基于555時(shí)基電路的運(yùn)動(dòng)控制延時(shí)模塊

葉何

摘要：555時(shí)基電路是一種應(yīng)用十分廣泛的中規(guī)模模數(shù)集成電路，該文首先介紹了時(shí)基電路的工作原理，再討論了時(shí)基電路的兩種典型工作模式：?jiǎn)畏€(wěn)態(tài)觸發(fā)器模式、多諧振蕩器模式。通過(guò)兩個(gè)時(shí)基電路設(shè)計(jì)了一種延時(shí)運(yùn)動(dòng)控制模塊，該模塊在筆者當(dāng)前研究的項(xiàng)目中發(fā)揮了重要作用，模塊結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、設(shè)計(jì)巧妙，在運(yùn)動(dòng)控制領(lǐng)域具有一定參考價(jià)值。

關(guān)鍵詞：555時(shí)基電路；集成電路；單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器；多諧振蕩器

中圖分類號(hào)：TP332 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-3044（2017）28-0239-03

Abstract：555 time base circuit is an integrated circuit module which is widely used， this paper introduces the working principle of the circuit， and then discusses two typical modes： time base circuit monostable trigger mode and multivibrator mode. A delay motion control module was designed by two time base circuit， the module has played an important role in the current research project， the module has the advantages of simple structure， ingenious design， in the field of motion control has a certain reference value.

Key words： 555 time base circuit； integrated circuit （IC）； monostable trigger； multivibrator

1 概述

555時(shí)基電路是由模擬電路和數(shù)字電路構(gòu)成的集成混合電路，是一種能夠產(chǎn)生時(shí)間基準(zhǔn)和完成各種定時(shí)或延遲功能的非線性集成電路[1]。通過(guò)外接RC電路可非常方便的構(gòu)成單雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器、多諧振蕩器以及施密特觸發(fā)器，時(shí)基電路廣泛應(yīng)用于延時(shí)、定時(shí)、電平轉(zhuǎn)換和自動(dòng)控制領(lǐng)域[2]。本文通過(guò)將兩個(gè)555時(shí)基電路設(shè)計(jì)成可重復(fù)觸發(fā)單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器和多諧振蕩器構(gòu)成了可以延時(shí)控制的運(yùn)動(dòng)模塊。

2 時(shí)基電路工作原理

圖1為時(shí)基電路內(nèi)部原理框圖，它主要由電壓比較器A1和A2、RS觸發(fā)器和集電極開路的放電三極管構(gòu)成。

Vi1和Vi2分別為時(shí)基電路的閥值端和觸發(fā)端，其比較基準(zhǔn)電壓由VCC經(jīng)三個(gè)5kΩ分壓電阻網(wǎng)絡(luò)給出，兩電壓比較器的輸出作為基本RS觸發(fā)器的置“0”與置“1”信號(hào)，輸出驅(qū)動(dòng)級(jí)和放電管VT則由RS觸發(fā)器控制[1]。

通過(guò)分析時(shí)基電路內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖和表1提供的時(shí)基電路真值表可知：

①當(dāng)[Vi1（TH）≥23VCC，Vi2（/TR）>13VCC]時(shí)，A1比較器輸出為高電平，RS觸發(fā)器置“0”，V0輸出低電平，放電三極管VT導(dǎo)通，DISC端為低電平。

②當(dāng)[Vi1（TH）<23VCC，Vi2（/TR）≤13VCC]時(shí)，A2比較器輸出為高電平，RS觸發(fā)器置“1”，V0輸出高電平，放電三極管VT截止，DISC端為高電平。

③/RD為置零輸入端（復(fù)位端），當(dāng)/RD=0時(shí)，V0=0、DISC=0，電路不受輸入狀態(tài)影響，因此電路正常工作時(shí)需要將/RD置“1”。

