高中物理 第六章 第四节 传感器的应用实验学案 新人教版选修32.doc

6.4 传感器的应用实验【学习目标】1.知道二极管的单向导电性和发光二极管的发光特性.知道晶体三极管的放大特性2.了解逻辑电路的基本知识和应用.3知道斯密特触发器的工作原理ledr2r1rgay+5v4理解光控开关、温度报警器两个传感器实验的基本原理。【重点难点】1.重点：理解并掌握两个传感器实验的基本原理 2.难点：分析并设计传感器的应用电路。【课前预习】一、晶体管元件的特性1.普通二极管和发光二极管（1）普通二极管：具有单向导电性。一般用硅和锗半导体材料制成。（2）发光二极管：除了具有单向导电性外，导电时还能发光。发光二极管一般是用磷化镓和磷砷化镓等半导体材料制成，能够直接将电能转化为光能。它小巧玲珑、颜色鲜艳，又很省电。 许多家用电器上都使用发光二极管做指示灯。该类发光二极管的正向导通电压大于1.8v.2. 晶体三极管（1）晶体三极管能够把微弱的电信号放大。晶体三极管的三极分别为发射极e、基极b和集电极c.（2）传感器输出的电流或电压很微弱，用一个三极管可以放大几十倍以至上百倍。三极管的放大作用表现为基极b的电流对集电极c的电流起了控制作用。二、逻辑电路1与门电路：只要一个输入端输入为“0”，则输出端一定是“0”；反之，只有当所有输入都同时为“1”，输出才是“1”。 “与”门的电路符号：，a 和b是它的有两个输入端，y 是它的输出端。2. 或门电路：只要有一个输入“1”，则输出一定是“1”；反之，只有当所有输入都同时为“0”时，输出才是“0”。 “或”门的电路符号：，a 和b 是它的两个输入端，y 是它的输出端。3.非门电路：当输入为“0”时，输出总是“1”；当输入为“1”时，输出反而是“0”。非门电路也称为反相器。“非”门的电路符号：，a是它的输入端，y 是它的输出端。4.斯密特触发器: 斯密特触发器是具有特殊功能的非门，可以把连续变化的模拟信号转换为突变的数字信号。电路符号为：。当加在它的输入端 a 的电压逐渐上升到某个值（1.6 v）时，输出端y 会突然从高电平跳到低电平（0.25 v），而当输入端 a 的电压下降到另一个值的时候（0.8 v），y 会从低电平跳到高电平（3.4 v）。电平可理解为电势。三、传感器的应用实验实验1 光控开关1用发光二极管led模仿路灯的光控实验（1）实验电路：如图甲所示。符号表示接机壳，即零电势。没有金属机壳时可把这些点连在同一条导线（母线）上。（2）实验器材：型号为74ls14 的集成块（它里面有6 个非门，实验时只使用其中的一个）一块、发光二极管一个、光敏电阻一只、电位器一个（最大阻值为51k），定值电阻（330）、学生电源一台，集成电路实验板一块。（3）工作原理：如图甲所示，当光敏电阻rg受到光照时，阻值_减小_，非门（斯密特触发器）输入端a出现低电平，输出端y出现高电平，发光二极管led反向截止，不能发光。当把光遮住光敏电阻时（夜晚），rg阻值增大，输入端a出现高电平，输出y出现低电平，发光二极管正向导通，发出亮光(相当于路灯亮了)，这样就达到了使路灯天明自动熄灭，天暗自动开启的目的。可变电阻（电位器）r1的阻值不同，则路灯点亮的早晚时间不同。如果想要在天更暗时才点亮路灯，可将电位器的阻值调大一些。同学们思考一下什么道理？（提示：要使在天更暗时路灯才会亮，应该把r1的阻值调大些，这样要使斯密特触发器的输入端电压达到某个值（如1.6v），就需要rg的阻值达到更大，即天色更暗。） 2. 用小灯泡模拟路灯的光控实验（1）实验电路：如图乙所示。（2）实验器材：型号为74ls14 的集成块一块、光敏电阻一只、二极管一个、小型继电器一只、电位器一个（最大阻值为51k），定值电阻（330）、小灯泡一只，学生电源一台，集成电路实验板一块。（3）工作原理：因为集成电路允许通过的电流比较小，就要使用继电器来启动另外的供电电路。如图乙所示，j为继电器，工作电压为5v，ja为它的常开触点，并联一个二极管起保护作用。原理同上，光照时，rg阻值_减小_，a为_低_电平，y为_高_电平，继电器不工作，灯泡不亮，无光或弱光时，rg阻值_增大_，a为_高_电平，y为_低_电平，继电器触点接触，电路接通，灯泡发亮。实验2 温度报警器（1）实验电路：如图所示是一个温度报警器的电路图。（2）实验器材：型号为74ls14 的集成块一块、热敏电阻一只（常温下阻值为2 k左右）、可变电阻器（最大阻值为1k左右）一个、ymd或hmb型蜂鸣器（工作直流电压为4 6 v）一个，学生电源一台，集成电路实验板一块。（3）工作原理：常温下，接通电源后，先调节可变电阻器r1的阻值，使斯密特触发器的输入端a处于低电平，则输出端y处于高电平，无电流通过蜂鸣器，蜂鸣器不发声；当用热水使热敏电阻rt的温度升高时， rt阻值减小，斯密特触发器输入端a电势升高，a端输入高电平，y端输出由高电平跳到低电平，蜂呜器两端达到了工作电压，从而发出报警声。