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(共21张PPT)
第5章 控制系统与工程
炎夏，空调可以根据设定的温度，自动调控室内温度。数控机床会根据设计的程序自动加工。返回舱会在一定的高度自动打开降落伞，着陆前会自动打开反推器使返回舱迅速降速……
这些都是机器自动控制的。那么机器是如何实现自动控制的？如何设计和制造自动控制装置呢？
第2节 设计和制作控制系统
生活中有各种控制电路。各种家用电器（空调、电视机、电热水壶、油烟机、热水器等）上都有用于自动控制的控制电路板，或叫主板。观察电路板，我们发现其电路系统比较复杂。那么这些电路板是由哪些元件组成的？各种元件在电路中起什么作用呢？
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一、自动控制的电路与元件
常见的电子元件
传感器的功能是收集控制对象的各种信息。
空调的温度传感器监测室内空气的温度。
传感器
楼梯灯光敏电阻监测光的亮度(以区分白昼与夜晚)
控制电路板(又称主板、电脑、中央控制器)主要是处理信息并发出操作指令；
执行系统主要是按中央控制器的指令完成操作，继电器、电机、各种轮轴与传动装置是执行操作的主要器件。
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二、电池传感器的设计与制作
用电器是否通电看“小灯”，指示是否接通了电源，有的是红色的灯，有的是绿色的灯。这些灯的主要功能是指示电源的工作状态。
例如电视机待机状态会亮红灯，开机状态会亮绿灯。电器上的所有指示灯不亮，一般说明电源没有接通。这些灯就是电源工作状态自动监测的传感器。
设计与制作充电器的工作指示灯
目标
1. 学会测试和辨认发光二极管正、负极的方法。
2. 根据发光二极管的性质，设计工作状态的指示电路。
3. 根据设计的电路，连接充电器的工作指示灯电路。
器材
干电池两节，红、绿发光二极管各一个，小灯泡，开关，导线和鳄鱼夹若干。
过程
1. 测试发光二极管的性能。
发光二极管的两根引脚中，较长的为正极，较短的为负极。当电流从发光二极管的正极流向负极时，发光二极管发光，表明它处于导通状态。反之，电流不能从负极流向正极，发光二极管不会发光。
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把两节干电池固定在一起，组成一个3V的电池组。
(2) 把两根导线连接在发光二极管的两端。
(3) 把发光二极管两极导线分别连接在电池两极，观察发光二极管；断开连接，换接发光二极管与电池组的接线柱，再观察发光二极管。
(4) 用小灯泡代替发光二
极管，重复上述步骤(3)。
二极管的长引脚接电源的正极时，二极管发光。二极管的短引脚接电源的正极时，二极管为发光。
2. 设计任务。
如果电池装反了，多数电器就不能正常工作。用发光二极管设计一个检测电池安装是否正确仪器。
(1) 画出电路设计图。
(2) 按你设计的电路，将器材连接起来，测试一下能否使用。
(3) 写出你设计的仪器使用说明书。
3.电路制作与探究
图是一个带有电路状态指示的工作电路，两个发光二极管可指示电路的待机状态和工作状态。
(1) 用提供的器材连接如图所示的电路。
(2) 当开关断开时，记录看到的现象。
(3) 闭合开关，记录实验现象。
(4) 绿灯亮表示电路处于 状态，红灯亮表示电路处于 状态。
(5) 从实验现象中你获得了哪些认识？
待机
工作
问题讨论
实验中你遇到了哪些问题？产生这些问题的主要原因是什么？
答：二极管不发光。
原因：发光二极管正负极接反；或电源电压过低，无法达到二极管的导通电压；工电路存在断路。
人工智能
