电子控制技术(通用技术选修一)详解

电子控制技术
概述
本模块是普通高中通用技术课程的一个选修模块。

本模块的教学应紧紧围绕技术课程的目标展开，着眼于培养学生的实践能力和创新精神、提高学生的技术素养。

教学内容的选择要注重基础性、综合性、人文性，努力反映电子技术的新成果。

教学过程强调基于提高生活质量、基于问题解决、与学生日常生活密切相关、有利于培养学生兴趣的教学设计。

鼓励设计方案的多样性，注重引导学生在电子技术基本技能形成的同时领悟出电子技术设计的思想方法、注重提高学生在电子技术学习中的探究、试验、创造和共通能力，使学生成为电子技术学习的主体，更好地面对当今技术社会的挑战。

本模块的教学应反映必修模块“技术与设计1”和“技术与设计2”中技术设计的思想方法。

本模块分设传感器、数字电路、电磁继电器、和电子控制系统及其应用四个主题。

模块-主题结构如下图。

前面三个主题分别阐述了电子控制系统的三个主要组成部分，重点是各部分的作用、原理和应用，第四个主题是将前面三个主题组合成一个控制系统，通过应用性设计，对“技术与设计1”、“技术与设计2”的内容进行应用、综合和拓展迁移。

本模块的重点是在电子控制系统及其应用上。

模块内容通过对日常生活、工农业生产、军事武器的典型案例的分析，使学生建立起系统结构和电子控制系统结构的完整概念，明确传感器、数字电路和电磁继电器作为电子控制系统的三个主要环节的作用，了解电子控制系统设计的一般过程、应遵循的基本原则。

通过亲历设计过程，使学生理解电子技术、亲近电子技术。

可能有一些学生缺乏电子技术的基础知识，建议教师在教学时补充电阻、电容、电感、三极管、放大器等知识和常用电子测量仪器如多用电表、示波器的使用方法。

模块的四个主题，建立电子控制系统的完整结构概念是前提，传感器、数字电路、电磁传感器掌握运用是基础，电子控制系统的综合应用是载体，通过电子技术的操作方法和试验方法的掌握，领悟技术与设计的思想方法，提高学生探究问题的能力，促进所学知识与能力的迁移。

第一节传感器一、内容结构图:
二、知识点列表
三、重难点分析
（一）重点分析
1、常见传感器的作用
传感器象人体的感觉器官一样能感受到外界物理信息的变化，它能将非电量的物理信息转换成与之有确定关系的电信号，输送给控制电路进行处理。

在电子控制系统中，传感器是能够采集外界物理信息的唯一元器件，是实现自动检测和自动控制的首要环节。

传感器种类繁多，常见的电阻式传感器是将被测量，如光、温度、湿度、力、气体浓度等物理量转换式成电阻值（间接转换成电流、电压信号）这样的一种器件。

主要有光敏、热敏、湿敏、压敏、气敏等电阻式传感器件。

光敏二极管和光敏三极管对红外线敏感，可在红外遥控电子控制系统中应用。

2、常见传感器的应用
技术课程的学习要从学生的生活经验出发，了解传感器在日常生活、生产、军事、环境监测方面的应用，可以培养学生学习电子控制技术的兴趣，可以引导学生对电子控制技术的人文因素的感悟和理解。

（二）难点分析
1、从外形和标识上认识传感器
从外形和标识上区别不同的常见传感器是其应用的基础，而传感器种类繁多、外形各异，认识它们，对初学者有较大难度。

2、常见传感器的检测
通过用多用电表检测常见传感器的电气特性，使学生加深对传感器原理的感性认识，激发探究欲望，能比较、判断传感器的好坏及引脚极性，正确使用传感器，这是一个是试验、探究的过程，是理论和实践的结合，是学生技术素养的一个观察点。

