系统：材料、来源与特性
欢迎阅读系统：材料、来源与特性复习笔记！在 Pearson Edexcel GCSE (9-1) 设计与技术科中，“系统”主要探讨电子和可编程系统——它们如何感应用户与环境、作出判断，并产生声音、光线或动作等实用输出。刚开始接触电子学时觉得技术名词太多？不用担心！我们会一步一步为你拆解每个元件、其物理特性以及运作原理。
备注：关于标准供应规格（stock forms）、公差（tolerances）以及详细电路计算，将于其他章节深入探讨；本章重点集中在辨识各项元件、理解其运作特性，并探讨它们的来源与环境影响。
---1. 基本架构：输入、处理、输出
所有电子系统都遵循一个核心的三阶段模型：输入（Input）\(\rightarrow\) 处理（Process）\(\rightarrow\) 输出（Output）。
这就好像人类的反射动作一样：
• 输入（感应）： 你的眼睛看见一颗球正朝你飞过来。
• 处理（决策）： 你的大脑决定举起双手接住球。
• 输出（动作）： 手臂肌肉带动双手移动到适当位置。
在电子系统中，我们就是利用各种实体元件来分别执行这三种功能。
---2. 输入装置：传感器与开关
传感器负责检测外在环境的物理变化，并将其转换成电信号（例如电压或电流的变化）。开关则让使用者或机械结构能够手动接通或断开电路。
A. 传感器
• 光敏电阻（LDR）： 一种电阻值会随环境光线强度而改变的传感器。在黑暗环境下，LDR 具有极高电阻；随着光照强度增加，其电阻值便会下降。LDR 常用作自动夜灯和街灯控制系统。
• 热敏电阻（Thermistor）： 对温度敏感的传感器。在常见的负温度系数（NTC）热敏电阻中，温度越高，电阻值便越低。常见应用包括数字温度计、汽车发动机冷却系统和中央供暖温控器。
• 湿度传感器（Moisture Sensor）： 由放置在物料（如土壤）中的导电探针组成。当环境湿润时，水分会在探针之间导电，令电阻降低；当物料干燥时，电阻便会上升。这种元件广泛应用于自动浇水系统。
B. 开关
• 常开按钮开关（PTM Switch）： 一种瞬动型开关，只有在被按下时才会接通电路；手一松开，电路便会立即断开。例子：门铃按钮。
• 翘板开关（Rocker Switch）： 一种自锁型开关，可以在“开”与“关”两个固定位置之间来回切换，并一直保持该状态，直至再次被按动。例子：台扇的主电源开关。
• 微动开关（Micro Switch）： 一种极为灵敏的开关，只需极小的物理外力即可触发。通常配有杠杆传动臂或滚轮。例子：用作检测微波炉门或打印机检修面板是否完全闭合。
• 干簧管开关（Reed Switch）： 密封在玻璃管内的开关，内含两片具磁性的金属簧片。当外在磁铁靠近时，磁场会将触点吸合，使电路接通。例子：门窗防盗报警器（安装在活动窗框上的磁铁会触发装在窗框边缘的开关）。
输入装置重点回顾： 传感器（LDR、热敏电阻、湿度传感器）能自动对光、热、湿度等物理变量作出反应；开关（翘板开关、PTM、微动开关、干簧管开关）则通过人工触摸、机械碰撞或磁场来接通或断开电路。
---3. 控制与处理装置
处理装置负责接收来自输入端的信号，对信号进行调整或进行逻辑判断，然后再向输出端发出相应的信号。
A. 无源控制元件
• 固定电阻（Fixed Resistors）： 用于阻碍并限制电路中电流流动的元件。它们能保护脆弱的部件（例如 LED），避免因电流过大而烧毁。
• 可变电阻（Variable Resistors）： 可以手动调节电阻值的元件（例如旋钮或推杆形式）。常用于电路微调，例如调节音响音量或校准传感器的灵敏度阈值。
B. 有源开关与放大元件
• 双极型晶体管（Bipolar Transistor）： 一种半导体元件，可充当电子开关或信号放大器。只要在基极（base）输入极微弱的电流，就能控制集电极（collector）与发射极（emitter）之间流过大得多的电流，让微弱的传感器信号得以驱动较大的元件。
• 继电器（Relay）： 一种机电开关，利用电磁铁产生的吸力来物理闭合触点。继电器能让低电压、低功率的电子电路（如 5V 微控制器），安全地控制高电压、高电流的电路（如 230V 市电电暖气），同时保持两者完全电气隔离。
C. 可编程处理单元
• 微处理器（Microprocessor）： 仅包含中央处理器（CPU）的集成电路。必须外接内存芯片（RAM/ROM）及输入／输出控制接口才能运作，主要用于处理复杂庞大的运算工作。
• 微控制器／PIC（外设接口控制器）： 整合在单一芯片上的“微型计算机”。它将处理器核心、内存以及可编程的输入／输出引脚全部集成于一体。微控制器可以通过流程图或编程代码来读取输入、执行延迟、循环与条件判断，并直接控制输出端。广泛应用于洗衣机、汽车电子控制单元和微波炉中。