人工智能是从现代控制理论发展起来的，以计算机科学为基础，由计算机、心理学、哲学、语言学等多学科交叉融合的新兴交叉学科。它主要研究、开发用于模拟、延伸和扩展人类智能的理论、方法、技术及应用系统。人工智能的目标是了解人类
智能的实质，并生产出能以与人
类智能相似的方式做出反应的智
能机器，该领域的研究包括机器
人、语言识别、图像识别、自然
语言处理和专家系统等。
人工智能几乎涉及自然科学和社会科学的所有学科，其研究范围已远远超出传统的计算机科学的范畴。人工智能广泛应用于机器人、自动驾驶技术、智能制造等。目前的人工智能技术已有相当强的自主能力，能够模拟人的很多行为。人工智能技术应用的广泛性标志着自动控制技术已经发展到新的阶段，也是国家竞争力的重要标志。
1.在空调系统中，当温度传感器检测到室温达到设定值时，下一个步骤是( )
A.执行器直接关闭压缩机
B.用户重新设置温度
C.传感器再次进行检测
D.控制电路板处理信息并发出停止制冷（或制热）的指令
D
2.开关断开时红灯不亮，开关闭合时绿灯和灯泡也不亮（ ）
A.电池电量不足
B. 电池接触不良
C.导线断开
D.以上都有可能
D
3.夏天，我们把空调的温度设置在26℃。假设空调刚开启时，室内温度为32℃。按照自动控制的原理，主机是如何工作使室内温度保持在26℃左右的？写出控制原理或画出控制过程图。
答：温度传感器(检测到32℃)→控制器(对比差值，下达启动指令) →执行机构(压缩机或风机启动制冷) →室内温度下降→温度传感器(检测到26℃) →控制器(对比差值，下达停止指令) →执行机构(停止工作) →温度回升→温度传感器(重复循环)。
4.商场、剧院等公共场所的停车场为了管理车辆进出，通过智能停车系统管理出入口门闸。这个系统的出场口有下列要求：当车辆从场内经出口时，由一个“车辆智能识别模块”自动识别车辆，并根据该车辆的停留时间，“车辆付费系统”会出示付费二维码，当司机付费后，“执行系统”会自动打开门闸放行。有特殊情况时，管理人员可用遥控器直接打开门闸放行。整个系统由几个模块电路（识别系统、付费系统、人工开门和执行系统）和电源组成。根据要求在下图中连接“识别系统”“付费系统”“人工开门”三个模块。
答：车辆识别模块→车辆付费模块→执行系统。
人工开门模块→执行系统。
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第 5章第 2 节 设计和制作控制系统
1．在柠檬上插入铜片和锌片，制成水果电池，将水果电池与发光二极管连接成
如图所示的电路，发光二极管发光。下列说法中不正确的是( )
A．发光二极管是由半导体材料制成的
B．发光二极管中的电流方向是从 b到 a
C．锌片是水果电池的负极
D．能量在转化的过程中，总量不变
2.有一种在光照或温度升高时排气扇都能启动的自动控制装置，其中有两个传感
器，下列说法正确的是( )
A.两个传感器都是光电传感器
B.两个传感器分别是光电传感器和温度传感器
C.两个传感器可能分别是温度传感器、电容式传感器
D.只有光照和温度都适合时排气扇才能工作
3.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，
它的阻值随光照的增强而减小，R2 为定值电阻，A、B 间接监控装置，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
4．下图是干簧管的外形和内部结构示意图，以下说法不正确的是( )
A．电子控制系统中，干簧管是获取外部信息的一种途径
B．干簧管是一种磁敏传感器，当有磁铁靠近时，干簧管处于“关断”状态
C．干簧管能把磁场信号转换为电流信号
D．干簧管的两个电极没有正负之分
5.在图中的自动控制电路中，当控制电路的开关 S闭合时，
工作电路的情况是( )