常见传感器的检测涉及到对常见传感器结构、原理、特性的了解和有关电子测量仪器的使用，而且不同的传感器有不同的检测方法，所以是传感器教学中的一个难点。

四、教学建议
教师在教学中不要介绍传感器的工作原理，重点要放在如何让学生定性了解传感器上。

因此，教学中穿插学生动手实验和教师课堂实物演示就显的特别重要。

如何上好这部分教学内容，建议把握好以下4个教学内容。

1、了解常见传感器的型号命名方法：
（1）对于敏感型电阻式传感器，其型号一般由四部分组成，第一部分是字母“M”表示敏感型元件，第二部分字母表示敏感类别（都是拼音的第一个字母），如：“Z”表示正温度系数热敏电阻、“F”表示负温度系数热敏电阻、“Y”表示压敏电阻、“S”表示湿敏电阻、“Q”表示湿敏电阻、“G”表示光敏电阻、“C”表示磁敏电阻、“L”表示力敏电阻，后面两个部分表示用途和序号。

例如：MF41是普通旁热式负温度系数热敏电阻，MG42是可见光敏电阻，MSC-1是陶瓷湿敏电阻,等等。

（2）对于非电阻式传感器，就要查阅有关手册，如光敏二极管常用型号是2CUXX,管壳上有一个光照窗口、一个正极性标志点，使用时注意两个电极的正负极；光敏三极管常用型号是3DUXX，使用时要注意集电极C和发射极E的区别。

2、定性认识常见传感器
教师可以先介绍一两个常见传感器将不同的物理信息转换成电信号的最简单原理和外形结构，教学中重点是定性介绍常见的传感器如光敏传感器、热敏传感器、磁敏传感器、声敏传感器、气敏传感器等的功能作用。

比如，教师可以先介绍电阻型敏感器，其物理信息直接转换的电信号是电阻值的变化；
如热敏电阻，正温度系数热敏电阻是以钛酸钡为主和微量锶、钛、铝等化合物配制成电阻体材料，其电阻值随温度的升高而升高；负温度系数热敏电阻是以锰、镍、铜等的化合物为原料，按一定比例混合用陶瓷工艺制成，其电阻值随温度的升高而降低。

对于非电阻型敏感器，如光敏二极管由硅材料构成PN结，具有单向导电性，工作在反向电压下，管芯受到光照时，半导体材料原子结构中最外层的电子被激发出来，形成反向电流，且随光强度增大而增大，所以光敏二极管是将光信息直接转换为电流信号。

例：认识常见传感器件
老师：给学生看光敏传感器、热敏传感器、声敏传感器、气敏传感器的实物，同时也展示磁敏传感器、力传感器和位移传感器的照片，并介绍各个传感器的名称。

老师举实物自问自答：为什么称光敏传感器。

因为它能收集光的信息，并把它转变为电信号。

老师举实物问：为什么称热敏传感器。

学生回答：因为它能收集热信息，并把它转变为电信号。

老师：它能收集温度信息，并把它转变为电信号。

温度是反映物体热度的物理量。

学生：老师为什么气敏传感器引脚这么多，而热敏传感只有两个引脚。

老师：目前对天然气（液化气）敏感的传感器，技术上还需要4个引脚其中两个引脚需要外接辅助电源。

这样气敏传感器才能收集液化气的信息并把它转变为电信号。

随着技术的发展，会有一天气敏传感器的引脚与光敏传感器的引脚一样只有两个引脚。

3、使学生直观认识传感器的作用
传感器获得外界的输入信息并通过它将非电量信息转换成电信号输出，其内部工作原理是复杂的。

课标只要求学生知道传感器的作用及其应用。

因此教学设计要精选简单易行的实物演示实验，让学生直观地认识传感器的作用。

通过二三个不同传感器的演示实验引出一个结论----各种传感器的作用都是一样的，将非电量信息转换成电信号输出，不同的是它们敏感的非电量信息不同，有的是光、有的是声、有的是温度……。

