傳感器應用中控制電路的“點”控制與“區間”控制設計

林 貴

（福建省泉州市南安僑光中學，福建 泉州 362314）

普通高中課程標準實驗教科書《物理》（選修3－2）（以下簡稱教材）較傳統教科書增加了傳感器及其應用一章.教材通過較多的生活實例來說明傳感器給現代生活帶來極大的方便，給學生豐富的感性認識材料.教材中“簡易溫度控制”筆者給學生演示過，學生很感興趣，也意猶未盡，同時也給筆者提了幾個問題：（1）繼電器在溫度下降后繼電器好像沒有馬上斷開，什么時候才會斷開，如何控制？（2）系統在溫度達到預設值時斷開，停止加熱，低于預設值時吸合，開始加熱，是否會造成繼電器在預設值附近不停的接通與斷開導致頻繁動作？學生的這幾個問題讓筆者思考了許久，也找到相應的解決方法.或許同行們也遇到此類問題，筆者也不妨借此談談傳感器應用中控制電路的“點”控制與“區間”控制設計.

1 簡析“簡易溫度控制”原理及特點

筆者不妨贅述下“簡易溫度控制”電路原理，如圖1所示，將電爐絲與繼電器的常開開關連接，控制環境溫度，并調節滑動變阻器使繼電器恰好斷開，停止加熱.當溫度低于預設值，熱敏電阻阻值減小，電路電流增大，繼電器吸合，常開開關處于接通狀態，電爐絲與電源連接，開始加熱；當溫度高于預設值，熱敏電阻阻值增大，電路電流減小，常開開關處于斷開狀態，電爐絲與電源斷開，停止加熱.此實驗能直觀演示溫度傳感及控制過程，讓學生獲得親身體會傳感器的無窮魅力.但由于繼電器吸合電壓與斷開電壓不同，如筆者常用的5V繼電器，吸合電壓要接近5V，而保持吸合狀態所需的電壓只要3V左右，即當溫度升高到預設值后繼電器吸合，而當環境問題再回到預設值時繼電器不能有效斷開，而是要等到溫度下降比較多時才能斷開，即用模擬量來控制繼電器會產生較多的不確定，繼電器動作不干脆.為有效解決此問題，筆者用一比較器將模擬信號轉換成數字信號，實現“數字化”控制.

圖1

2 比較器結構及使用方法

圖2

圖3

常用的電壓比較器有LM358、LM339等集成電路（LM358是雙運放，LM339是四運放，其他參數差不多）.這里不妨以LM358為例來說明，LM358集成片為集成運算放大器（常用元器件，市場上易買到，每片1元左右），8引腳，其引腳如圖2所示，具有寬電壓 （單電源可以3—30V；雙電源可以±1.5一±15V），低功耗，輸入高阻抗等特點.標有“＋”號的一端稱為同相輸入端（也稱正輸入端），標有“—”號的一端稱為反向輸入端（也稱負輸入端）.由于運放輸入為高阻抗，即其正負輸入端電流i＋＝i－≈0，如同兩個點被斷開一樣，這種現象被稱為“虛斷”.如圖3接法是將LM358應用成電壓比較器，當正輸入端電勢高于負輸入端時，輸出端輸出高電平（數字信號1），當正輸入端電勢小于或等于負輸入端時輸出端輸出低電平（數字信號0），即當φb＞φa時輸出信號Y為高電平，當φb≤φa時輸出信號Y為低電平.