A.灯不亮，电铃响 B.灯不亮，电铃不响
C.灯亮，电铃不响 D.灯亮，电铃响
6.电子元器件的种类非常多，每种元器件都有其用途，承担一定的功能。下列常
见元器件的符号不正确的是（ ）
A. 电容器 B. 扬声器 C. 发光二极管 D. 光敏电阻器
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7.下列关于红绿灯的叙述中，不属于电池传感器的是（ ）
A. 电视机待机状态亮红灯，开机状态亮绿灯
B. 充电器充电过程中亮红灯，充电完成后自动停止充电状态亮绿灯
C. 热水器工作状态亮红灯，达到温度后停止加热后亮绿灯
D. 十字路口的交通信号灯在通行时亮绿灯，禁止通行时亮红灯
8.“胜哥”家的电视机有“待机”和“开机”两个指示灯，已知“待机”灯亮时
电视处于待机状态“开机”灯亮时电视正常工作。某天“胜哥”发现“待机”灯
亮,“开机”灯也亮，以下分析正确的是( B )
A.电视处于正常开机状态，两个灯亮属于正常现象
B.电视可能出现了故障，“待机”和“开机”电路同时导通
C.此时电视既处于待机状态又处于开机状态，符合逻辑
D“待机”灯亮说明电视未开机，“开机”灯亮是光线反射造成的错觉
9.在自动控制系统中，“控制电路板”的核心作用是( )
A.感知环境中的温度、光照等信号
B.对收集的信息进行处理并发出操作指令
C.直接完成机械操作(如驱动电机运转)
D.存储系统的历史运行数据
10.下列器件中，属于自动控制系统“执行系统”主要器件的是( )
A.温度传感器(如空调温控探头)
B.光敏电阻(如楼道灯光控制传感器)
C.电机(如空调压缩机电机、风扇电机)
D.控制电路板(如空调主板)
11.如图是“胜哥”设计的短跑比赛“抢跑判
断器”。电磁铁的上端为 极(选填“N”
或“S”)。当运动员蹲在起跑器上后，裁判员闭合开关 S1、S2，发令等待指示灯
亮，正式发令前有运动员抢跑，R0所受压力变小，电阻变小，电磁铁将衔铁吸下，
抢跑指示灯 亮(选填“L1”或“L2”)，则判定该运动员抢跑。
12．在干燥的冬季，手触摸金属门把手，
有时有触电的感觉，这是因为摩擦起电
使人体带一定量电荷，当手触摸门把手
时产生放电现象。有一种静电消除器，
如图甲，其内部电路可简化为图乙，R
是高值电阻，假设手握住 A点，用 B点接触门把手，产生放电现象，红色二极管
瞬间发光，则手带 (填“正”或“负”)电荷。
13．“胜哥”发现闹钟在叫醒自己的同时也会吵到宿舍其他人，于是决定设计一
个不会吵到他人的叫醒装置。受手机振动提醒功能的启发，“胜哥”设计了一款
振动叫醒枕。通过定时器设定时间，定时器根据设定的时间控制枕内电机转动，
电机带动凸轮转动，从而推动枕头振动。
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(1) “胜哥”发现的问题源于_____________(填“日常生活”“问卷调查”或
“网络资料”)。
(2)该控制系统的输入量是___________(填“设定时间”“电流”或“振动”)，
控制器是_______(填“电机”“定时器”或“凸轮”)。
(3)为了使枕头振动能起到叫醒效果又不至于产生不适，需调试振动的频率和幅
度。可通过_______(填“提高”或“降低”)电机的转速来调低振动频率，通过
________(填“提高”或“降低”)凸轮的凸起高度来调高振动幅度。
14. “胜哥”为学校的劳动实践基地设计了一个蔬菜温室“自动温控电路”，如
图甲所示。电路分控制电路和工作电路两部分，控制电路电源电压恒为 6 V，R1
为温敏电阻，电磁铁电阻不计，R2为电阻箱，其阻值调为 90 Ω，R3为工作电路
的加热电阻。要求温度控制在 20~30 ℃之间。
(1)蔬菜大棚改善的主要自然条件是 A (填字母)。