例：传感器的作用
老师实验前准备：光敏电阻一只、热敏传感器一只、电吹风一把、指针式万用表一架、电池组、电阻一个.
老师上课演示，同学观察。

置万用表于R×1K档,表笔分别接入光敏电阻的两个引脚，察
万用表指示的电阻值约为1千欧；用手遮盖光敏电阻的受光表面，观察万用表指示的电阻值为30千欧，即光敏电阻无光照时电阻值增大，有光照时电阻值减小。

用电吹风对光敏电阻加热，对着光敏电阻叫喊，光敏电阻的电阻值都不发生变化，说明光敏电阻仅拾取光信息。

置万用表于R×1K档，表笔分别接入热敏电阻的两个引脚，观察万用表指示的电阻值为2千欧姆，用电吹风产生热风吹热敏电阻，热敏电阻温度上升的同时观察万用表指示的电阻值渐渐增大，即热敏电阻随着温度的升高，电阻值增大，用手遮盖热敏电阻，使它不受光，观察万用表热敏电阻的电阻值不发生变化，说明热敏电阻仅拾取温度的信息。

如检测光敏二极管可用光照法，多用电表选R×1K电阻档，用黑表笔（表内电池正极）接光敏二极管负极，红表笔接正极，用手遮住光敏二极管光照窗口，此时电阻接近无穷大；然后，让光线照射光敏二极管，电阻会大幅度减小，可以直观光敏二极管的特性、可以判断光敏二极管的敏感性和好坏。

光敏二极管还和普通二极管一样具有单向导电作用，其正向电阻为8～9KΩ，反向电阻大于5MΩ。

老师做实验小结：不同的传感器可以用来收集不同的信息，将信息变化转换为电阻值变化的信号的这类传感器称为电阻类传感器。

还有许多传感器也是电阻类传感器，如：湿敏传感器、力敏传感器、声敏传感器、磁敏传感器。

对于阻类传感器，在要求不高的场合，它们的好坏可以用多用表测量，它的电阻值随外界信息变化而变化的情况来判断，若它们的阻值随外界信息变化而变化，则是好的，否则为不良的。

不良的传感器是不能用的。

老师：如何将电阻类传感器电阻随外界信息变化而变化变换为输出电信号随外界信息变化而变化呢？
观察一个实验如图9.1所示。

它由一个电阻R、一个光敏电阻RG和一个3伏电池组组成。

V是电压表用来测量输出电压。

图9.1 电阻性传感器检测电路
用手遮盖光敏传感器输出电压随光敏传感器受光面的光强度而变化。

老师：这个实验电路告诉我们一个事实，电阻性传感器在应用时要并接由E（电源）和R（电阻）相串联组成的转换电路。

该转换电路能使电阻类传感器电阻随外界信息变化而变化，变换为传感器输出电信号随外界信息变化而变化。

这样光敏传感器经转换电路变换后就能将光信息变换为电信号。

经过后续章节的学习可以了解到如何对该电信号进行处理，然后输出执行电路。

如用光敏电阻实现对街上路灯的自动控制。

它的控制过程为：天暗了，光敏传感器将光信息变换为电信号，送处理电路处理后，输出控制电压送执行电路。

执行电路接通路灯开关，路灯点亮，反之，路灯电源被切断。

4、学生动手实验，加深对传感器的应用了解。

为了使学生能定性认识传感器的功能和作用，加深学生对传感器的了解，在教学设计中，可考虑安排学生一次动手实验，学生可以几个人一组。

实验的目的是认识常见的传感器，能用多用表检测传感器，知道传感器的作用及其应用。

教师在选择实验电路时要尽可能考虑电路简单、操作容易、突出学生对传感器在应用性方面的认识，使学生知道传感器的作用在与收集信息；知道不同类别的传感器能够把不同类别的信号转变为电信号；知道生活中常见的自动控制系统需使用什么类别的传感器。

