1.2-电子控制系统的组成和工作过程

1 电子控制系统的组成和工作过程电子控制系统的组成和工作过程 一 教学分析一 教学分析 1 教材分析 本课是第一章第二节 电子控制系统的组成和工作过程 从对比分析两种路灯控制系统的基本组成 入手 再通过搭接一个路灯自动控制的电子模型 来学习电子控制系统的基本组成和工作过程 从而为 学生学习后面各章提供了一把钥匙 2 学情分析 学生在通用技术必修 2 的学习中 已学过关于控制系统的一些概念 例如输入 控制 输出 以及 功能模拟方法的含义 但对电子控制系统内部电子元件 例如发光二极管 光敏电阻 三极管等的工作 原理不太了解 教师可用通俗的语言补充解释其作用 以利于学生的学习 二 教学目标二 教学目标 1 知识与技能目标 1 知道电子控制系统的基本组成 2 能用方框图分析生活中常见电子控制系统的工作过程 2 过程与方法目标 1 通过对两种路灯控制系统方框图的对照 知道电子控制系统的基本组成 2 通过搭接一个路灯自动控制的电子模型 加深对电子控制系统组成的理解 3 情感态度和价值观目标 1 激发学生动手尝试的兴趣和热爱技术的情感 2 提高学生比较及分析电子控制系统的能力 三 教学重难点三 教学重难点 1 重点重点 1 电子控制系统的基本组成 2 能用方框图分析生活中常见电子控制系统的工作过程 2 难点难点 电子控制系统内部常见电子元件的工作原理 四 教学策略四 教学策略 本节课程以多媒体技术为辅助教学手段 通过观察 基本知识讲授 小组探究 分析表达 技术试 验 能力展示等教学方法和策略 在教师指导下 通过学生自主探究建构知识和技能 五 教学准备五 教学准备 通用技术专用教室 多媒体 课件 路灯自动控制模型 六 课时安排六 课时安排 共 1 课时 七 教学过程七 教学过程 一 新课导入 教师展示 路灯自动控制模型 板书 第一章 电子控制系统概述 第二节 电子控制系统的组成和工作过程 2 二 新课呈现 师 过去的路灯需要人工控制 现在利用电子控制技术实现了自动化控制 正如我们刚才看到的路 灯自动控制模型 那么 这两者在组成上有什么异同呢 学生讨论 教师总结 路灯的人工控制系统 路灯的电子控制系统 师 从上图的对应关系中可以看出 两个系统都是先进行信息的收集 然后经过对信息的分析 判 断 发出命令 再执行命令 闭合或者切断电路 从而达到控制目的 两个系统虽然结构的组成各不相同 但是各部分完成的功能十分相似 板书 电子控制系统的基本组成板书 电子控制系统的基本组成 电子控制系统一般可分为输入 控制 处理 和输出三个基本的组成部分 电子控制系统一般可分为输入 控制 处理 和输出三个基本的组成部分 用方框图表示如下 讨论 电子控制系统各部分的组成及工作过程 输入部分 输入部分 通常由各种传感器组成 输入信息可以有多少形式 可以是作用力 也可以是温度 湿 度 磁场 光照强度等环境参数的变化 用传感器把采集的非电量变化转变为电量的变化 传感器的工 作原理在本书第二章有详细介绍 输入部分相当于人的感官 它能将采集的非电量变化转变为电量的变化 例如 手按动按钮开关 输入部分就把机械开关的通或断的非电量变化转变为电信号 电压或电流 的有或无的电量变化 控制 处理 部分 控制 处理 部分 一般由具有各种控制功能的电子电路 或微处理器 组成 它的作用相当于人 视觉器官 检测光 的强度 大 脑 分析信 息 发 出命令 手和足 执行命 令 完 成路灯 的开和 关 路 灯 点亮与 熄灭 传感器 检测光 的强度 电子电路 分析信 息 发 出命令 执行机构 执行命 令 完 成路灯 的开和 关 路 灯 点亮与 熄灭 电子控制系统的基本组成部分 输入部分控制 处理 部 分 输出部分被控对象 信息 3 的大脑 它能对送入的电信号进行比较 分析和处理 并发出指令 输出部分 输出部分 由电磁继电器 晶闸管等多种执行机构组成 输出信号可以是位移 如电磁继电器中衔 铁运动 电动机的转动等 也可以是声音 光等 如扬声器中发出的音乐声 师 通过讨论与分析 我们可以将基本的电子控制系统的工作过程用下图来表示 电子控制系统的工作过程 马上行动 分析下列电子控制系统的基本组成部分 并说出它们的简要工作过程 P9 PPT 展示参考答案 电子控制系统名称输入部分控制 处理 部分输出部分 智能化的红绿灯电子 控制系统 环形感应器电子电路红绿灯 全自动洗衣机进水控 制系统 水位传感器电子电路电磁开关 马上行动 电子计算机的组成 P10 在电子计算机家庭中 无论是大型的还是家用的 都可以看作是由输入 控制 处理 和输出三个 最基本的部分组成的 输入 键盘 鼠标 话筒 摄像头 手写板 扫描仪等 控制 处理 主机 输出 显示器 扬声器 打印机等 小组试验 利用电子积木搭接一个光控路灯的模型 在电路试验板上按照下图所示电路搭接一个光 控路灯的模型 使装置能达到下列要求 模拟夜晚 用黑纸罩住光敏电阻 R 外界光线照射不到光敏电阻时 R 的阻值变得很大 三极管导通 代表路灯的发光二极管就会自动点亮 模拟白天 当拿去遮光的黑纸 让强光照射光敏电阻 R 时 R 的阻值变得很小 