3 可重復(fù)觸發(fā)單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器

單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器是指具有一個(gè)穩(wěn)定態(tài)和一個(gè)暫穩(wěn)態(tài)，靜止期間電路長(zhǎng)期處于穩(wěn)定狀態(tài)的電路，該電路在外界加入觸發(fā)信號(hào)時(shí)發(fā)生翻轉(zhuǎn)，電路由穩(wěn)態(tài)變?yōu)闀悍€(wěn)態(tài)，保持一段時(shí)間后，電路又變回穩(wěn)態(tài)，暫穩(wěn)態(tài)持續(xù)的時(shí)間Tw主要由定時(shí)元件的參數(shù)決定，忽略放電管VT的飽和壓降，電容C從零電位充電到[23VCC]的時(shí)間為輸出電壓V0的脈寬Tw。電路可產(chǎn)生幾微秒到數(shù)分鐘的脈沖寬度，精度可達(dá)0.1%。

如圖2所示為單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器原理圖，對(duì)照?qǐng)D3單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器波形圖分析可知，當(dāng)在Vi輸入端加入一個(gè)負(fù)脈沖，A2比較器輸入端電位瞬時(shí)低于[13VCC]，放電管VT截止，電容C開始按指數(shù)規(guī)律充電，當(dāng)Vc兩端電壓值達(dá)到[23VCC]時(shí)，A1比較器輸出高電平，放電管VT導(dǎo)通，電容C按指數(shù)規(guī)律放電，觸發(fā)器輸出低電位，在電容C充電過(guò)程中，如果外界再次輸入負(fù)脈沖觸發(fā)信號(hào)，觸發(fā)器輸出端電位不受影響。

通過(guò)在定時(shí)電容C兩端并入三極管可將電路變?yōu)榭芍貜?fù)觸發(fā)的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器，電路在暫穩(wěn)態(tài)期間如果再次被觸發(fā)，只要兩觸發(fā)脈沖的時(shí)間間隙小于暫穩(wěn)態(tài)持續(xù)時(shí)間Tw，暫穩(wěn)態(tài)將被延續(xù)，通過(guò)多次重復(fù)觸發(fā)可獲得持續(xù)時(shí)間更長(zhǎng)的輸出脈沖寬度。如圖4與圖5所示分別為可重復(fù)觸發(fā)單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器原理圖和波形圖，在Vi輸入負(fù)向脈沖后，觸發(fā)器內(nèi)部放電管VT截止，外部三極管T導(dǎo)通，電容C迅速通過(guò)外部三極管導(dǎo)通放電，負(fù)脈沖撤銷后，電容C按指數(shù)規(guī)律充電，在電容C兩端電壓Vc未到[23VCC]時(shí)，如果Vi端再次輸入負(fù)向脈沖，外部三極管導(dǎo)通，電容C兩端迅速降為零電位，輸出端V0維持暫穩(wěn)態(tài)高電位，只有兩次觸發(fā)脈沖的間隙小于輸出脈寬Tw時(shí)間間距時(shí)，電路才能恢復(fù)至穩(wěn)定狀態(tài)[3]。

4 多諧振蕩器

多諧振蕩器屬于自激振蕩電路，在無(wú)需外接觸發(fā)信號(hào)的情況下能產(chǎn)生一定頻率的矩形脈沖或方波，如圖6所示，由于定時(shí)電容C的充放電路徑不一樣，一般多諧振蕩器的輸出波形是不對(duì)稱的。圖6所示電路上電后，電流經(jīng)R1、R2向電容C充電，當(dāng)電容C兩端電壓達(dá)到[23VCC]時(shí)，振蕩器內(nèi)部放電管導(dǎo)通，電容C經(jīng)電阻R2放電，多諧振蕩器輸出狀態(tài)翻轉(zhuǎn)，當(dāng)電容C放電至兩端電壓為[13VCC]時(shí)，振蕩器輸出狀態(tài)再次反轉(zhuǎn)，電流再次經(jīng)R1和R2向電容充電，一直重復(fù)上述動(dòng)作便構(gòu)成了多諧振蕩器電路，多諧振蕩器振蕩周期為T。endprint