例：
老师：实验教学资源准备。

（微调电位器、光敏传感器、湿敏传感器、三极管、发光二极管电阻、多用表、电池组、调光台灯、喷雾器、照度计、湿度计、声强仪等）实验电路：
图９.2 传感器试验电路
老师：图９.2是一个信号处理电路（控制器）和执行器组成的一个报警实验电路，报警时，发光二极管V1亮，图中V2主要功能是信号处理，V1是执行器（执行器也可以是继电器或蜂鸣器等），R1是限流电阻，限制V1亮时的最大电流，通常R取200Ω，V1亮时的流过V1的电流约为10mA。

R2也为限流电阻，防止因传感器接错，电源直接烧毁三极管的BE结。

图中，a、b两点用于连接传感器。

当a、b两点接热敏电阻时，该电路的功能为湿度报警器，a、b两点接光敏传感电阻时，该电路的功能为照度报警器；当a、b两点接声传感器时，该电路的功能为噪声报警器……。

下面以a、b两点接光敏传感器为例介绍照度报警器电路工作原理。

光照强度大时，光敏传感器的电阻小，根据分压原理，电源E在R P的上的分压值大，适当调整R P的电阻值，使在b、G两点间的电压为0.7V。

三极管V2因V be=0.7V饱和而导通。

电源经电阻R1，发光二极管V1、三极管V2的C、E极构成了回路，电流流过发光二极管V1，发光二极管被点亮——照度报警，说明当前照度太强了。

老师：当光照度弱时，光敏传感器的等效电阻值变得很大（几十千欧或上百千欧），电源E在R P上几乎没有什么分压值，三极管V2的V be值几乎为零，三极管截止，没有电流流过三极管C、E极，发光二极管V1不亮，说明当前光照度没有超过“警戒线”。

老师：同学们想一想，上述电路中，微调电位器R p的与电源E组成一个转换电路，光敏传感器经转换电路变换后，就能将光信息变换微电信号输出。

调整R P的目的是改变在
确定的照度条件下，转换电路输出的电压，即报警照度为“警戒线”。

老师：同学们讨论一下怎样调整照度报警器?
学生：讨论，回答（略）
老师：小结，实验步骤
１）用照度计将台灯的光强度调到100ＬＸ（报警照度）
２）在实验板上接入光敏传感器，
３）接通电源开关Ｋ
４）调整微调电位器R P，使发光二极管亮。

５）用多用表直流电压档确认，ＶBE之间的电压０.７Ｖ
６）关闭台灯，发光二极管不亮。

用多用表直流电压档确认ＶBE之间电压小于０.７Ｖ老师：实验步骤５和６中用电压表测量ＶBE的电压这个操作可以省略。

为什么要求大家做呢？因为R P的端电压值很重要，它是流过光敏传感器的电流流过R P产生的电压降。

该电压可以理解为光敏传感器的输出电压，该电压是否０.７Ｖ决定信号处理管是导通还是截止，即发光二极管是亮还是暗。

当ＶBE为０.７Ｖ时，三极管时导通，当ＶBE<０.４Ｖ时，三极管时截止的。

老师：下面分小组做实验。

一组做一种传感器实验。

同学们在做实验的同时要发挥团队精神，同时思考下面二个问题：
１、想一想，在日常生活中，见过什么电子产品用过你做过实验的传感器
２、报警器的功能有什么地方不满意，提出建设性意见
实验结束前每一个小组派代表回答上述问题
学生：实验开始（略）
学生：小组代表发言。

同学们争论（略）
老师：最后作实验小结（略）
《常见传感器的检测》教学设计
一、教学内容分析：
本节课主要通过对磁敏、声敏的定性检测和对光敏、热敏传感器的定量检测，使同学们对传感器有一个感性认识，初步掌握传感器的检测方法，了解传感器将物理量转换为电量的特性，为使用传感器进行电子控制系统的设计奠定基础。

