传感器应用中控制电路的“点”控制与“区间”控制设计

林 贵

（福建省泉州市南安侨光中学，福建 泉州 362314）

普通高中课程标准实验教科书《物理》（选修3－2）（以下简称教材）较传统教科书增加了传感器及其应用一章.教材通过较多的生活实例来说明传感器给现代生活带来极大的方便，给学生丰富的感性认识材料.教材中“简易温度控制”笔者给学生演示过，学生很感兴趣，也意犹未尽，同时也给笔者提了几个问题：（1）继电器在温度下降后继电器好像没有马上断开，什么时候才会断开，如何控制？（2）系统在温度达到预设值时断开，停止加热，低于预设值时吸合，开始加热，是否会造成继电器在预设值附近不停的接通与断开导致频繁动作？学生的这几个问题让笔者思考了许久，也找到相应的解决方法.或许同行们也遇到此类问题，笔者也不妨借此谈谈传感器应用中控制电路的“点”控制与“区间”控制设计.

1 简析“简易温度控制”原理及特点

笔者不妨赘述下“简易温度控制”电路原理，如图1所示，将电炉丝与继电器的常开开关连接，控制环境温度，并调节滑动变阻器使继电器恰好断开，停止加热.当温度低于预设值，热敏电阻阻值减小，电路电流增大，继电器吸合，常开开关处于接通状态，电炉丝与电源连接，开始加热；当温度高于预设值，热敏电阻阻值增大，电路电流减小，常开开关处于断开状态，电炉丝与电源断开，停止加热.此实验能直观演示温度传感及控制过程，让学生获得亲身体会传感器的无穷魅力.但由于继电器吸合电压与断开电压不同，如笔者常用的5V继电器，吸合电压要接近5V，而保持吸合状态所需的电压只要3V左右，即当温度升高到预设值后继电器吸合，而当环境问题再回到预设值时继电器不能有效断开，而是要等到温度下降比较多时才能断开，即用模拟量来控制继电器会产生较多的不确定，继电器动作不干脆.为有效解决此问题，笔者用一比较器将模拟信号转换成数字信号，实现“数字化”控制.

图1

2 比较器结构及使用方法

图2

图3

常用的电压比较器有LM358、LM339等集成电路（LM358是双运放，LM339是四运放，其他参数差不多）.这里不妨以LM358为例来说明，LM358集成片为集成运算放大器（常用元器件，市场上易买到，每片1元左右），8引脚，其引脚如图2所示，具有宽电压 （单电源可以3—30V；双电源可以±1.5一±15V），低功耗，输入高阻抗等特点.标有“＋”号的一端称为同相输入端（也称正输入端），标有“—”号的一端称为反向输入端（也称负输入端）.由于运放输入为高阻抗，即其正负输入端电流i＋＝i－≈0，如同两个点被断开一样，这种现象被称为“虚断”.如图3接法是将LM358应用成电压比较器，当正输入端电势高于负输入端时，输出端输出高电平（数字信号1），当正输入端电势小于或等于负输入端时输出端输出低电平（数字信号0），即当φb＞φa时输出信号Y为高电平，当φb≤φa时输出信号Y为低电平.

3 “点”控制电路设计

如图4所示，R1、R2、电位器、热敏电阻组成电桥，调节电位器可改变a点电势作为参考电压，b点的电势和热敏电阻的阻值一一对应.因此，我们可以控制环境温度使其达到预设温度，缓慢调节电位器使继电器刚好断开（φa≈φb），电热丝停止加热；每当温度比预设低时，热敏电阻阻值变小，b点的电势降低，导致φa＞φb时，比较器输出高电平，三极管导通，继电器吸合，开始加热；每当温度比预设高时，热敏电阻阻值变大，b点的电势升高，导致φa＜φb时，比较器输出低电平，三极管截止，继电器断开，停止加热，这样就能实现温度自动控制.此电路能够较快设定预设值，动作灵敏，当满足条件时继电器能马上吸合，不满足条件时马上断开，实现“数字化”控制，而且实验效果明显很适合课堂演示，但继电器会在预设值附近不停的接通与断开导致频繁动作，因此不能用于实际控制.

图4

4 “区间”控制电路设计

为了更好说明“区间”控制原理，笔者不妨先把比较器做成“触发器”，其电路如图5所示，当输入信号A为低电平，B为高电平时，φb＞φa，比较器输出为高电平；反之，当输入信号A为高电平，B为低电平时，φb＜φa，比较器输出为低电平；当输入信号A、B均为高电平（此时不妨先将反馈电阻R5看成与电路断开，比较器的两输入端均对称即φb＝φa），若比较器原来输出状态为高电平，通过反馈电阻R5接到正输入端会导致φb＞φa，比较器输出为高电平，若比较器原来输出状态为低电平，通过反馈电阻R5接到正输入端会导致φb＜φa，比较器输出为低电平，即当输入信号A、B均为高电平，比较器将保持原来的状态；同理当输入信号A、B均为低电平，比较器也将保持原来的状态；从而实现“触发器”功能，其真值如表1所示.

图5

表1

接下来主要是设计传感电路，使其产生一个关机信号一个开机信号，方法也不难，只需在图4基础上多加个电阻，多加一个比较器，如图6所示.具体原理：当温度较高（设为t1℃）时热敏电阻阻值较大使c点电势高于a点即φa＜φc，此时比较器B输出Y2为高电平（可作为关机信号，此时比较器A输出Y1为低电平）；当温度较低（设为t2℃）时热敏电阻阻值较小使b点电势低于a点即φb＜φa，此时比较器A输出Y1为高电平（可作为开机信号，此时比较器B输出Y2为低电平）；当温度t满足t1＞t＞t2时，比较器A、B输出Y1、Y2输出信号为低电平，可使系统保持原来状态.

图6

若将传感电路的输出端Y1、Y2（图6）分别与“触发器”的输入端B、A（图5）连接，再将“触发器”输出端与三极管连接控制继电器，就能组成温度“区间”控制系统（有关图就不再多画了）.具体原理：当温度高于预设高温时t1时，φa＜φc，φa＜φb，传感电路的输出端 Y1＝0、Y2＝1，“触发器”输出低电平，系统停止加热；当温度低于预设低温t2时，满足φa＞φc，φa＞φb，传感电路的输出端Y1＝1、Y2＝0，“触发器”输出高电平，系统开始加热；当温度t处于预设高温与预设低温之间时即t1＞t＞t2时，满足φa＞φc，φa＜φb，传感电路的输出端Y1＝0、Y2＝0，“触发器”输出保持原状态（不动作），这样就能将系统温度控制在t1和t2之间又不会使继电器频繁动作，从而实现“区间”控制.当然，我们可以通过调节电位器改变a点的参考电位从而达到调节预设温度的效果，改变图6中电阻R3的阻值来改变t1和t2之间的差值，R3越大t1和t2之间的差值越大，反之差值就越小.当然，本系统还可以做水位控制系统，也可以作为光控系统等，既可以作为课堂演示也可以作为实际控制.（注：做“区间”控制电路可选用四运放的LM339，这样一片就能满足；该电路看来有点烦杂，其实焊接起来就是一小块，元件只需LM339一片.）