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第五章　电子控制系统的设计及其应用
知识体系
教材解读
一、简单功能电路的安装与调试
利用数字集成电路可以安装许多实用的功能电路,如多谐振荡电路、触发电路、储存器和计数器等。多谐振荡器是能自动产生周期性脉冲的自激振荡器,常用来作为脉冲信号源。脉冲的周期由电路中电容充放电时间确定,也就是由电阻R和电容C决定。很多集成电路中都包含多谐振荡器。
二、开环电子控制系统的设计和应用
1.开环电子控制系统结构简单、造价较低,没有反馈环节,适用于被控对象的状态变化较为简单、被控量的控制精度要求不高的情形,其执行部分一般由声或光报警组成,如蜂鸣器发声、扬声器发声、发光二极管发光等。
2.设计和安装开环电子控制系统的一般步骤如下:
(1)根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。
三、闭环电子控制系统的设计和应用
1.闭环电子控制系统是在开环电子控制系统基础上增加反馈环节而成。它具有较高的控制精度,能实现自动控制。
2.设计和安装闭环电子控制系统的一般步骤可以总结如下:
(1)按照设计要求,确定被控量和被控对象。
(2)如果对控制量控制的精确度要求较高,应利用有反馈的闭环电子控制系统对被控量实施控制。
(3)根据闭环电子控制系统的方框图,选择控制(处理)部分的电子电路、输出部分的执行器、检测部分中的传感器,并参照有关资料,通过接口电路将各个部分紧密地连接成一个完整的控制系统。
(4)按照电路图安装电路。
(5)将系统各部分进行整体安装和调试。在调试过程中,输入预置控制量,根据被控量的变化进行监控。认真分析干扰因素对被控量的干扰,并通过调整预置控制量等各种方法把干扰的影响减至最低。
(6)通过制作、试验,发现设计存在的问题,对方案进行改进或优化。
3.闭环控制系统的核心是控制处理部分,通常可以有以下几种类型:
(1)晶体管(二极管、三极管)及电阻器、电容器。
(2)由门电路组成的逻辑电路、RS触发器等。
(3)555时基集成电路。
(4)集成运算放大器(简称运放)(电压比较器)。
(5)JN6201音乐集成电路。
有些经典的电路有相对比较固定的模式,我们可以把它们称为基本单元电路,比如,555时基集成电路的四种基本单元电路。我们对每种基本单元电路的原理搞清楚了,下次无论它出现在哪里,我们都清楚其工作原理,做到触类旁通,事半功倍。这就是电路学习中的模块化思想。
4.如何确定闭环电子控制系统的上限、下限
在闭环电子控制系统中,如温度控制、水位控制等,为了稳定输出量,通常是把被控量控制在上限和下限之间。以温度控制为例,在表示温度的数轴上,下限t下、上限t上把数轴分成了三个区间(如图所示)。①当tt上时,执行器要使温度下降(停止加热或者启动散热)。分析闭环控制系统时必须先理顺这一逻辑思路。
在理顺这一逻辑思路的前提下,再从电路的执行部分进行逆向推理,直到推出输入部分。在有上、下限的闭环控制系统中一般有两个输入部分Ui1、Ui2(一个检测下限、另一个检测上限),若Ui1在t下发生翻转(如:当t以教材113页NE555集成电路组成的热水温度自动控制系统电路图为例来说明。
本电路的功能是把温度控制在37 ℃~40 ℃之间,NE555集成电路的2脚、6脚为两个输入端,3脚为输出端。根据以上的逻辑思路,我们可以得出:
6.对555时基电路功能的理解
555定时器是一种多用途的模拟电路与数字电路混合的集成电路,主要由两个电压比较器、一个RS触发器、三个等值串联电阻、一个放电管组成,内部结构如图所示。
它的各个引脚功能如下:
1脚:外接电源负极端VSS或接地,一般情况下接地;
2脚:低触发端TR;
3脚:输出端Vo;