根据日常生活中常见电器使用传感器的情况，选用光敏、声敏（用于夜晚楼道声响照明灯的开关）、热敏（自动开水壶）、磁敏（门开防盗报警）这4种传感器，检测方法设计为2种：
1、使用多用电表的欧姆档，通过测量传感器在外界物理量变化时的电阻值变化规律，并作好数据记录；
2、使用QXD－2型传感器性能实验仪，进行传感器功能的演示实验，该仪器在感受到传感器输入信号时，可控制发出四种音乐声，以及进行灯光闪烁和继电器控制。

二、教学对象分析：
虽然传感器在日常生活中应用广泛，但学生缺乏自己动手搭接传感器电路的实际技术体验，因此对传感器对物理量感受和转换作用并不理解，因此使用多用电表和演示仪器进行实验，可增加实验的趣味性，调动学生的探究欲望。

本课教学要求学生学会使用多用电表测量传感器的电阻随环境物理量的变化情况。

学生对多用电表的使用熟练程度不一，可分组合作、互相学习，完成检测任务。

三、教学目标及分析
1、了解常见传感器的检测方法；能够根据检测信息对几种传感器进行特性分析。

学会使用多用电表检测光敏电阻、正、负温度系数热敏电阻、磁敏传感器；
2、经历传感器检测的一般过程，从系统、信息、控制的角度分析传感器的作用，从传感器检测仪的控制功能领悟“黑箱”原理；
3、培养学生养成严谨细致的技术学习习惯（如不要将温度计折断、不要被开水烫了等）；树立安全用电意识和遵守安全操作规程的习惯。

注重学生观察能力、运用知识解决问题能力的培养，领悟技术试验的一般思想方法。

教学重点：学会认识、检测几种常见的传感器。

教学难点：对测量数据的分析归纳。

四、教学策略及媒体的运用
1、教师先搜集各种生活中传感器应用和各种传感器对照的图片资料，扩大学生的知识面；
2、将检测流程简单、现象明显的光敏电阻的检测安排在开始，集中观察，然后由学生应用类似方法设计其它几种传感器的检测；
3、各小组根据测量数据进行讨论、推选代表发言归纳。

五、教学准备
多种传感器1袋/组，多用电表1块/组、传感器功能演示仪1台/组
温度传感器特性测试试验仪器：小电热棒1个、温度计1根、大玻璃杯1个
光敏传感器特性测试试验仪器：调光台灯1盏、照度计1台
六、教学过程
1、温度传感器检测实验：
多用电表置R×100电阻档，两个表笔分别接热敏电阻的两个引脚，将热敏电阻放入水杯，温度计测得起始加热时的水温为25C，此时多用电表测得热敏电阻（型号：TTC 103）
的阻值是5KΩ；用电热棒加温，随着水温不断上升，热敏电阻随之下降（负温度系数），当水温达到100C0时，热敏电阻的阻值是500Ω。

学生可选择10个不同温度作为观测点，测出热敏电阻的10个不同电阻值，列出表格并画出电阻值随温度变化的曲线。

2、光敏传感器检测实验：
多用电表置R×100电阻档，两个表笔分别接光敏电阻的两个引脚，用调光台灯照射光敏电阻的感光窗口；调节灯光照度为100LUX,测得光敏电阻值为3KΩ，随着光照度不断上升，光敏电阻随之下降，当光照度达到672 LUX时，测得光敏电阻值约为1.1KΩ。

学生可选择10不同光照度作为观测点，测出光敏电阻的10个不同电阻值，列出表格并画出电阻值随光照度变化的曲线。

第二节数字电路一、内容结构图
二、知识点列表
三、重难点分析
（一）重点分析
1、基本逻辑门电路的逻辑关系、真值表和波形图
门电路是构成数字集成电路的基本单元，若将非常复杂的数字电路进行细分解，可以知道都是由与门、或门、非门这三种基本门电路构成的。