三极管截止 发光 二极管就熄灭 讨论 画出路灯自动控制模型的方框图 电子控制系统的基本组成部分 输入 采集信 息并转 化为电 信号 控制 处理 分析 比 较和处理 电信号并 发出命令 输出 执行命 令 被控对象 信息 4 参考答案如下 输入 光敏传感器 控制 处理 晶体三极管组成的电子电路 输出 发光二极管 扩展阅读 1 光敏传感器 光敏传感器是最常见的传感器之一 它的种类繁多 主要有 光电管 光电倍增管 光敏电阻 光 敏三极管 太阳能电池 红外线传感器 紫外线传感器 光纤式光电传感器 色彩传感器 CCD 和 CMOS 图像传感器等 它的敏感波长在可见光波长附近 包括红外线波长和紫外线波长 光传感器不只 局限于对光的探测 它还可以作为探测元件组成其他传感器 对许多非电量进行检测 只要将这些非电 量转换为光信号的变化即可 光传感器是目前产量最多 应用最广的传感器之一 它在自动控制和非电 量电测技术中占有非常重要的地位 最简单的光敏传感器是光敏电阻 当光子冲击接合处就会产生电流 扩展阅读 2 晶体三极管 三极管内部为由 P 型半导体和 N 型半导体组成的三层结构 根据分层次序分为 NPN 型和 PNP 型两 大类 NPN 一般为硅管 和 PNP 一般为锗管 上述三层结构即为三极管的三个区 中间比较薄的一 层为基区 另外两层同为 N 型或 P 型 其中尺寸相对较小 多数载流子浓度相对较高的一层为发射区 另一层则为集电区 晶体三极管 以下简称三极管 按材料分有两种 锗管和硅管 而每一种又有 NPN 和 PNP 两种结构形式 但使用最多的是硅 NPN 和锗 PNP 两种三极管 如下图 两者除了电源极性不同外 其工作原理都是相同的 下面仅介绍 NPN 硅管的电流放大原理 对于 NPN 管 它是由 2 块 N 型半导体中间夹着一块 P 型半导体所组成 发射区与基区之间形成的 PN 结称为发射结 而集电区与基区形成的 PN 结称为集电结 三条引线分别称为发射极 e 基极 b 和集电 极 c 当 b 点电位高于 e 点电位零点几伏时 发射结处于正偏状态 而 C 点电位高于 b 点电位几伏时 集 电结处于反偏状态 集电极电源 Ec 要高于基极电源 Ebo 在制造三极管时 有意识地使发射区的多数载流子浓度大于基区的 同时基区做得很薄 而且 要 严格控制杂质含量 这样 一旦接通电源后 由于发射结正偏 发射区的多数载流子 电子 极基区的 多数载流子 空穴 很容易地越过发射结互相向对方扩散 但因前者的浓度基大于后者 所以通过发射 结的电流基本上是电子流 这股电子流称为发射极电流了 由于基区很薄 加上集电结的反偏 注入基区 的电子大部分越过集电结进入集电区而形成集电集电流 Ic 只剩下很少 1 10 的电子在基区的空 穴进行复合 被复合掉的基区空穴由基极电源 Eb 重新补给 从而形成了基极电流 Ibo 根据电流连续性原 理 得到 Ie Ib Ic 这就是说 在基极补充一个很小的 Ib 就可以在集电极上得到一个较大的 Ic 这就是所谓电流放大 作用 Ic 与 Ib 是维持一定的比例关系 即 1 Ic Ib 5 式中 1 称为直流放大倍数 集电极电流的变化量 Ic 与基极电流的变化量 Ib 之比为 Ic Ib 式中 称为交流电流放大倍数 由于低频时 1 和 的数值相差不大 所以有时为了方便起见 对两 者不作严格区分 值约为几十至一百多 三极管是一种电流放大器件 但在实际使用中常常利用三极管的电流放大作用 通过电阻转变为电 压放大作用 三极管放大时管子内部的工作原理 1 发射区向基区发射电子 电源 Ub 经过电阻 Rb 加在发射结上 发射结正偏 发射区的多数载流子 自由电子 不断地越过发射 结进入基区 形成发射极电流 Ie 同时基区多数载流子也向发射区扩散 但由于多数载流子浓度远低于 发射区载流子浓度 可以不考虑这个电流 因此可以认为发射结主要是电子流 2 基区中电子的扩散与复合 电子进入基区后 先在靠近发射结的附近密集 渐渐形成电子浓度差 在浓度差的作用下 促使电 子流在基区中向集电结扩散 被集电结电场拉入集电区形成集电极电流 Ic 也有很小一部分电子 因为 基区很薄 与基区的空穴复合 扩散的电子流与复合电子流之比例决定了三极管的放大能力 3 集电区收集电子 由于集电结外加反向电压很大 这个反向电压产生的电场力将阻止集电区电子向基区扩散 同时将 扩散到集电结附近的电子拉入集电区从而形成集电极主电流 Icn 另外集电区的少数载流子 空穴 也会 产生漂移运动 流向基区形成反向饱和电流 用 Icbo 来表示 其数值很小 但对温度却异常敏感 扩展阅读 3 发光二极管 发光二极管简称为 LED 由镓 Ga 与砷 AS 磷 P 的化合物制成的二极管 当电子与空穴复 合时能辐射出可见光 因而可以用来制成发光二极管 在电路及仪器中作为指示灯 或者组成文字或数 字显示 磷砷化镓二极管发红光 磷化镓二极管发绿光 碳化硅二极管发黄光 它是半导体二极管的一种 可以把电能转化成光能 常简写为 LED 发光二极管与普通二极管一样 是由一个 PN 结组成 也具有单向导电性 教师总结 分析