4脚:直接清零端。当此端接低电平,则时基电路不工作,此时不论2脚、6脚处于何种电平,3脚输出为“0”,该端不用时应接高电平;
5脚:控制电压端。若此端外接电压,则可改变内部两个比较器的基准电压,当该端不用时,应串入一只 0.01 μF 电容后接地,以防引入干扰;
6脚:高触发端TH;
7脚:放电端。该端与放电管集电极相连,起到电容的放电作用;
8脚:外接电源VCC。
555电路功能表
7.555时基电路的几种典型应用
由555时基电路组成的应用非常多,归纳起来主要有以下四种典型应用。理解了这四种基本类型,我们就可以以这四种基本类型为单元电路去分析实际应用问题。
典例变式
[典例1] (2025·浙江6月选考)小明完成了龙灯机械装置的制作后,为了点缀龙灯,设计了如图1所示的实验电路,使红色、黄色LED交替发光。请完成以下任务。
(1)为了增强喜庆感,希望红色LED发光时间变长。对Rp的调节正确的是
　　　(单选)。
A.滑动端向上移
B.滑动端向下移
B
解析:(1)本题考查555振荡频率的调试。希望红色LED 发光时间变长,3脚输出低电平时间延长,需要增加电容C1的放电时间,C1的放电回路通过VD2到Rp上端剩7脚,所以要增大Rp上端的阻值。
(2)小明希望LED发光亮度能渐变,重新对电路进行了设计,如图2所示。测试时,发现不能实现预期功能。可行的改进措施是　　　(单选)。
A.增加C3、C4的放电通路
B.增加C3、C4的充电通路
C.将C3、C4替换成容量较小的电容
A
解析:(2)本题考查电容充放电回路。希望LED发光亮度能渐变,设计了将电容布在电路中,C3、C4没有放电无法实现连续的渐变,所以要增加C3、C4的放电通路。
(3)为了实现环境光照强度低到一定程度时LED才工作,请帮助小明在虚线框1中连线完成电路设计;
答案:(3)
解析:(3)本题考查三极管输入端电路设计。三极管VT作为开关作用,当光照强度低的时候让PNP型三极管导通,需要信号输入端电位为低。
(4)为了节能,小明准备用继电器控制龙灯,当下雨或无观众时,机械装置子系统和LED子系统不工作。请帮助小明完成电路设计,在虚线框2中完成门电路的连接,其输出信号F作为虚线框3中电路的输入信号,并选择电阻、二极管、继电器及合适类型的三极管各一个,在虚线框3中用共发射极接法将电路补充完整。
答案:(4)
[变式1] (2024·浙江6月选考)小明针对某走廊吸顶灯的控制,先设计了如图所示的光控模型电路,天黑时发光二极管VD1 发光。请完成以下任务。
(1)小明搭建了电路并通电测试,发现VD1始终不发光,可能的原因是
(单选)。
A.RG断路 B.R1阻值过小 C.R3阻值过大
C
解析:(1)本小题考查三极管控制电路的故障分析。RG断路和R1阻值过小都有利于VT1和VT2导通,即有利于VD1发光,故A,B不合理;C选项,R3阻值过大,导致VT2基极电流过小,故VD1始终不发光。
(2)小明希望天黑有人经过时VD1 发光,离开时延时熄灭。于是采用人体感应模块重新设计了如下图所示的电路。当模块检测到人体热辐射信号时,持续输出高电平,反之输出低电平。若要使延时的时间变长,合理的措施有
　　　(多选)。
A.调小RP B.增大C1的值
C.增大R5的值 D.减小R6的值
BC
解析:(2)本小题考查电容延时作用的影响因素。延时的时长与C1的放电速度有关,增大C1和R5可以增大C1放电的时间,实现延时的时间变长;A选项,Rp是光线控制的调试电阻;D选项R6影响VT2的通断,而与门输出数字信号,即VT2只有通和不通两种状态,与延时效果无关。
(3)为了控制走廊吸顶灯,小明对下图虚线框中缺少的电路进行设计。要求三极管采用共发射极接法,下列设计方案中合理的是　　　(多选)。
AD
