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1、控制系统演示试验教学案例设计【内容摘要】通用技术教材中的“案例分析”和“马上行动”内容很多，诸多的教学案例一方面丰富了教学内容，使课堂教学更为生动具体；但是另一方面，太多的案例如果只流于图片或者视频展示而没有实质的模型或实物，效果是大打折扣的。本文通过对控制系统中两个主要知识点：开环控制系统和闭环控制系统的教学案例进行设计，制作出可作演示试验操作的水位控制系统模型。使学生能更清楚的观察到案例的生动和具体。【关键字】案例设计 开环控制系统 闭环控制系统 水位控制系统通用技术课程把我们生活、学习、工作中遇到的一些科学技术实例提升到一门学科的高度，以规范的技术语言、统一的技术理论来引导学生对科学技术
2、的认识，培养学生对技术的敏感度，进而提升技术素养。通用技术教材的一个很大的特点是教材中穿插的“案例分析”、“马上行动”等栏目非常多，这大大丰富了通用技术的教学内容，更加直观地体现了技术的价值以及与生活的紧密程度。但是过多的“案例分析”和“马上行动”也存在问题，一个突出的问题就是可操作性差，因为通用技术作为一门新兴学科，不像物理、化学这样的学科有完善的实验设备和演示器材供教师参考演示，上课时往往很多案例只用课件图片或视频的形式予以展示，而很少有具体的实物。这使得课堂教学比较空洞，特别是当这样的案例多到几乎每堂课都有的时候，学生更是陷入枯燥乏味的阶段。我初步统计了一下，技术与设计1共有“案例分析”
3、42个，“马上行动”58个；技术与设计2共有案例分析45个，马上行动47个。然而面对如此多的“案例分析”和“马上行动”，上课的老师却很无奈，因为很多“马上行动”根本无法马上行动，很多案例分析只能用PPT分析，这样就会使一门本该以实践操作为主的课程变成了空洞枯燥的技术欣赏课。为了避免此类现象的过度泛滥，教师必须正确处置“案例分析”和“马上行动”的内容，提高技术设计的实际案例，能让学生有一个具体的技术设计目标。下面我以控制系统中的一个实际案例设计为例，抛砖引玉，希望通用技术教师发挥自己的特长，开发出更加实用并可用于实际操作的教学案例用于替换教材中一些根本无法操作的案例。控制学本是一门比较专业，难点
4、在于控制器的选择和设计，教材中考虑到了控制器的设计难度过大，重点强调了整个控制环节的结构与流程学习，在整个控制系统的教学中，我设计了比较贴合教材案例的装置：水位自动控制系统。通过该控制系统可以完成手动控制与自动控制的教学，开环控制系统和闭环控制系统的教学。下面我介绍一下制作方法和电路原理：材料准备：1. 执行器：小型水泵（最直接的就是用鱼缸换水用的小水泵代替，不过鱼缸用的水泵一般都是220交流电的，为了安全起见，用低电压水泵更好。）2. 被控对象：水箱。为了方便移动和在普通教室教学，可以使用大号的饮料瓶代替。3. 水槽：用作抽水和放水的容器，这个一般无需购买，可以到化学实验室借用，如果借用不方
5、便可以购买大的塑料储物盒代替。4. 控制器：根据不同的控制方法，具体采用不同的元器件，下面重点介绍控制器的设计。手动控制很简单，只需要直接设置电源开关控制水泵开启关闭即可。自动控制分两种，一种是采用定时器控制（开环控制系统），可以直接购买商品定时器或者自制定时器，购买的商品定时器通常定时的时间以分钟为单位，显然不利于上课节约时间，因此采用自制定时器的方案，为了简化电路设计，使用一块通用的时基集成电路555来作为控制中枢。为了方便讲清原理，简单介绍一下555时基集成电路的基本功能：555 时基集成电路是一种模拟和数字功能相结合的中规模集成器件，电源电压范围宽，可在 4.5V16V 工作，输出驱动
6、电流约为 200mA，因而其输出可与 TTL、CMOS 或者模拟电路电平兼容，也足够驱动小型继电器工作。555 时基集成电路成本低，性能可靠，只需要外接几个电阻、电容，就可以实现多谐振荡器、单稳态触发器及施密特触发器等脉冲产生与变换电路。它也常作为定时器广泛应用于仪器仪表、家用电器、电子测量及自动控制等方面。555 定时器的外引脚排列图和内部电路框图分别如下图1、图2所示。图2 内部电路框图图1 外引脚排列图它内部包括两个电压比较器，三个等值串联电阻，一个 RS 触发器，一个放电管 T 及功率输出级。三个5K的串联电阻提供了两个基准电压Vcc /3 和 2Vcc /3 ，555的功能主要由两个
7、比较器决定。两个比较器的输出电压控制 RS 触发器和放电管的状态。在电源与地之间加上电压，当 5 脚悬空时，则电压比较器 C1 的同相输入端的电压为 2Vcc /3，C2 的反相输入端的电压为Vcc /3。若触发输入端 TR 的电压小于Vcc /3，同时阈值输入端 TH 的电压小于 2Vcc/3，则比较器 C2 的输出为 0，可使 RS 触发器置 1，使输出端 Vo=1，这种触发方式称为低触发；如果阈值输入端 TH 的电压大于 2Vcc/3，同时 TR 端的电压大于Vcc /3，则 C1 的输出为 0，C2 的输出为 1，可将 RS 触发器置 0，使输出为 0 电平，这种触发方式称为高触发；若