A.温度 B.光照 C.水分 D.土壤
(2)控制电路电磁铁线圈上端磁极为 N(或北) 极。
(3)当控制电路中的电流达到 30 mA 时，衔铁被吸下；当电流降低到 20 mA 时，
衔铁被弹回。热敏电阻 R1 的阻值随温度的变化图像如图乙所示。如表所示是制
定的部分评价指标。
等级 优秀 合格 待改进
能自动控制
评价指 能自动控制
室温在规定 不能控制室温升降
标 室温升降
范围内波动
请根据评价表中的指标对小组设计进行等级判定并说明依据。
15.智能路灯系统通常利用 传感器来感知环境光线的强弱。当夜幕
降临，光线变暗时，控制电路板会接收到信号，并向 (举一例)发出指
令，使其闭合电路，点亮路灯。
16．按要求完成下列电动机电路的设计：
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器材：一组电池、红色发光二极管、绿色发光二极管、双掷开关、电动机。
要求：电动机能实现正转、反转两种不同的工作状态，并且用红、绿色发光二极
管来显示其工作状态。
17．如图所示为“胜哥”为学校办公楼空调设计
的自动控制装置，R 是热敏电阻，其阻值随温度
变化关系如下表所示。已知继电器的线圈电阻
R0=10 Ω，左边电源电压为 6 V 恒定不变。当继
电器线圈中的电流大于或等于 15 mA时，继电器
的衔铁被吸合，右边的空调电路正常工作。
温度 t/℃ 0 5 10 15 20 25 30 35 40
电阻 R/Ω 600 550 500 450 390 360 340 330 300
（1）解释该自动控制装置的工作原理。
（2）计算说明该空调的启动温度是多少。
（3）为了节省电能，将空调启动温度设定为 25 ℃，控制电路中需要串联多大
的电阻？
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第 5章第 2 节 设计和制作控制系统答案
1．B 2．B 3. C 4．B 5．A 6. C 7. D 8. B 9. B 10. C
11. S L2
12．负
13．(1)日常生活 (2)设定时间 定时器 (3)降低 提高
14．(1) A (2) N(或北) (3)合格。
6 V
I=30 mA 时，控制电路中 R 总= =200 Ω，R1=R 总－ R2=200 Ω－90 Ω=110 Ω，
0.03 A
6V
由图乙可知对应温度为 20℃；I=20 mA时，控制电路中 R 总'= =300 Ω，
0.02 A
R1'= R 总'－ R2=300Ω－90Ω=210Ω，由图乙可知对应温度为 6℃。则该电路能将
温度控制在 6~20℃之间，不能将温度控制在 20~30℃之间，故判定为合格。
15. 光敏(或光照) 继电器(或开关)
16．
17．（1）当温度升高时，热敏电阻 R的阻值变小，控制电路电流变大，电磁铁磁
性增强，电流达到 15 毫安时，衔铁吸下，接通空调工作电路，空调开始工作。
（2）20 摄氏度
（3）30 欧姆
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第5章第2节 设计和制作控制系统教学设计
一、教学目标
1. 科学观念
了解自动控制系统的基本组成（传感器、控制电路板、执行系统），认识常见电子元件（发光二极管、继电器、电机等）在控制系统中的作用；体会自动控制技术对现代生活和生产的重大意义，形成初步的系统观念。
2. 科学思维
通过分析空调温度控制、机床加工等案例，归纳控制系统的一般工作过程；能利用发光二极管设计简易检测电路，发展模型建构与工程思维；能够对电路故障（如二极管不发光）进行逻辑推理，提升批判性思维能力。
3. 探究实践
