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高一—粤教版—通用技术—必修二第四章
第三节 简单控制系统的设计（二）
温馨提示
同学们所开展的技术与工程实践体验，请在老师、家长或导师的专业指导下进行，确保安全！
一、工程思维：能基于控制原理和系统分析方法将案例中各部件之间的关系通过控制系统框图表达出来，形成初步的工程思维和技术意识。
二、物化能力：能根据方案设计要求，选择合适的材料和工具，并将方案转化为模型或原型，且根据实际需要对已有模型进行改进和优化，逐渐形成设计方案物化过程中严谨细致、精益求精的工作态度。
案例回顾
小明的爷爷家住在山区，家庭用水靠水泵抽深井的水到楼顶的水塔，然后用水管把水接下来。采用了最简单的控制方式，但小明觉得不好用，请设计一款合适的水塔水位控制系统模型给小明做参考。
M
~
一、项目设计目的
控制系统模型功能分析：
1.当水塔水位下降到下止点时水泵自动启动，开始抽水；
水塔
上止点
下止点
溢水口
出水口
2.当水塔水位上升到上止点时水泵自动停机，停止抽水。
水塔水位控制系统模型设计目的：
水塔自动储水
二、回顾控制系统设计方案
三、控制系统方框图
控制电路
（控制器）
水量
（控制量）
比较器
水泵
（执行器）
水塔
（被控对象）
水塔实际水位
（被控量）
水位传感器
（反馈环节）
设定上、下水位
（给定量）
+
-
根据设计方案得出水塔（注水过程）的控制系统方框图：
四、确定系统结构
系统结构由水塔箱体部分与电路控制部分构成。
具体方法：参考“黑箱法”，利用控制电路成品或半成品设计控制系统并制作模型。
控制器
（本页图片来源于网络）
控制模块（黑箱）
输入
输出
五、建立模型
（一）画出模型草图和示意图，为搭建模型提供依据：
水泵
控制器
水管
检测线
上水池
下水池
五、建立模型
（二）控制器接口说明：
12V电源端子
水位检测线
抽水控制（接水泵）
1
2
3
五、建立模型
（三）画出电路连接图，给模型接线提供依据：
M
+
_
12V电源
水位检测线
控制器
+
_
2
3
上止点
公共线
下止点
五、建立模型
（四）电路实物连接图：
五、建立模型
（五）材料准备：
序号 材料 规格 单位 数量 成本（元）
1 透明塑料箱 33cm*25cm*18cm 个 1 10
2 透明塑料箱 28cm*20cm*16cm 个 1 8
3 电源 12V/2A 个 1 8
4 水泵 12V/5W 个 1 7
5 水泵配套水管 内Φ6mm，外Φ10mm 米 2 2
6 电线 Φ1mm 米 2 0.5
7 水龙头 4分 个 1 4
8 开关 船形开关 个 1 0.5
9 水位控制器 NE555P 控制板 块 1 10
合计 50
五、建立模型
（六）工具准备：
剪刀、美工刀、万用表、螺丝刀、电钻、热熔胶枪等。
五、建立模型
（七）系统模型制作过程
（温馨提示：请同学们规范操作步骤，安全使用工具。）
具体步骤：
1.水塔箱体打孔；
2.安装水龙头；
3.搭建水塔箱体模型；
4.安装控制板、水泵、
开关、电源接口等零部件；
5.安装检测线；
6.连接电路。
六、系统测试
系统测试过程
测试项目：
1.结构稳定性与结构强度测试；
2.电路设计的合理性测试；
3.系统整体功能测试；
4.系统稳定性测试；
5.精度测试和抗干扰能力测试。
七、系统测试报告
七、系统测试报告
测试项目 测试方法 测试结果 评价 存在问题的原因
结构稳定性与强度 两个透明塑料盒分别装满水、电池、电机按照模型结构组装，检查是否变形。 各结构均平稳无变形情况。 合格
电路设计 通电测试，测试电路设计是否正确。 电路接线正确，能正常工作。 合格
功能：水位到达下止点时，水泵是否开机;水位到达上止点时，水泵是否关机。 通电测试，观察，并记录情况。 能够按照预期设计点开关机。 合格
系统稳定性测试 连续开机6个小时，打开水龙头，让水循环起来。 自来水能够按照预期设计循环。 合格
精度：上、下止点是否可调 调整上下检测线的位置。 精度可调且为0.5CM。 一般 进水管吊得太高，水面振荡，造成精度不高。
抗干扰能力 频繁停电、频繁开关出水龙头。 基本没影响。 合格
八、综合评价
八、综合评价
八、综合评价
评价项目 评价方法 评价情况 评价意见 改进建议
结构强度 模型能满足平时的移动和存放。 模型无变形，整体结构完整紧凑。 好 可制作一个木架，方便整体移动。
供电方式、功耗 交流或直流供电，功耗是否匹配？ 直流供电，总功耗小于12W，不会导致发热等情况。 好
功能 控制系统能否按照设计要求运行？ 能按预定设计目标工作。 好
安全、稳定、可靠 连续运行6小时，检测控制板及水泵发热情况。 直流供电，温度在许可范围。 好
可借鉴性 模型的原理、制作方法等可以借鉴给原型。 可以稍微改动后应用。 好
性价比 是否价廉物美，是否超预算？ 价格在控制范围内。 好
总体评价 是否合格？ 系统方案可行。 好
课堂小结
问题一：在水塔水位控制系统中，如果控制器出现故障导致水泵不停机，水全部从溢水口漏掉，浪费了水资源，请问有什么方法能改进系统设计吗？
+
_
12V电源
水位检测线
溢水控制器
溢水检测器
M
常闭继电器：断开
问题二:在水塔水位控制系统中，检测原理是利用自来水的导电性能进行水位判断。如果介质不是水，而是其它不导电的液体，又该怎样确定液位，怎样完成控制系统的功能呢？
下止位压力=< 压力范围 =<上止位压力
控制器
压力检测器
不导电液体
如果检测器压力小于等于下止点压力则启动电机，开始抽水。
如果检测器压力大于等于上止点压力则断电停机，停止抽水。
问题三：在水塔水位控制系统中，能不能设计一个纯机械的控制开关呢？要怎样设计才是最简单的呢？
M
~
总开关
浮力开关
浮力开关
浮力开关

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