解析:(3)本小题考查三极管共发射极接法。B选项是共集电极接法,不合理;
C选项的二极管方向反了,不合理;E选项,①为高电平时,两个三极管都截止,不合理;A选项,①为高电平,三极管导通,继电器吸合,灯亮,合理;D选项,①为高电平时,左边三极管截止,右边三极管导通,继电器吸合,灯亮,合理。
(4)小明想用555集成电路重新设计本题(2)中的电路,实现原有电路的功能。请在下图虚线框中连接给定的元器件,将电路补充完整。
555集成电路功能表
答案:(4)
解析:(4)本小题考查555单稳态电路的设计。天黑有人时,与非门输出0,给2脚触发,此时灯亮;当与非门输出1时,根据555单稳态电路的原理,此时需要通过电容充电来提高6脚电位,实现555从保持输出1到输出0的过渡,实现延时的目的,充电的电源可以由与非门输出提供;为了实现3脚输出0时,电容能够快速放电,将6脚与7脚连接,因为此时7脚接地,即可得到答案。
[变式2] (2024·浙江1月选考)小明设计了如图所示的台灯调光模型电路,其工作原理为:通过调节Rp滑动端的位置来改变振荡电路中NE555输出高电平的持续时间,从而改变灯的亮度。高电平时间变长,低电平时间变短时,台灯变亮,反之变暗。请完成以下任务:
555集成电路功能表
(1)电路通电后正常工作,Rp向下调节时VD2将　　　(单选)。
A.变亮 B.变暗
A
解析:(本题考查555芯片组成的振荡电路的频率调节)
(1)若3脚出高电平,证明7脚断开,电容C1处于充电状态,如图所示充电时长与RA有关,反之,3脚出低电平时,电容处于放电状态,放电时长与RB有关。若Rp向下调节,RA变大,充电时间变长,3脚出高电平时间变长,VD2变亮。
(2)下列关于振荡频率的分析中正确的是　　　(单选)。
A.减小C1的值,振荡频率变低
B.Rp的调节不会改变振荡频率
C.减小C2的值,振荡频率变高
D.增大R1的值,振荡频率变高
B
解析:(2)选项A,减小C1将减少充放电时间,增加了振荡频率;选项C,5脚接电容是为了增加电路的稳定性,因此C2减小不会对振荡频率造成影响;选项D,增大R1将增加充电时长,对放电时长没有影响,因此充放电总时长会增加,振荡频率会降低;选项B,参照(1)解析的图,充电时长与RA有关,放电时长与RB有关,充放电总时长与RA+RB有关,RA+RB即R1+Rp不变,因此调节Rp不会改变振荡频率。
(3)为了驱动更大功率的灯,小明针对虚线框中缺少的电路,设计了下列方案,其中可行的是　　　(多选)。
CE
解析:(3)本小题考查复合管的组成和应用。
选项ABD
选项CE
(4)小明想用门电路代替555集成电路设计振荡电路,实现原有电路功能。请在虚线框中用1个电位器和2个二极管将电路补充完整。
答案:(4)
解析:(4)本小题考查用逻辑门、电阻和电容等元器件组成的多谐振荡电路。
三个答案中,振荡电路充电过程如上图所示,放电时,电容直接对右侧非门的输出端进行放电。
[典例2] (浙江选考真题)如图所示是小明设计的窗帘自动控制电路(暂不考虑电机如何自动停止)。当环境光线强度介于上限和下限之间时打开窗帘(通过电机的电流从“+”到“-”),当环境光线强度高于上限或低于下限时关闭窗帘(通过电机的电流从“-”到“+”)。比较器功能:U+>U-时输出高电平,U+(1)打开窗帘时,关于V5、V6状态分析正确的是　　　　(在“A.V5发光;B.V6发光;C.V5和V6同时发光;D.V5和V6交替发光”中选择合适的选项,将序号填入“　　　　”处)。
A
解析:(1)打开窗帘时,电机电流从“+”到“-”,继电器J1吸合,V5发光,选择A;