5 運(yùn)動(dòng)延時(shí)模塊

通過(guò)將上述介紹的兩種時(shí)基電路組合可用于設(shè)計(jì)運(yùn)動(dòng)控制延時(shí)電路，如圖7所示，該電路由兩個(gè)555分別組成可重復(fù)觸發(fā)單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器和多諧振蕩器、一個(gè)與非門和一個(gè)功率放大器組成，電路通過(guò)電磁閥控制運(yùn)動(dòng)設(shè)備。圖8為該電路A、B、C、D處的波形圖，由圖可以看出，當(dāng)輸入端口A引入負(fù)向脈沖后，U1在脈沖撤出后發(fā)生翻轉(zhuǎn)，在輸出端B出輸出高電平，高電平直接加載至U2的4號(hào)復(fù)位引腳，U2構(gòu)成的振蕩器開始工作，在端口C處輸出振蕩高電平，高電平經(jīng)S9013和與非門后將C處電位進(jìn)行了翻轉(zhuǎn)，在D處形成與C相反的電位，二輸入與非門的另一輸入引腳連接至U1的輸出端，D處信號(hào)無(wú)法直接驅(qū)動(dòng)三極管工作，因而將D處信號(hào)引入功率放大器TD2822，功率放大器的靈敏度可通過(guò)電阻R7進(jìn)行微調(diào)，放大器輸出信號(hào)通過(guò)限流電阻R8后直接驅(qū)動(dòng)三極管S9013，S9013再通過(guò)繼電器控制外部運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)，如氣缸、閥門等。

本控制模塊的主要優(yōu)點(diǎn)在于MCU發(fā)出執(zhí)行指令后可通過(guò)時(shí)基電路進(jìn)行一定時(shí)間的延時(shí)在執(zhí)行相應(yīng)的操作，從而不需要經(jīng)過(guò)軟件Delay函數(shù)實(shí)現(xiàn)此功能，有助于提高處理器的利用率，并且不占據(jù)用MCU資源。此電路在筆者前期做的顏色體識(shí)別分選控制系統(tǒng)中起到了關(guān)鍵作用，顏色體經(jīng)過(guò)攝像頭識(shí)別區(qū)域后需要經(jīng)過(guò)一段距離到達(dá)分選機(jī)構(gòu)，由于機(jī)械設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)問題，顏色體識(shí)別完后不能馬上分練，因此識(shí)別完成后需要經(jīng)過(guò)一定時(shí)間延時(shí)來(lái)控制分選機(jī)構(gòu)挑選顏色體，這段延時(shí)最簡(jiǎn)答的實(shí)現(xiàn)方案是通過(guò)MCU定時(shí)器硬件單元控制，可在上述系統(tǒng)中由于硬件開發(fā)成本限制，處理器中的所有定時(shí)器已用于處理其他事件，因而無(wú)法通過(guò)此方案實(shí)現(xiàn)。本電路通過(guò)組合兩種不同工作模式時(shí)基電路構(gòu)成了一個(gè)簡(jiǎn)答可靠的硬件延時(shí)模塊。

6 結(jié)束語(yǔ)

555時(shí)基單元通過(guò)不同的連接方式和外部電路可形成多種工作模式，本文介紹的運(yùn)動(dòng)控制模塊通過(guò)在555定時(shí)器外部接入少量的阻容元件構(gòu)成了單穩(wěn)態(tài)和多諧振蕩單元，通過(guò)其產(chǎn)生的延時(shí)信號(hào)可方便的控制其他設(shè)備系統(tǒng)，經(jīng)筆者在前期項(xiàng)目開發(fā)過(guò)程中的運(yùn)用驗(yàn)證，該運(yùn)動(dòng)控制模塊運(yùn)行穩(wěn)定、可靠，可用于延時(shí)控制領(lǐng)域。

參考文獻(xiàn)：

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[EB/OL].http：//www.elecfans.com/article/88/131/555/2017/20170523518597.html

[4] 吳益輝. 一種時(shí)基電路的工作模式及應(yīng)用[J]. 電子世界， 2014（6）：213-213.

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