用方框图分析生活中常见的闭环电子控制系统的工作过程可使学生站在系统的高度，分析系统中各个环节的相互联系、相互作用、选择、优化 设计方案，学会技术决策、科学决策的方法。（1） 了解闭环电子控制系统中各个环节的作用： 输入环节：输入控制信号，这个控制信号可以是人为预先设定也可以是由传感器 采集外界物理信息转换来的；控制环节：由电子集成电路构成，对输入信号进行比拟、分析、处理输出控制信 号，这个控制信号可以是提示性信号（如一组“音乐”或“报警”电信号）也可以是控制 继电器工作的触发信号； 输出环节：是电子控制系统的执行环节，可以是继电器、也可以是喇叭等被控对 象；被控对象：往往是电炉丝、电灯、电动机等大功率设备； 检测、反应环节：主要由传感器组成，监测被控量（如温度等），转换为被控量电 信号；比拟环节：可看成电子控制器的一局部，将被控量与预设量不断进行比拟、分析、处理。（2）用数字集成电路等安装简单的实用电路来设计和安装开环电子控制系统，学生通过用数字集成电路等安装简单的实用电路来设计和安装开环电子控制系统，可 使学生站在系统的高度，分析开环系统中各个环节的作用和控制关系、选择、优化设计方 案。选择、识别电子元器件，焊接、安装、调试电路、完成试验报告，体验电子技术试验 的全过程。是对本章所学传感器、数字集成电路和继电器知识的综合应用。（二）难点分析1、用集成电路等设计和安装简单的闭环控制系统，（1）根据任务要求，画出闭环电子控制系统的方框图；（2）按照任务要求，详细分析各个环节的作用，提出技术要求、指标；（3）选择符合技术要求、指标的传感器类型、控制环节的结构电路、继电器类型和合 适的被控对象；（4）画出详细的闭环电子控制系统电路图；（5）安装电路：可用面包板接插或用蜂巢板焊接。2、电子控制系统的调试和改进如果电子控制系统的设计存在问题，或由于系统内各个环节之间的不匹配，或由于电 子元器件的质量（如离散度较大）等问题，会使安装好的电子控制系统达不到设计指标的要 求，甚至不能工作，所以调试、改进是一个重要的环节，也是一个难点。电子控制系统的设计要经过比拟、选择和优化，因此调试、改进这个环节，一般不对电 路结构作大的改动，只对元器件的参数进行调整，以到达设计指标的要求。（1）掌握电路工作原理，了解有关参数的调整方法，如在多谐振荡器电路中有那些元 件参数决定振荡器的频率，有那些元件参数会影响工作稳定性，有那些元件参数选择决定振 荡器是否工作。（2）电子测量仪器是调试电子控制系统的主要技术手段，多用电表可以判断电子元器 件的好坏，示波器可以观察和测量振荡频率，通过屡次元器件选择试验，使电子控制系统的 技术指标到达设计要求。四、教学建议电子控制系统及其应用是电子控制系统技术模块中的重点。它一方面是本模块所学传感 器、数字集成电路和继电器知识的综合应用。另一方面，是培养学生如何从整体出发，分析 和设计电子控制系统。虽然电子控制系统课程中的“系统”“控制”所包含的内容很简单， 但其中渗透的思想和方法，具有很强的普遍意义，是培养学生良好的技术素养精华所在。透 过电子控制系统及其应用的学习，应让学生初步领悟技术设计的一般思想和方法；知道电子 控制系统的基本组成；能用方框图分析生活中常见的电子控制系统的工作过程；能用数字集 成电路等安装简单的实用电路，并进行调试。然后，能应用该电路设计和安装开环控制系统; 能设计和安装简单的闭环控制系统，并进行调试和改进。1、在电子控制系统及其应用的教学过程中，引导学生亲历设计的过程电子控制系统课程是一个实践性强、创造空间大、涉及知识面广的课程模块。在我们 生活的周围无处不见电子控制技术，教学中考虑如何引导学生亲历设计的过程是十分重要 的，其重要性在于这种引导要能够激发学生对技术问题的兴趣和研究愿望，最大限度地开发 每个学生的潜能，然后促使学生主动、有效地参与设计过程；这种引导要有助于学生从多个 角度提出问题，然后再用多种方法解决问题。在教学设计中，教师应多考虑以引导者的身份出现，创造一种开放、民主、活跃、进 取的学习气氛，鼓励学生展开想象，大胆创新，使教学成为生动活泼，师生互动的过程，使全班同学在学习中都得到开展。例：教学设计可以考虑安排学生回家用电饭煲煮一顿饭，用全自动洗衣机洗一次衣服， 用,并观察记录试验的过程。经同学们课堂讨论后，老师提出一系列为什么。如：为什 么电饭煲会自动煮饭、为什么洗衣机能实现自动进水，自动控制水位、为什么台灯能手动调 光等。