可变电阻器r1的阻值不同，则报警器温度不同。r1的阻值减小一些，可使热敏电阻在感测到更高温度时才报警。同学们思考一下其中的道理。（提示：要使热敏电阻在感测到更高的温度时才报警，应减小r1的阻值，r1阻值越小，要使斯密特触发器输入端达到高电平，则热敏电阻rt阻值要求越小，即温度越高。） 堂中互动【典题探究】题型一、传感器的应用试验例1 如图所示是一个火警报警装置的逻辑电路图。rt 是热敏电阻，低温时电阻值很大，高温时电阻值很小，r 是阻值较小的分压电阻。(1) 要做到低温时电铃不响，火警时产生高温，电铃响起。在图中虚线处应接入怎样的元件? (2) 为什么温度高时电铃会被接通？(3) 为了提高该电路的灵敏度，即要把报警温度调得较低，r 的值应大一些还是小一些?【解析】 (1) 温度较低时rt 的阻值很大，r 比rt 小得多，因此p、x 之间电压较大。要求此时电铃不发声，也就是要求输出给电铃的电压较小。这里输出端的需求与输入端的状态相反，可见虚线处元件应是“非”门。(2) 当高温时rt 阻值减小，x、p 之间电压降低。这时由于输入了低电压，所以从“非”门输出的是高电压，电铃响起。(3) 为了提高电路的灵敏度，应该使电路在温度还没有升得很高时就能输出高电压，也就是说，应该在温度还没有升得很高时 x 点的电压就已经降得足够低。根据分压电路的性质，对于同一个热敏电阻rt，增大可变电阻r 的电阻值就能达到目的。【变式训练1】 如图所示是一个简单的磁控防盗报警装置。门的上沿嵌入一小块永磁体m，门框内与m相对的位置嵌入干簧管h，并且将干簧管接入图示的电路。睡觉前连接好电路，当盗贼开门时，蜂鸣器就会叫起来。请说明它的工作原理。解析：门关闭时，干簧管内两个簧片被磁化而吸合，使触发器(非门)的输入端为低电平，则其输出端为高电平，与电源的电压很接近。于是蜂呜器两端的电压很小，不会发声。若盗贼将门打开，永磁体就远离干簧管，因而两个簧片分离，使斯密特触发器(非门)的输入端跳变为高电平，则其输出端变为低电平。于是蜂呜器两端达到了工作电压，就发出叫声报警。 【变式训练2】可以用型号为74ls14的非门集成电路，发光二极管和限流电阻来组成一个逻辑电平检测器，电路如图所示。使用时，将检测器的输入端接到被测点。请分析：当被测点为高电平时，led是否发光？低电平时呢？说出道理。解析：当斯密特触发器(非门)的输入端a为高电平时，其输出端y则为低电平，于是发光二极管得到足够的电压达到导通电压而发光。而当非门的输入端a为低电平时，其输出端y则为高电平，发光二极管两端的电压小于其导通电压，就不发光了。题型二、传感器的设计型试验例2 现有热敏电阻、电炉丝、电源、电磁继电器、滑动变阻器、开关和导线若干.如图所示，试设计一个温控电路。要求温度低于某一温度时，电炉丝自动通电供热，超过某一温度时，又可以自动断电，画出电路图说明工作过程.【解析】 电路图如下图所示工作过程：闭合s当温度低于设计值时热敏电阻阻值大，通过电磁继电器的电流不能使它工作，k接通电炉丝加热。当温度达到设计值时，热敏电阻减小到某值，通过电磁继电器的电流达到工作电流，k断开，电炉丝断电，停止供热.当温度低于设计值，又重复前述过程。例3（09年 山东）为了节能和环保，一些公共场所使用光控开关控制照明系统。光控开头可采用光敏电阻来控制，光敏电阻是阻值随着光的照度而发生变化的元件（照度可以反映光的强弱，光越强照度越大，照度单位为lx）。某光敏电阻rp在不同照度下的阻值如下表：照度（lx）0.20.40.60.81.01.2电阻(k)754028232018（1）根据表中数据，请在给定的坐标系（见下图）中描绘出阻值随照度变化的曲线，并说明阻值随照度变化的特点。（2）如图所示，当1、2两端所加电压上升至2v时，控制开关自动启动照明系统，请利用下列器材设计一个简单电路。给1、2两端提供电压，要求当天色渐暗照度降低至1.0(1x)时启动照明系统，在虚线框内完成电路原理图。（不考虑控制开关对所设计电路的影响）提供的器材如下：光敏电阻rp（符号：，阻值见上表）电源e(电动势3v，内阻不计)；定值电阻：r1=10k，r2=20k，r3=40k（限选其中之一并在图中标出）开关s及导线若干。【解析】（1）光敏电阻的阻值随光照变化的曲线如下图所示。特点：光敏电阻的阻值随光照强度的增大非线性减小。（2）电路原理图如图所示。要求当天色渐暗照度降低至1.0(1x)时启动照明系统，从表中数据可知，此时光敏电阻rp阻值为20k，由于当控制开关自动启动照明系统时，给1、2两端提供的电压为2v，所以此时光敏电阻rp两端电压为2v，而电源电动势为3v，因此应加上一个分压电阻r，根据串联电阻的正比分压关系可知，由