(2)在环境光线强度介于上限和下限之间时,关于开关S功能分析正确的是　　　　(在“A.S接通时打开窗帘,断开时不确定是否关闭窗帘;B.S接通时关闭窗帘,断开时不确定是否打开窗帘;C.S接通时关闭窗帘,断开时打开窗帘;D.S接通时打开窗帘,断开时关闭窗帘”中选择合适的选项,将序号填入“　　 　”处)。
C
555功能表
解析:(2)S接通时,等效于光线强度很大,关闭窗帘,S断开时,环境光线强度介于上限和下限之间,打开窗帘,选择C;
(3)若要使控制窗帘的环境光线强度上限不变、下限更低,合理的措施是
　　　　(在“A.增大R1的阻值;B.增大R2的阻值;C.Rp1触点下移;D.Rp2触点下移”中选择合适的选项,将序号填入“　　　　”处)。
D
解析:(3)当光线高于上限或低于下限时关闭窗帘,J2吸合,V3导通,V4截止,V1、V2、R3构成或门,光照大,Rg阻值小,上面的比较器控制上限,若要改变环境光线使下限更低,需调节Rp2,Rg光照小,阻值大,需将Rp2调小,触点下移。选择D;
(4)小明准备用555芯片来代替题图虚线框中的电路,555芯片的功能如表所示。请在虚线框中完成电路连线,实现原有的控制功能,要求A点与B点不能直接相连。
答案:(4)如图所示
以下为等价答案:
解析:(4)芯片连线优先连接电源,555芯片1脚接地,8脚接VCC:(如图所示)用555芯片代替原电路的功能,当环境光线强度介于上限和下限之间时,打开窗帘,分析原电路,1吸合,V1、V2、R3构成的或门输出低电平,分别连接2、6脚,
3脚输出高电平连接B,另外一接线柱接地;(如图所示)当环境光线强度高于上限或低于下限时关闭窗帘,2吸合,V1、V2、R3构成的或门输出高电平,3即输出低电平,7脚相当于接地,7脚连接A,另外一接线柱接VCC(如图所示)。
[变式3] (2023·浙江1月选考)如图所示是小明设计的具有快慢充功能的电池充电电路。E是充满电压为1.5 V 的充电电池,快慢充转换的基准电压设定为1.42 V。当电池快充到1.42 V后,转换为慢充;两个发光二极管分别指示快充和慢充状态。请完成以下任务:
(1)根据电路原理分析,快充状态指示灯是　　　(单选);
A.VD1 B.VD2
B
解析:(1)本题考查电路原理分析,主要涉及三极管的开关作用、分压电路的基本规律、发光二极管的亮灭条件。在快充电路中,电流较大,R2、R3和VD1被短路;R4两端电压足够,VD2发光。在慢充电路中,电流较小,R4两端电压不足,VD2不发光,R3两端电压足够,VD1发光。故快充状态指示灯为VD2,慢充状态指示灯为VD1,选B。
(2)小明搭建了电路并通电测试,当IC1的输出为低电平时,VD1、VD2同时发光,无法正确指示快充与慢充状态,可能的原因有　　　　　(多选);
A.R1阻值偏大 B.R1阻值偏小
C.R4阻值偏小 D.R4阻值偏大
AC
(3)小明在对题图电路的测试中发现电池充满后还保持充电状态,可能会造成安全隐患,于是决定改进电路,使电池充到1.5 V后能自动停止充电。小明画出了部分电路,请在虚线框中连接给定的元器件,将电路补充完整;
答案:(3)
(4)小明还发现电源电压波动时,会导致快慢充转换的基准电压也发生波动。为了稳定基准电压,需要在题图的基础上进行改进,请在虚线框中连接给定的元器件(二极管为硅管),将电路补充完整。
答案:(4)
[变式4] (2025·浙江1月选考)如图所示是小明设计的太阳能板跟随阳光方向转动的控制电路,其中光敏电阻Rg1和Rg2用于检测太阳能板偏离阳光的程度。白天当太阳能板正对阳光时,Rg1和Rg2的阻值相等;随着阳光方向的改变,Rg2的阻值逐渐增大,当Rg2阻值大于Rg1阻值的差值达到ΔR时,电机M正转带动太阳能板向阳光方向转动一定角度后停止。夜晚按下开关S1,电机M反转带动太阳能板返回初始位置。请完成以下任务:
(1)以下关于元器件的选择,不正确的是　　　(单选)。
A.Rg1和Rg2的特性参数尽量一致