鼓励学生展开想象，结合教科书引导全班同学理解电子控制技术的含义，了解它的广 泛应用，知道电子控制系统是以电子控制技术为核心的系统；理解电子控制系统的组成和工 作过程。知道开环电子控制系统和闭环电子控制系统的区别，会用方框图分析生活中常见电 子控制系统的工作过程。在师生互动教学过程中，学生的认知水平和创造性思维能力得到提 局O2、从应用的角度理解电子控制系统电子控制涵盖了开环控制和闭环空。理论上它们具有高度的抽象性。由于电子控制系 统是应用学科，教学中要从应用的角度来解释电子控制系统，教学过程要以创新精神和实践 能力培养为重点。要防止过分的理论分析电子控制系统中的单元电路。对电子控制系统的单 元电路只要做简单的定性分析就可以。在教学是设计中，选择的实验内容要符合学生学习生 活和认识规律的基础知识，要有一定的代表性，切不可以急于求成拔苗助长。特别是基本操 作技能，它是需要实践的堆积，不能要求太高。例1开环控制系统的设计和制作老师：复习控制技术的基本原理等。开环控制系统的基本组成框图。如图9.5它由传 感输入信息图9. 16开环电子控制系统组成方框图器电路，控制电路和报警电路三大局部组成。由于开环控制系统不存在反应通道，因此多用 于控制精度不高的场合。老师：今天我们要来设计一个水开了声光报警系统。从解决问题的角度看，它可以采 用精度不高的控制系统。有谁能回答采用什么控制系统，它即能解决问题又能降低投入的成 本。同学：可以采用开环电子控制系统。它适用控制精度不搞的场合，满足开水报警器的功 能要求。老师：开环电子控制系统的原理框图如图9.16所示。下面同学们讨论一下每个框图采 用什么单元电路。同学：热烈讨论。老师小节：依据开环控制系统的原理框图和同学们讨论的结果，应采用如图9. 17所示 的控制电路。图9. 17控制烧水报警电路老师：图中温度传感器Rt是选择负温度系数的热敏电阻。当水温上升时电阻减小，反 之电阻增大，电位器Rp用来设置温控点，R、R2、VL. VD2组成控制电路，VDi. Gi和G2、R3> G和扬声器元件组成声光报警电路。其中报警声的频率由R3和G的乘积决定。即f=1.4R3G, V»为发光二极管，由它完成光报警。下面分析电路的工作过程。调整Rp可改变电阻，设定报警温度。当水温上升，汽电阻值减小，Vbe电压数值上升， 加电压数位小，这时VL截止，V”不亮。D点低电压，使VD2导通，将非门Gi钳位于低电平， 使非门Gi、G2多谐振荡器处于停振状态，扬声器无声，说明水的温度低于设定的报警温度。当水的温度升至设定的报警温度时，L电压数值增大导使VL导通，电源经VTi的E、C 极、VDi、R2构成回路，电流经过发二极管VDi, VDi亮。同时，电流经过R2产生较大的压降， D点上升为高电位。VD2截至，由非门Gi、Gz组成的多谐振荡器起振，扬声器发出响声，实现 温度超限的声光报警。在图9.6中，R为限流阻，其功能是保护VL发射结，防止因操作失 误而损坏，R2的阻值决定V、饱和时的导通电流。因此它实质是调整报警时发光二极管的亮 度。通常发光二极管设计的工作电流为10mA左右。这时，对应R2的阻值约为500欧左右。根据上述电路的可行性分析，理论上是可行的，但实际怎样呢？选用的传感器，符合 技术要求吗？控制电路输出的控制信号强吗？声光报警强度够吗？这一切还需要实验来验 证调试和修改。同学们回家后认真地分析今天我们设计的超温报警器电路工作原理。查一下资料，选 择符合技术要求的传感器型号，想一想制作与调整的步骤，为下一堂课实验做准备。例2闭环控制系统老师：上一堂课我们设计了超温报警器，这一堂课我们要求同学们设计一个养热带鱼 的恒温箱。老师：恒温控制是什么控制？设计时要采用什么控制系统？同学：恒温控制是精确控制，系统要采用闭环控制系统。老师：闭环控制系统的方框图，如图9. 18所示。它由控制、执行器、被控对象和检测 装置组成，同学们讨论一下，这些方框对应恒温水箱那些单元电路。给定量给定量图9. 18闭环电子控制系统方框图同学：讨论回答老师小结：检测装置对应恒温水箱的热敏传感器、执行器对应继电器，被控对象电热 棒。恒温水箱闭环控制系统原理框图为图9. 19所示图9.19水箱恒温闭环控制电路方框图老师：同学们讨论一下各框图组成的单元电路，说明为什么要这样设计同学：讨论老师小结：根据闭环控制系统的原理框图，结合同学们的讨论意见，老师给出恒温水 箱闭环控制电路电原理图。如图9.20。下面分析电路的自动恒温控制过程。