8、触发输入端 TR 的电压大于Vcc /3，同时阈值输入端 TH 的电压小于 2Vcc/3，则比较器 C1、C2 的输出皆为 1， RS 触发器保持前一状态，输出不变。下面是用555电路构成触摸开关定时器的电路图。图3触摸开关定时器M555在这里接成单稳态电路，平时由于触摸片P端无感应电压，电容C1通过555第7脚放电完毕，第3脚输出为低电平，继电器KS释放，小型水泵M不工作。当需要充水时，用手触碰一下金属片P，人体感应的杂波信号电压由C2加至555的触发端，使555的输出由低变成高电平，继电器KS吸合，水泵开始工作往水箱中充水。同时，555第7脚内部截止，电源便通过R1给C1充电，这就是定时的
9、开始。当电容C1上电压上升至电源电压的2/3时，555第7脚导通使C1放电，使第3脚输出由高电平变回到低电平，继电器释放，水泵停止工作，定时结束。定时长短由R1、C1决定：T=1.1R1*C1（单位全部用国际标准单位，结果时间单位是秒）。按图中所标数值，可调电阻R1调到最大，定时时间约为4分钟（T=1.1110622010-6）。D1可选用1N4148或1N4001，主要起到抗干扰作用。触摸式控制可能由于各种干扰因素的影响无法可靠工作，可改成按钮式触发，让第2脚接一下地即可使触发器翻转成高点平。金属片图4单点水位检测控制电路闭环控制系统设计起来要复杂一点，需要做检测装置，因为普通水有导电作用，
10、所以检测装置可以用两个靠近但互不接触的金属片来做。有两种方案可供选择：简单方案是单点检测，把金属片放在设定水位点，充水达到金属片时触发电路翻转使水泵停止工作，水位下降后又开始自动充水。利用555构成施密特触发器电路即可实现，电路图如图4所示：将555电路的2,6脚并接起来接成只有一个输入端的施密特触发器，接通电源后，由于电阻R1的作用使输入Vi=0，则555低触发使输出端Vo=1，此时继电器吸合，水泵开始工作往水箱中充水，当水位上升到金属片检测点位置时，由于水的导电作用，只要合理设置R1的阻值大小即可使输入电压上升（因为水的电阻较小，通常R1取值10K左右即可），当输入电压上升到2/3Vcc后
11、，555电路高触发使输出Vo翻转成0，继电器断开，水泵停止工作；当水位下降到离开金属片触点时，输入电压又变成低电平，Vo又翻转成1，使继电器吸合，水泵又开始充水。如此该控制系统就变成了一个水位自动控制系统，显然该系统是闭环控制系统。利用上述两个电路实例讲解开环控制系统和闭环控制系统的工作原理比较直观明了，学生也更容易理解，教师制作起来难度并不大，不需要高深的电子知识。在讲解的过程中还可以加入“干扰因素”的学习，比如在定时器系统工作的时候通过捏住水泵的水管减小水流就会发现没有充到预期的水位也会停止，捏住水管在现实中的表现是水管的水流量一般很难恒定，从而导致出现较大的误差，这是一个明显的干扰因素，
12、而定时器式开环控制系统显然无法抵抗这样的干扰；但是在闭环电路中捏住水泵的水管，水位还是照样上升到预先设定的高度，只是充水的时间变长了而已。低水位探头高水位探头公共探头最后对电路进行适当的修改还可以制作出另一种更加实用的水位控制装置。因为一般的实用闭环控制装置不是使输出量精确地保持不变，而是在一个允许的范围内进行波动。比如家用空调就是如此，假如设定的温度是25，空调系统会把室温持续降低到24，然后停止工作让房间温度在干扰因素的作用下自然升高，当达到26的时候又开始启动进行降温一直到24，也就是说把温度控制在2426之间循环，这样的设计一是有利于节能，而是有利于延长执行器的寿命。对于水位控制系统，
13、一般我们也不希望水位一下降就开始自动充水，而是设定一个上限和一个下限，当达到上限停止充水，当低于下限开始充水。下面这个电路可以实现这样的控制功能。图5上下限水位控制器电路启动电源时，若两个探头都没有水位，那么输入端为0电平，555低触发输出高电平，继电器吸合，水泵开始工作往水箱中充水，当达到低水位探头时，555电路工作在保持状态，输出仍是高电平继续充水。当水位达到高水位探头时，555电路高触发输出低电平，继电器断开，水泵停止工作。当水位从高探头水位下降时，555电路又工作在保持状态，输出仍是低电平，因此水泵不工作，而当水位低于低水位探头时，555电路低触发输出高电平开始继续充水。从而使水位控制
14、在高水位探头和低水位探头之间。注：上面的三个电路图中555的第5脚控制脚都是处于悬空状态，为了提高555的抗干扰能力，避免电源波动和杂波的影响，官方的器件说明里面都是建议通过一个0.01F的电容接地。以上是水位控制系统的三个不同的控制器设计方案，不同的控制器决定了系统的控制状态，在课堂上展示时考虑到安全用电需要，必须做好完善的绝缘和保护措施。课堂教学时展示的同时应重点让学生掌握控制系统的工作过程和各个控制环节的具体体现，对于控制器的原理和设计，对学生不必详细叙述。通用技术课程教学案例非常多，本文只是其中的一个小小的实例，在课程开设初期，教学资源相对匮乏的现状下，需要发挥通用技术教师的主观能动性，提高教师自己的动手能力，多设计技术案例实例，让课堂教学更为生动具体，避免让学生陷在图片和视频的海洋中。【参考文献】电子线路 高等教育出版社 陈其纯6