B.继电器J1的额定工作电压为24 V
B
解析:(1)控制电路部分电压是12 V,被控对象部分的电压(即工作电路的电压)是24 V,继电器线圈接在控制部分,额定电压应与控制部分电压一致,应为
12 V。
(2)小明准备适当调小ΔR,有效的措施是　　　(单选)。
A.适当减小R1的阻值
B.适当减小R2的阻值
C.适当增大R4的阻值
B
解析:(2)适当调小ΔR,即光线方向略有偏差,电机M即可正转以调整亮度传感器接收方向,IC-1的U-与IC-2的U+间的差值ΔU与ΔR正相关,需调小ΔR,可通过调小ΔU实现,具体调小设定回路的R2可实现。故选B。
(3)在电机正转过程中,因误操作闭合开关S1,会导致电机M所在电路的电源短路。为了避免发生短路,小明准备在下图虚线框中接入继电器J1、J2的第三组触点。以下接入方案中正确的是　　　(单选)。
A
解析:(3)解题思路是:继电器J1闭合时让J1的第三组触点控制J2的通路断开使其无法工作,因此应把J1-3的常闭接点接入到J2的通路E、F中;同理,J2闭合工作时让J2的第三组触点控制J1的通路断开使其无法工作,因此J2-3的常闭接点接入J1的通路G、H中。所以答案为A。
(4)为了天黑时太阳能板能自动返回初始位置,小明准备改进电路,添加了光敏电阻Rg3和位置传感器等元器件。Rg3用于检测天黑。位置传感器检测到太阳能板回到初始位置时输出高电平,否则输出低电平。请在下图虚线框中用现有元器件将电路补充完整。
答案:(4)
解析:(4)天黑时Rg3增大,A点为高电平,若此时太阳能板不在初始位置(位置传感器输出低电平),J2应吸合使电机反转复位。为实现该功能,根据所给元器件,只能让两个二极管组成或门等效电路(实现“全0出0,有1出1”的功能),三极管做成非门等效电路把输入电位A转成低电平。这样只要白天或者太阳能板已经在初始位置,VT2就会截止。
[典例3] (2023·浙江1月选考)如图所示的电池充电电路,利用555的3脚对电池充电。当电池电压低于下限时开始充电,超过上限时停止充电。
555功能表
下列关于该电路的分析中不正确的是(　 　)
A.R4的阻值大于R5的阻值
B.电池电压超过上限时V3发光
C.适当增大R4阻值,可降低充电下限电压
D.适当减小R6阻值,可提高充电上限电压
D
[变式5] (2025·浙江6月选考)如图所示是小明设计的灯带电路模型,R1与R2、VT1与VT2参数相同,VD1~VD8 为硅二极管。初始状态时,VT1、VT2、VT3均工作在放大区。下列分析中不正确的是(　 　)
A.灯带中LED的数量增加到一定程度,灯带会熄灭
B.VD1短路时,流过灯带的电流变大
C.适当减小R4的阻值,流过灯带的电流大小基本不变
D.开关S闭合后,适当增大R1的阻值,VD9亮度增加,流过灯带的电流大小基本不变
B
解析:灯带中LED的数量增加到一定程度时,电源电压可能不足以提供多个LED 发光所需的导通电压,灯带会熄灭,A正确。R1与R2、VT1与 VT2参数相同,构成了镜像恒流电流,再忽略基极电流,即R3的电流≈灯带上的电流。VD1短路时,结合钳位电压,R3上的电压减小,电流减小,因此,流过灯带的电流变小,B错误。适当减小R4的阻值,不会改变R3两端的电压,电流大小基本不变,C正确。开关S闭合后,R1与VD9并联,适当增大R1的阻值,流过R1电流减小,流过VD9电流增大,亮度增加。闭合S后,VD9也有钳位特性,适当增大R1的阻值后,VT1发射极、基极电压基本不变,因此流过灯带的电流大小基本不变,D正确。
[变式6] (2024·浙江6月选考)小明设计了如图所示的温度控制实验电路。温度低于下限时VD1 发光,表示开始加热;温度高于上限时VD1 熄灭,表示停止加热。下列分析中正确的是(　 　)