图9. 20水箱恒温控制电路老师：在图9.20中，Rt为正温度系数的热敏电阻，其功能是接收水温信息，（安装时它 是浸在水中），VL. VT?和R是信号处理电路（控制器），J是继电器，它的开关是电热棒的 电源开关，Rp用来设定温控点。当水温低时，阻值小，电源在Rp两端的压降大，使VI、VT2导通，电流流过继电器， 继电器开关动作，电热棒（图中没有画出）通电加热，水温逐渐上升，由于水温的上升，使 浸在水中的热敏电阻汽阻值增大，Rp两端的压降减小，当水温到达设定温控点时，Rp两端的 压降减小到是V'、VT?截止，继电器J的供电源被切断，电热棒控制开关自动断开，切断电 热棒的供电电源，加热源被切断，水温下降，%阻值减小，Rp端电压上升到使VTi、VT2导通o 这样周而复始，到达水箱中水温恒温。老师：观察图9.8控制电路，如果继电器J的控制开关不是电热棒的电源开关，而是 发光二极管和无稳态的电源开关，电子控制系统是开环还是闭环，同学们讨论一下。同学：热烈讨论，回答下列问题老师小结：如果改动图9.9的电路，将控制电路中的继电器开关作为发光二极管和无 稳态电路的电源开关，控制电路将成为开环电子控制系统，这个装置将由恒温控制装置变为超温报警装置。下课以后同学们查一下资料，根据电热棒的功率和控制的水温范围，选择符合技术要 求的继电器和传感器型号，想一想制作与调整的步骤，为下一堂课实验做准备。例三、闭环控制系统的分析与设计水塔水箱水位自动控制系统1、明确问题：(1)控制量：水位传感信号；(2)被控量：水位(3)传导电压大小与高、低水位线位置的关系；(4)水塔高度与水泵扬程的选择。2、系统设计：确定解决问题的目标和评价标准；(1)解决问题的目标：利用水的导电特性，使用导电体探测水位的高低，控制继电器 闭合、断开，带动水泵抽水。(2)评价标准：当水位低于低水位线时，抽水；当水位到达高水位线时，停止抽水；当水位介于高、低水位线之间时，要维持水泵原工作状态；原来抽水，那么继续抽水, 等水位到达高水位线时再停机；原来停机，那么继续停机，等水位降到低水位线时，再抽水。(3)鼓励学生设计多方案控制量：可使用裸导线或液面传感器作为水位探头。 控制器：可用三极管放大电路，可用数字集成电路，也可用专用集成芯片等。执行器：可用不同电压、功率的继电器。被控对象：水泵3、系统综合：对可能使目标实现的各种方案、管理措施或全系统进行综合；综合考虑 系统的水漏电的平安性、电路简捷工作可靠、造价等因素，选用合适的传感器、控制电路结 构、继电器的种类和被控水泵。4、系统分析：制作模型；以实现目标、解决问题、满足需要为前提，深入地进行分析;(1)水箱中的水位探头示意图：水箱中水位探头位置如图9.21所示，a为电源电压引出端，b为低水位探头，c为高水位探头。a、b、c为三根裸露的硬铜电线。图9.21水箱中水位探头位置示意图(2)水箱水位闭环电子控制系统方框图:(b)当水位到达b时，a、b之间因水导通，Ub = 1、Uc = O、g = 1、L = 1、S = 0, RS触发器维持原态，三极管VT截止，水泵继续给水箱输水；(c)当水位到达c点时，Ub = 1、Uc = 1、g = 0、S = 1、L = 0,三极管VT饱和导通、继电 器吸合、电动机断电、水泵停止给水箱输水；(d)当水位低于c点时，Ub = 1、Uc = O、g = 1、L = 0、S = 1, RS触发器维持原态，三极 管VT饱和导通、继电器吸合、电动机断电、水泵停止给水箱输水；(e)当水位低于b点时，重复的过程。R4R4220V图9.23 RS触发器构成水位控制电路五、遥控电子系统介绍：1、概述：(1)遥控的概念：对被控对象的内部电参数(如音量、比照度、亮度)、工作状态(继电 器的吸合、电机的正反转)进行远距离操纵。(2)遥控的应用：航模、舰模、宇宙飞船、导弹.、遥控电视等。(3)红外遥控：使用880940nm波长的近红外线作为信号的载体来传送遥控命令。具 有不易散射、穿透力强、不易受干扰和易于产生等优点；但它也有作用距离短、方向性强和 不能跨越墙壁等障碍物的阻挡等缺点。2、红外遥控系统的基本组成：其组成方框图如图9. 24所示(1)遥控命令输入：一般由按钮、键盘等构成。人们通过按钮、键盘等将预先定义的命令输入到有关电路 中去。(2)遥控命令生成：将按钮、键盘等输入的遥控命令，通过其电路处理生成不同的数字脉冲信号代表不同的 命令，这个过程称为“编码”。