雙色閃光燈電路PROTEUS軟件仿真與制作

黃鶴

（吉林工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院信息工程學(xué)院，吉林 吉林 132013）

1 引言

555 定時(shí)器元件的應(yīng)用非常廣泛，尤其是適用于電子電路和單片機(jī)電路中，因此熟練應(yīng)用555 定時(shí)器具有重要意義。

2 555 構(gòu)成多諧振蕩電路

555 定時(shí)器是一種模擬與數(shù)字混合型的集成電路，通過(guò)外加電阻、電容等元件可以構(gòu)成單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器、施密特觸發(fā)器和多諧振蕩器等電路，因此在電子信息工程專業(yè)教學(xué)中被廣泛使用。555 定時(shí)器的管腳如圖1所示。

圖1 555管腳圖

555 定時(shí)器一般有三種工作模式：?jiǎn)畏€(wěn)態(tài)、無(wú)穩(wěn)態(tài)和雙穩(wěn)態(tài)模式。采用無(wú)穩(wěn)態(tài)模式可以構(gòu)成多諧振蕩器，而多諧振蕩器電路不需要外加觸發(fā)信號(hào)即可發(fā)出矩形波。雙色燈閃光電路采用多諧振蕩電路構(gòu)成，電路工作過(guò)程與參數(shù)計(jì)算如下。

2.1 電路工作過(guò)程

圖2為多諧振蕩器電路。電源端Vcc 接6 V電源，在電源端Vcc（管腳8）與放電端（管腳7）之間接電阻，在管腳7 與觸發(fā)輸入端（管腳2）之間接電阻R2，管腳2 與閾值輸入端（管腳6）直接相連。在輸出端（3 號(hào)管腳）和電源間接一個(gè)黃色LED，在輸出端（3 號(hào)管腳）和地之間再接一個(gè)綠色LED。

圖2 555控制雙色燈閃光電路圖

接通電源時(shí)，電源Vcc 通過(guò)電阻R1和R2向電解電容器C1 充電，電容C1 端電壓uC逐漸增大。當(dāng)電壓升高到2/3Vcc 時(shí)，輸出端uo 跳變?yōu)榈碗娖剑? 號(hào)管腳放電端DC導(dǎo)通，此時(shí)電容器C1 通過(guò)電阻R2和DC 端放電，使uC 逐漸下降；當(dāng)電壓降到1/3Vcc 時(shí)，uo 跳變到高電平，DC 端截止，電源Vcc 又通過(guò)R1和R2向電容器C1 充電。如此循環(huán)往復(fù)，uo 端輸出交替變換的高低電平，電容器C1 在1/3Vcc 和2/3Vcc 之間充電和放電，輸出連續(xù)的矩形脈沖信號(hào)。

2.2 電路參數(shù)計(jì)算

2.2.1 充放電時(shí)間計(jì)算

脈沖信號(hào)的頻率可以通過(guò)充放電時(shí)間計(jì)算。充電時(shí)，電流自電源Vcc 流出，通過(guò)電阻R1和R2向電解電容器C1 充電，t充電=0.7（R1+R2）C。放電時(shí)，電流自電容C 流出，經(jīng)過(guò)電阻R2和放電端構(gòu)成回路，t放電=0.7R2C。

電阻R1選用100 kΩ，R2選用200 kΩ，電容選用10μF，計(jì)算如下：

充電時(shí)間：t充電=0.7（R1+R2）C=0.7×300×103×10×10-6=2.1（s）

放電時(shí)間：t放電=0.7R2C=0.7×200×103×10×10-6=1.4（s）

2.2.2 LED 電流計(jì)算

電路采用普通發(fā)光二極管，一般5～20 mA 的電流能驅(qū)動(dòng)發(fā)光二極管。電路中采用1 kΩ 電阻作為限流電阻。

電流：I1=I2=6×10-3=6（mA）

3 電路仿真

3.1 放置元件

先在對(duì)象拾取區(qū)選擇“元件模式”，再點(diǎn)擊工具欄中P 按鍵，然后輸入元件名稱，具體內(nèi)容如表1所示。

表1 元件清單

3.2 設(shè)置元件參數(shù)

電阻元件和電容元件的參數(shù)設(shè)置如表1所示。

3.3 放置電源和接地端

放置電源時(shí)，先在對(duì)象拾取區(qū)找到“激勵(lì)源模式”工具，再單擊放置激勵(lì)源，然后雙擊激勵(lì)源設(shè)置參數(shù)，并將激勵(lì)源名設(shè)為6 V、模擬類型選擇“直流電”、Voltage 設(shè)定為6 V。

放置接地端時(shí)，先在對(duì)象拾取區(qū)找到“終端模式”，再在元器件瀏覽區(qū)中點(diǎn)擊GROUND。

3.4 仿真

先在對(duì)象拾取區(qū)選擇“虛擬儀器模式”工具，再將3 號(hào)管腳連接“OSCILLOSCOPE”示波器和電壓表，然后觀察LED 輪流點(diǎn)亮、記錄電壓值，最后觀察3 號(hào)管腳輸出波形。調(diào)整Vcc 數(shù)值，記錄輸出電壓值，如表2所示。

表2 電路調(diào)試數(shù)據(jù)