A.RT为负温度系数热敏电阻
B.调大Rp1,温度上限、下限设定值均降低
C.调大Rp2,温度上限设定值升高、下限设定值不变
D.若VT1的集电极和发射极短路,温度上限与下限的设定区间变大
D
解析:本题考查温度区间控制电路。涉及比较器及反馈实现的区间控制电路分析。当温度低于下限时,电路开始加热,VD1发光,说明V-[变式7] (2024·浙江1月选考)如图所示是小明设计的台灯模型电路,VT1、VT2型号相同,工作时VT1导通,VT2处于放大状态。下列分析中不正确的是
(　 　)
A.调大Rp1,A1和A2读数均减小
B.调小Rp2,A1和A2读数均增大
C.调大Rp3,A1读数基本不变,A2读数减小
D.调小Rp1,VT1的Uce不变
B
[变式8] (2025·浙江1月选考)小明设计了如图所示的LED灯开关电路,短按开灯,长按关灯。开灯时,按压按钮开关SW,VD1点亮后随即松开;关灯时,按压SW直至VD1熄灭后松开。下列分析中不恰当的是(　 　)
A.长按SW关灯时,VT2趋于饱和
B.适当增大R2的阻值可以缩短关灯时按压SW所需的时间
C.如果C1短路,按压SW时不能点亮VD1
D.如果C1断路,按压SW时不能点亮VD1
B
解析:本题考查含电容充放电延时的LED开关灯控制电路。分析电路可知,长按SW关灯时,VD1熄灭→J1-1断开→J1释放→VT1截止→VT2趋向饱和→
C1放电,A正确。增大R2,会导致VT2更难趋向饱和,因此关灯按压SW所需时间更长,B错。若C1短路,则会导致VT2始终工作在饱和状态,故按压SW不能点亮VD1,C正确。若C1断路,则再按压SW时,VT2基极电流可通过R2、R3、SW流向接地,三极管VT2能导通,工作在饱和状态。VD1不能被点亮。D正确。
[变式9] (2023·浙江6月选考)小明设计了如图所示的温度控制电路,温度低于下限时继电器吸合开始加热,温度高于上限时继电器释放停止加热。下列分析中正确的是(　 　)
A.Rt为负温度系数热敏电阻
B.调大 Rp的阻值,温度上、下限设定值同时降低
C.适当增加 R1的阻值,温度上限设定值升高
D.适当增加R2的阻值,温度下限设定值升高
D
解析:因为题干说温度低于下限时继电器吸合,所以VT1的基极应为低电平,所以Rt的阻值应变小,所以Rt是正温度系数热敏电阻。适当增加R2的阻值不利于三极管VT2的导通,又因为Rt为正温度系数热敏电阻,所以需要更加高的温度才能让三极管VT2导通,更易维持加热,即温度下限设定值升高。
[温馨提示] 这种三极管复合电路,其实只要定性分析就可以,并没有那么难,该题的本质是用前一个三极管的管压降去控制后一个三极管的发射结。只要看出这个关键的东西,题目便可迎刃而解。
[变式10] (2025·浙江1月选考)如图所示的温控指示灯电路,RT为热敏电阻。温度高于上限VD1发光,低于下限VD1熄灭。下列分析中不恰当的是(　 　)
A.RT为负温度系数热敏电阻
B.适当增大R3的阻值,可以提高温度上限的设定值
C.适当减小R1的阻值,可以降低温度上限的设定值
D.VD1熄灭的瞬间,VT1处于放大状态
B
输入部分 (按钮、干簧管、水位、温度、光)传感器的种类也会发生改变,不仅注意电路应用,最好也熟悉下实物。
重难拓展
控制部分 (分立元器件、简单组合逻辑电路、基本RS触发器、比较器、JN6201、555)
用“CMOS与非门CD4011”实现“非门”“与门”“或门”“或非门”
输出部分 (发光、发声、继电器:掌握PNP、NPN三极管的共射极接法,掌握继电器线圈的电路结构及连接方式,常开、常闭触点的灵活运用)
①低电平驱动
②高电平驱动
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