门电路的输出数据由输入数据决定，其逻辑关系函数表达式表达了门电路的输出与输入之间的关系，是分析和设计数字电路的基础。

真值表以表格形式反映了输入信号所有变化可能性对应输出信号的关系，是逻辑关系函数表达式的表格化形式，真值表是理解数字电路工作状态的重要依据。

波形图反映了门电路的输入、输出信号电平随时间变化的情况，也是由逻辑关系函数表
达式决定的。

逻辑关系函数表达式、真值表和波形图以三种不同形式来表达数字电路的工作状态，其本质都是一样的。

2、TTL型和CMOS型集成电路在电气特性方面的差别
数字集成电路有TTL与CMOS两种类型，例如集成与、或、非门也有TTL与CMOS两种类型，TTL主要由NPN型晶体管构成，CMOS主要由场效应管构成，由于使用器件不同，决定了这两种集成电路的结构和电气性能有很大不同，使用时，理解它们的特性非常重要。

由于TTL型和CMOS型集成电路的最大额定电源电压、逻辑电平、延迟时间等参数都有较大的差别，所以TTL型和CMOS型集成电路不能混合使用。

虽然TTL型和CMOS型集成电路在电气特性方面有较大差别，但相同功能电路的逻辑关系是相同的，不影响对电路的逻辑分析。

3、用数字集成电路安装简单的实用电路
用数字集成电路构成简单实用电路，是数字集成电路应用和构成较复杂组合数字电路的基础。

学生通过电路安装，可以认识和熟悉电子元器件，初步掌握焊接、安装技巧，体验成功的快乐，培养对电子技术的兴趣。

在教学时可选用与、或、非、与非、或非等集成门构成多谐振荡电路，利用多谐振荡器搭接电子门铃、报警器等简单、有趣电路，有兴趣的学生除了学会安装多谐振荡器外，还可了解多谐振荡器频率的计算方法，以便调节频率、改变音调。

（二）难点分析
1、什么是数字信号？
模拟信号是直接反映外界物理信息变化规律的电信号，日常生活中有大量的事例，学生好理解；而数字信号是对模拟信号的人为加工和处理，它以另外一种形式（0和1的编码）间接地反映外界物理信息的变化规律，虽然日常生活中有大量数字技术应用的事例，但很少能直观、准确地解释什么是数字信号，学生往往难以理解；所以准确理解数字信号是教学中的一个难点。

2、数字电路简单的组合设计和制作试验
学生通过数字电路简单的组合设计，要学会优化设计方案，选择、识别电子元器件，焊接、安装电路、学会写试验报告，初步体验电子技术试验的一般过程。

数字电路的组合设计要建立在简单数字集成电路安装的基础之上，是对简单数字集成电路的组合应用。

四、教学建议
1、正确理解数字信号
教师在讲解数字信号时，建议按以下内容顺序讲解数字信号的来龙去脉，使学生能较全面的了解数字信号、较准确地理解数字信号的特性：
（1）模拟信号：自然界中声、光、热、力等物理信息经相应的传感器转换成电信号，这样的电信号就是模拟信号，它在数值和时间上是连续变化的，其变化规律反映了相应物理信息的强度和变化规律。

（2）模拟信号的主要缺点：
①噪声容易叠加在模拟信号上，引起信号失真；
②不便计算机处理。

（3）十进制数与成二进制数之间的转换：
如：9 ＝（1001）2 ，7＝（0111）2，5＝（0101）2，3＝（0011）2等等。

掌握十进制数和二进制数的特性，可以帮助学生理解数字信号。

（4）模拟信号转化为数字信号的过程（示意）如下：
①例如声音信号经声敏传感器（话筒）转换成电压U a信号波形如图9.3（a）所示：
②根据采样定理，由采样电路对模拟信号进行采样，输出采样电压信号波形如图9.3（b）所示，采样信号是离散的模拟信号，只要采样频率足够高，采样信号能正确无误地表示模拟信号；
③A/D转换器将采样后的模拟信号经量化、编码后转换成数字信号，如图9.3（c）所示，如2V电压的编码是0010, 7V电压的编码是0111, 9V电压的编码是1001。