学会测试发光二极管正负极、导通特性；动手设计“电池安装正确与否检测仪”，连接待机/工作状态指示电路；通过小组合作完成电路制作与测试，培养实验操作能力与解决实际问题的能力。
4. 态度责任
养成严谨细致的科学态度和合作探究精神，体会电子制作中的安全规范；认识人工智能等前沿技术对社会发展的价值，增强科技报国意识和创新责任感。
二、教学重点与难点
教学重点：自动控制系统的组成（传感器—控制器—执行器）及其工作过程；发光二极管的特性及简单状态指示电路的设计与连接。
教学难点：设计“检测电池安装是否正确仪器”的电路原理（二极管单向导通性应用）；理解控制系统中的反馈过程（如空调恒温控制）。
三、教学准备
1. 教师准备：多媒体课件（自动控制实例视频、电路原理图）、演示板；分组实验器材（每组：两节干电池（3V）、红绿发光二极管各1个、小灯泡1个、开关、导线若干、鳄鱼夹、电阻约100Ω限流电阻备用）。
2. 学生准备：预习教材第5章第2节，了解常见电子元件；自带笔记本绘制电路草图。
3. 环境布置：四人一组，实验工具摆放有序，强调用电安全。
四、教学过程
（一）情景导入——自动控制的奇妙世界
教师展示PPT：炎夏空调自动调温、数控机床精准加工、返回舱自动开伞等短视频/图片。提问：“这些机器为什么能‘自动’工作？它们如何感知外界并做出反应？”引出课题“设计和制作控制系统”。学生分享生活中自动控制的例子（智能电饭煲、感应水龙头等）。
（二）新知探究1：自动控制的电路与元件
1. 传感器——控制系统的“感官”：展示空调温度传感器、楼梯光敏电阻实物图，讲解传感器收集信息的功能。结论：传感器将非电量（温度、光照等）转化为电信号。
2. 控制电路板（中央控制器）：家用电器主板作用——处理信息、发出指令。
3. 执行系统：继电器、电机、传动装置等，按指令完成操作。
教师引导学生画出“控制系统框图”：传感器 → 控制器 → 执行器 → 被控对象，并举例空调工作流程。
（三）任务驱动：设计与制作充电器工作指示灯（探究发光二极管）
活动目标：学会测试辨认发光二极管正负极，设计工作状态指示电路，连接充电器指示灯电路。
器材：干电池两节(3V电池组)、红绿发光二极管各一个、小灯泡、开关、导线、鳄鱼夹若干。
1. 测试发光二极管的性能
教师演示并指导学生操作：
(1) 观察LED引脚：较长引脚为正极（阳极），较短为负极（阴极）。电流从正极流向负极时导通发光，反接不发光。
(2) 将两节干电池串联成3V电池组。
(3) 用导线连接发光二极管两极分别接电池正负极，观察发光情况；交换引脚与电池连接，再次观察记录。
(4) 用小灯泡替换发光二极管重复实验，对比单向导电性（小灯泡双向均亮，LED单向导通）。
学生记录现象：长脚接电源正极时LED发光，反接则不发光，说明二极管具有单向导电性。
2. 设计挑战：制作“电池安装正确检测仪”
任务：若电池装反电器无法工作，请利用发光二极管设计一个简易仪器，检测电池安装是否正确。
(1) 小组讨论，画出电路设计图（教师巡视指导）。典型方案：将红绿两只发光二极管反向并联（或使用一只LED搭配桥式思路简化），再串联限流电阻；当被测电池按正确极性接入时，红色LED亮；反接时绿色LED亮（或者相反）。引导学生利用单向导电性巧妙指示极性。
(2) 根据设计图连接电路，用鳄鱼夹测试电池组，验证功能。
(3) 编写使用说明书：写明检测仪接线柱，通过LED颜色判断电池正负极连接是否正确。
设计参考：两只LED反向并联（红LED正极接检测正端，负极通过电阻至负端；绿LED正极接检测负端，负极通过电阻至正端），串联300Ω限流保护。当电池正确接入，红色发光；电池反接，绿色发光。
3. 电路制作与探究——待机/工作状态指示电路
教师展示教材电路图（两个发光二极管指示电路待机和工作状态）。
(1) 学生根据图示连接电路（含开关、指示灯、负载小灯泡）。