在仿真過(guò)程中，可以通過(guò)調(diào)整電阻的阻值和電容值來(lái)改變LED 閃爍時(shí)間，如黃燈亮2 s 滅1 s、綠燈滅2 s 亮1 s。

4 電路制作

電路經(jīng)過(guò)仿真調(diào)試好參數(shù)后，可以進(jìn)行電路制作。先畫(huà)電路PCB 圖，再插接元件，然后焊接電路，最后通電測(cè)試。

采用EDA 軟件畫(huà)出雙色燈的原理如圖3所示。由原理圖自動(dòng)轉(zhuǎn)換為PCB 圖并采用自動(dòng)布線的方式適當(dāng)調(diào)整，完成雙色燈PCB 的繪制，如圖4所示。

圖3 雙色燈原理圖

圖4 雙色燈PCB圖

4.1 電路元器件插裝

若沒(méi)有制版機(jī)，可以采用實(shí)驗(yàn)板焊接電路，按PCB 圖走線進(jìn)行布線焊接。在插裝元器件時(shí)，具體原則是先插裝需要機(jī)械固定的元器件，如大功率器件的散熱片、支架和固定卡子等，再按照由低矮元器件至較高元器件的順序插裝需要焊接固定的元器件。同時(shí)，應(yīng)盡量使其標(biāo)識(shí)向上或朝向易于識(shí)別的方向，并保證標(biāo)識(shí)的閱讀方向一致（從左到右或從上到下），這樣有利于電路檢查；對(duì)于水平安裝的元器件，應(yīng)該盡量使兩端引線長(zhǎng)度相等對(duì)稱，并將元器件放在兩個(gè)焊盤(pán)的中心，使排列整齊有序；對(duì)于垂直安裝的同類元器件，應(yīng)保證高度一、標(biāo)識(shí)一致并且朝外，這樣易于識(shí)別，而色環(huán)電阻的起始色環(huán)應(yīng)向上。另外，上端引線不宜過(guò)長(zhǎng)，以免與其他部件短路；具有極性的元器件要區(qū)分極性插裝。

本電路可以先插裝NE555，并注意將NE555 元器件缺口朝向左；再插電阻元件，保證元件橫平豎直擺放，電阻的起始色環(huán)應(yīng)朝向上；然后插接電容和發(fā)光二極管元件，并注意電解電容極性和發(fā)光二極管極性，其中長(zhǎng)腳為正極。為了防止元器件脫落，可以將元器件一個(gè)管腳固定，管腳較長(zhǎng)元器件則可以將管腳彎折。為了便于調(diào)試測(cè)量，元器件管腳應(yīng)留出3 mm 左右距離，即以能插入萬(wàn)用表表筆為宜。最后，NE555管腳短，不用預(yù)留距離。

4.2 電路元器件焊接

插裝完元器件后，就可進(jìn)行焊接。元件的焊接順序一般遵循先難后易、先低后高、先貼片后插裝的原則進(jìn)行。

由于管腳密集的集成芯片焊接難度較大，要先進(jìn)行焊接。首先焊接NE555 元件的1 號(hào)管腳和5 號(hào)管腳，圖4中紅線可以直接布線焊接，藍(lán)色導(dǎo)線則需要跳線，跳線時(shí)為防止折斷可以將導(dǎo)線鍍錫以防，也可以采用帶皮導(dǎo)線焊接跳線。焊接時(shí)，可以選用25 W電烙鐵。一只手握電烙鐵，另一只手拿焊錫絲。先將電烙鐵接觸元器件管腳，再將焊錫接觸烙鐵頭，同時(shí)控制時(shí)間最多停留3 s，即可形成一個(gè)焊點(diǎn)，焊點(diǎn)應(yīng)呈饅頭形狀且有光澤。值得注意的是焊接時(shí)間不宜過(guò)長(zhǎng)，否則焊點(diǎn)顏色容易變深而無(wú)光澤。一旦焊接時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，不僅容易燙壞元器件，還容易使焊盤(pán)脫落，因此必要時(shí)可以借助輔助工具。

焊接完畢，電烙鐵應(yīng)放在烙鐵架上，防止烙鐵頭燙壞烙鐵導(dǎo)線而發(fā)生短路；還應(yīng)將多余元器件管腳剪斷，然后整理實(shí)驗(yàn)臺(tái)；最后檢查電路，包括是否焊錯(cuò)點(diǎn)和線、檢查元器件是否損壞；當(dāng)一切正常時(shí)，就可以通電測(cè)試，用萬(wàn)用表測(cè)量輸出電壓，記錄數(shù)據(jù)，并用示波器觀察輸出波形，注意與仿真結(jié)果進(jìn)行比較。

5 結(jié)語(yǔ)

在制作電路前和無(wú)法實(shí)際調(diào)試電路時(shí)，通過(guò)PROTEUS 軟件可以對(duì)電路進(jìn)行仿真，從而驗(yàn)證電路的準(zhǔn)確性。因此，在線上教學(xué)常態(tài)化的趨勢(shì)下，熟練應(yīng)用PROTEUS 軟件既可以在無(wú)儀器設(shè)備情況下完成電路，讓學(xué)生掌握相關(guān)技術(shù)技能，又可以提升學(xué)生的職業(yè)素養(yǎng)，為學(xué)習(xí)和工作奠定堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。