1.2 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
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
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
1．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
电子控制系统内部常见电子元件的工作原理。
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
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
共1课时
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
（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
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：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：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：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）。
[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。
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PN P 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：
β1=Ic/Ib
式中：β1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：
β= △Ic/△Ib
式中β称为交流电流放大倍数，由于低频时β1和β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，β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] 分析路灯自动控制模型中的各部分组成及工作过程。
（三）能力展示
[思考] 分析音乐喷泉的工作过程，并画出音乐喷泉的电子控制系统的方框图。
（四）课堂小结
本节我们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，同学们要知道电子控制系统的基本组成，并能用方框图分析生活中常见的电子控制系统的工作过程。
（五）课后思考
电子控制系统内部常见电子元件的工作原理，对于学生是弱项，教师在本节要加以引导，以利于学生对电子控制系统内部工作过程的理解。