处理装置重点回顾： 电阻负责调控电流；晶体管可放大或切换微弱电流；继电器利用磁性安全开关大功率电路；而微控制器／PIC 则在单一芯片上提供灵活的可编程智能决策。
---4. 输出装置
输出装置负责将电能转换回我们在现实世界中看得见、听得见或感受得到的物理现象：光、声音或物理动作。
• 蜂鸣器（Buzzer）： 一种音频发声装置，发出单一固定频率的嗡嗡声或哔哔声。非常适合用于报警器、计时器及无须高保真音质的警告提示。
• 发光二极管（LED）： 当电流以正向流过时会发光的半导体光源。与传统白炽灯泡相比，LED 能源效率极高、发热量极少、能瞬间启动，而且寿命极长。广泛应用于指示灯、显示屏及家居照明。
• 扬声器（Loudspeaker）： 一种电声转换器，利用内部的音圈与永磁体带动弹性振膜振动，将变化的音频电信号转换成涵盖宽广音频范围的声波（如人声、音乐、多音阶警报）。
• 电动机／马达（DC Electric Motor）： 一种将电能转换为连续旋转动能的执行器（actuator）。电动机为车轮、散热风扇、电钻及传送带提供动力。
输出装置重点回顾： 蜂鸣器提供固定的警示提示音；扬声器能还原多样化的声音；LED 提供高效且具方向性的光源；电动机则产生持续的旋转动作。
---5. 系统材料的工作特性
电子系统所使用的元件，极大程度上取决于以下几项独特的物理与电气特性：
• 导电性（Electrical Conductivity）： 材料让电荷自由流过的能力。由于铜具备极高电导率且电阻极低，它是制作元件引脚、导线及印制电路板（PCB）导电铜箔走线的首选材料。
• 绝缘性（Electrical Insulation）： 阻止电流通过的材料特性。聚合物（例如电线外皮的 PVC 塑料和 FR4 环氧玻璃纤维板）能将各个导体隔开，防止短路并保护使用者免受触电危险。
• 半导体特性（Semiconductor Properties）： 导电能力介于导体与绝缘体之间的材料（主要是硅）。工程师通过化学掺杂处理硅，制造出二极管、晶体管、LED 及集成电路（微控制器），精准控制、导向或放大电流。
• 磁性（Magnetic Properties）： 广泛应用于继电器、扬声器和电动机中，利用电磁场与永磁体或铁磁衔铁之间的相互作用来产生机械运动。
6. 原材料来源、产地与环境足迹
制造电子系统所需的材料对生态和社会带来重大影响，这是每位设计师都必须慎重评估的课题：
A. 原材料开采与加工
• 半导体与金属： 硅是由石英砂经高温、高耗能的电弧炉提炼而成。贵金属与贱金属——包括铜（用于导线和 PCB 走线）、金（用于防腐蚀的微芯片键合线）以及稀土元素（如用于扬声器及电动机磁铁的钕）——都需要经过露天开采和繁复的化学提纯工序。
• 聚合物： 用于元件封装、开关外壳及电线绝缘层的树脂和塑料，主要提炼自原油精炼过程。
B. 生态与社会足迹
• 生境破坏与污染： 金属采矿消耗大量能源与水资源，若管理不善，更会产生有毒尾矿及化学污染物。
• 电子废物（E-Waste）： 废弃的电子产品带来严峻的处置难题。大量电子元件被永久焊接在电路板上，使分类和拆解回收变得非常困难且耗费大量人力。
• 垃圾填埋场毒素渗漏： 含有重金属或阻燃塑料的废弃电子系统若被直接送往填埋场，而非专业的电子废物回收设施，有害物质可能会随雨水渗入地下水层。
• 资源枯竭： 微芯片和电动机中使用的多种特种金属在全球的储量非常有限，这促使设计师必须采用模块化设计，以便日后进行维修、重用和回收。
7. 快速复习：核心元件配对小结
利用以下的核心系统元件总结，测试一下自己的理解程度吧：
• 光敏电阻（LDR）： 光照越强，电阻越低（输入装置）。
• 热敏电阻（Thermistor）： 温度越高，电阻越低（输入装置）。
• 湿度传感器（Moisture Sensor）： 湿润时探针之间导电（输入装置）。
• 干簧管开关（Reed Switch）： 靠近磁场时触点闭合接通（输入装置）。
• 微动开关（Micro Switch）： 受到微小外力触碰即可机械式触发（输入装置）。
• 固定／可变电阻： 限制或调节电路中的电流（控制／处理装置）。
• 双极型晶体管： 电子开关或微弱信号放大器（控制／处理装置）。
• 继电器： 隔离低功率控制端与高功率负载端的机电开关（控制／处理装置）。
• 微控制器／PIC： 执行逻辑程序的单芯片微型计算机（控制／处理装置）。
• 蜂鸣器／扬声器： 将电信号转换为声音（输出装置）。
• 发光二极管（LED）： 高效将电能直接转换为光能（输出装置）。
• 电动机／马达： 将电能转换为连续旋转的机械动能（输出装置）。