(2) 断开开关，观察记录现象：绿灯亮（待机状态），红灯灭，小灯泡不亮。
(3) 闭合开关，记录现象：红灯亮，绿灯灭，小灯泡（或工作电器）亮，表示工作状态。
(4) 结论：绿灯亮表示电路处于待机状态，红灯亮表示电路处于工作状态。
(5) 讨论认识：发光二极管可直观显示电路不同状态，为控制系统提供人机交互；控制信号通过开关实现状态切换。
（四）问题讨论与故障分析
组织学生分享实验中遇到的问题。预设问题：“二极管不发光”。师生共同分析原因：① 发光二极管正负极接反；② 电源电压过低（达不到导通电压约1.8~2.2V，干电池老旧）；③ 电路某处断路（接触不良或导线断开）；④ 未串联限流电阻导致瞬间烧坏（强调规范）。培养学生排查故障的工程思维。
（五）拓展视野：人工智能与现代控制技术
教师结合PPT简述：人工智能从控制理论发展到计算机科学交叉融合，研究模拟、延伸人类智能。应用领域：机器人、自动驾驶、智能制造等。自动控制已进入智能化新阶段，是国际竞争力的重要标志。学生讨论人工智能与自动控制的关系，体会科技创新的社会意义。
（六）巩固练习·学以致用
1. 选择题
(1) 在空调系统中，当温度传感器检测到室温达到设定值时，下一个步骤是( D )
A.执行器直接关闭压缩机 B.用户重新设置温度 C.传感器再次检测 D.控制电路板处理信息并发出停止制冷指令
(2) 开关断开时红灯不亮，开关闭合时绿灯和灯泡也不亮，可能原因是( D )
A.电池电量不足 B.电池接触不良 C.导线断开 D.以上都有可能
2. 简述题——空调恒温控制原理
学生根据流程图复述：温度传感器检测室温(32℃)→控制器对比差值(设定26℃)→发出启动指令→执行机构(压缩机/风机)制冷→室温下降至26℃→传感器再次检测→控制器发出停止指令→执行机构停止→温度回升→循环。强调反馈环节维持设定温度。
3. 智能停车系统模块连接
题目：车辆出场时，识别模块→付费系统→执行系统（门闸），特殊情况人工开门模块直接→执行系统。请学生画出连接图：
“车辆识别模块” → “车辆付费系统” → “执行系统”；“人工开门模块” → “执行系统”。教师点评模块化设计思想及冗余控制。
（七）课堂小结与作业布置
小结：控制系统的组成（传感器、控制器、执行器）；发光二极管的单向导电性及其在指示电路中的应用；控制过程的基本步骤。作业：1. 完善“电池安装正确检测仪”的说明书，画出最终电路图；2. 观察家中一件电器（如电热水壶、风扇）的控制面板，推测其传感器与执行部件，写一篇50字科技笔记。
五、板书设计
第5章第2节 设计和制作控制系统
一、自动控制系统的组成
传感器（温度/光敏）→ 控制器（主板）→ 执行器（继电器/电机）→ 被控对象
二、发光二极管(LED)
1. 单向导电性：正极→负极 导通发光；反接不亮。
2. 长正短负，测试方法。
三、设计应用
电池正误检测仪（反向并联LED）
待机/工作状态指示电路（绿灯待机，红灯工作）
四、控制过程——反馈调节（空调实例）
五、人工智能：控制技术新阶段
六、教学反思
本节课以“自动控制系统”为主线，融合电子元件实验、设计任务和工程实践，学生兴趣浓厚。在测试发光二极管环节，绝大部分学生能快速辨别正负极并掌握单向导电性。设计“电池安装检测仪”时，部分小组初期未考虑限流电阻导致LED过亮，及时引导后修正电路，成功完成挑战，创新思维活跃。待机/工作指示电路帮助学生理解状态显示对控制系统的意义，建立人机交互概念。同时，人工智能的引入拓宽了学生视野。不足：实验时间略紧，个别小组连线速度较慢，后续可提供预焊简易底板；停车系统模块连接题可结合实物模拟提高参与度。总体达成教学目标，培养了科学探究与工程实践能力。
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