3 “點”控制電路設計

如圖4所示，R1、R2、電位器、熱敏電阻組成電橋，調節電位器可改變a點電勢作為參考電壓，b點的電勢和熱敏電阻的阻值一一對應.因此，我們可以控制環境溫度使其達到預設溫度，緩慢調節電位器使繼電器剛好斷開（φa≈φb），電熱絲停止加熱；每當溫度比預設低時，熱敏電阻阻值變小，b點的電勢降低，導致φa＞φb時，比較器輸出高電平，三極管導通，繼電器吸合，開始加熱；每當溫度比預設高時，熱敏電阻阻值變大，b點的電勢升高，導致φa＜φb時，比較器輸出低電平，三極管截止，繼電器斷開，停止加熱，這樣就能實現溫度自動控制.此電路能夠較快設定預設值，動作靈敏，當滿足條件時繼電器能馬上吸合，不滿足條件時馬上斷開，實現“數字化”控制，而且實驗效果明顯很適合課堂演示，但繼電器會在預設值附近不停的接通與斷開導致頻繁動作，因此不能用于實際控制.

圖4

4 “區間”控制電路設計

為了更好說明“區間”控制原理，筆者不妨先把比較器做成“觸發器”，其電路如圖5所示，當輸入信號A為低電平，B為高電平時，φb＞φa，比較器輸出為高電平；反之，當輸入信號A為高電平，B為低電平時，φb＜φa，比較器輸出為低電平；當輸入信號A、B均為高電平（此時不妨先將反饋電阻R5看成與電路斷開，比較器的兩輸入端均對稱即φb＝φa），若比較器原來輸出狀態為高電平，通過反饋電阻R5接到正輸入端會導致φb＞φa，比較器輸出為高電平，若比較器原來輸出狀態為低電平，通過反饋電阻R5接到正輸入端會導致φb＜φa，比較器輸出為低電平，即當輸入信號A、B均為高電平，比較器將保持原來的狀態；同理當輸入信號A、B均為低電平，比較器也將保持原來的狀態；從而實現“觸發器”功能，其真值如表1所示.

圖5

表1

接下來主要是設計傳感電路，使其產生一個關機信號一個開機信號，方法也不難，只需在圖4基礎上多加個電阻，多加一個比較器，如圖6所示.具體原理：當溫度較高（設為t1℃）時熱敏電阻阻值較大使c點電勢高于a點即φa＜φc，此時比較器B輸出Y2為高電平（可作為關機信號，此時比較器A輸出Y1為低電平）；當溫度較低（設為t2℃）時熱敏電阻阻值較小使b點電勢低于a點即φb＜φa，此時比較器A輸出Y1為高電平（可作為開機信號，此時比較器B輸出Y2為低電平）；當溫度t滿足t1＞t＞t2時，比較器A、B輸出Y1、Y2輸出信號為低電平，可使系統保持原來狀態.

圖6

若將傳感電路的輸出端Y1、Y2（圖6）分別與“觸發器”的輸入端B、A（圖5）連接，再將“觸發器”輸出端與三極管連接控制繼電器，就能組成溫度“區間”控制系統（有關圖就不再多畫了）.具體原理：當溫度高于預設高溫時t1時，φa＜φc，φa＜φb，傳感電路的輸出端 Y1＝0、Y2＝1，“觸發器”輸出低電平，系統停止加熱；當溫度低于預設低溫t2時，滿足φa＞φc，φa＞φb，傳感電路的輸出端Y1＝1、Y2＝0，“觸發器”輸出高電平，系統開始加熱；當溫度t處于預設高溫與預設低溫之間時即t1＞t＞t2時，滿足φa＞φc，φa＜φb，傳感電路的輸出端Y1＝0、Y2＝0，“觸發器”輸出保持原狀態（不動作），這樣就能將系統溫度控制在t1和t2之間又不會使繼電器頻繁動作，從而實現“區間”控制.當然，我們可以通過調節電位器改變a點的參考電位從而達到調節預設溫度的效果，改變圖6中電阻R3的阻值來改變t1和t2之間的差值，R3越大t1和t2之間的差值越大，反之差值就越小.當然，本系統還可以做水位控制系統，也可以作為光控系統等，既可以作為課堂演示也可以作為實際控制.（注：做“區間”控制電路可選用四運放的LM339，這樣一片就能滿足；該電路看來有點煩雜，其實焊接起來就是一小塊，元件只需LM339一片.）