基于555時基電路的運動控制延時模塊

葉何

摘要：555時基電路是一種應用十分廣泛的中規模模數集成電路，該文首先介紹了時基電路的工作原理，再討論了時基電路的兩種典型工作模式：單穩態觸發器模式、多諧振蕩器模式。通過兩個時基電路設計了一種延時運動控制模塊，該模塊在筆者當前研究的項目中發揮了重要作用，模塊結構簡單、設計巧妙，在運動控制領域具有一定參考價值。

關鍵詞：555時基電路；集成電路；單穩態觸發器；多諧振蕩器

中圖分類號：TP332 文獻標識碼：A 文章編號：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時基電路是由模擬電路和數字電路構成的集成混合電路，是一種能夠產生時間基準和完成各種定時或延遲功能的非線性集成電路[1]。通過外接RC電路可非常方便的構成單雙穩態觸發器、多諧振蕩器以及施密特觸發器，時基電路廣泛應用于延時、定時、電平轉換和自動控制領域[2]。本文通過將兩個555時基電路設計成可重復觸發單穩態觸發器和多諧振蕩器構成了可以延時控制的運動模塊。

2 時基電路工作原理

圖1為時基電路內部原理框圖，它主要由電壓比較器A1和A2、RS觸發器和集電極開路的放電三極管構成。

Vi1和Vi2分別為時基電路的閥值端和觸發端，其比較基準電壓由VCC經三個5kΩ分壓電阻網絡給出，兩電壓比較器的輸出作為基本RS觸發器的置“0”與置“1”信號，輸出驅動級和放電管VT則由RS觸發器控制[1]。

通過分析時基電路內部結構圖和表1提供的時基電路真值表可知：

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

②當[Vi1（TH）<23VCC，Vi2（/TR）≤13VCC]時，A2比較器輸出為高電平，RS觸發器置“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（復位端），當/RD=0時，V0=0、DISC=0，電路不受輸入狀態影響，因此電路正常工作時需要將/RD置“1”。

3 可重復觸發單穩態觸發器

單穩態觸發器是指具有一個穩定態和一個暫穩態，靜止期間電路長期處于穩定狀態的電路，該電路在外界加入觸發信號時發生翻轉，電路由穩態變為暫穩態，保持一段時間后，電路又變回穩態，暫穩態持續的時間Tw主要由定時元件的參數決定，忽略放電管VT的飽和壓降，電容C從零電位充電到[23VCC]的時間為輸出電壓V0的脈寬Tw。電路可產生幾微秒到數分鐘的脈沖寬度，精度可達0.1%。

如圖2所示為單穩態觸發器原理圖，對照圖3單穩態觸發器波形圖分析可知，當在Vi輸入端加入一個負脈沖，A2比較器輸入端電位瞬時低于[13VCC]，放電管VT截止，電容C開始按指數規律充電，當Vc兩端電壓值達到[23VCC]時，A1比較器輸出高電平，放電管VT導通，電容C按指數規律放電，觸發器輸出低電位，在電容C充電過程中，如果外界再次輸入負脈沖觸發信號，觸發器輸出端電位不受影響。

通過在定時電容C兩端并入三極管可將電路變為可重復觸發的單穩態觸發器，電路在暫穩態期間如果再次被觸發，只要兩觸發脈沖的時間間隙小于暫穩態持續時間Tw，暫穩態將被延續，通過多次重復觸發可獲得持續時間更長的輸出脈沖寬度。如圖4與圖5所示分別為可重復觸發單穩態觸發器原理圖和波形圖，在Vi輸入負向脈沖后，觸發器內部放電管VT截止，外部三極管T導通，電容C迅速通過外部三極管導通放電，負脈沖撤銷后，電容C按指數規律充電，在電容C兩端電壓Vc未到[23VCC]時，如果Vi端再次輸入負向脈沖，外部三極管導通，電容C兩端迅速降為零電位，輸出端V0維持暫穩態高電位，只有兩次觸發脈沖的間隙小于輸出脈寬Tw時間間距時，電路才能恢復至穩定狀態[3]。

4 多諧振蕩器

多諧振蕩器屬于自激振蕩電路，在無需外接觸發信號的情況下能產生一定頻率的矩形脈沖或方波，如圖6所示，由于定時電容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稱的。圖6所示電路上電后，電流經R1、R2向電容C充電，當電容C兩端電壓達到[23VCC]時，振蕩器內部放電管導通，電容C經電阻R2放電，多諧振蕩器輸出狀態翻轉，當電容C放電至兩端電壓為[13VCC]時，振蕩器輸出狀態再次反轉，電流再次經R1和R2向電容充電，一直重復上述動作便構成了多諧振蕩器電路，多諧振蕩器振蕩周期為T。endprint

5 運動延時模塊

通過將上述介紹的兩種時基電路組合可用于設計運動控制延時電路，如圖7所示，該電路由兩個555分別組成可重復觸發單穩態觸發器和多諧振蕩器、一個與非門和一個功率放大器組成，電路通過電磁閥控制運動設備。圖8為該電路A、B、C、D處的波形圖，由圖可以看出，當輸入端口A引入負向脈沖后，U1在脈沖撤出后發生翻轉，在輸出端B出輸出高電平，高電平直接加載至U2的4號復位引腳，U2構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S9013和與非門后將C處電位進行了翻轉，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處信號無法直接驅動三極管工作，因而將D處信號引入功率放大器TD2822，功率放大器的靈敏度可通過電阻R7進行微調，放大器輸出信號通過限流電阻R8后直接驅動三極管S9013，S9013再通過繼電器控制外部運動機構，如氣缸、閥門等。

本控制模塊的主要優點在于MCU發出執行指令后可通過時基電路進行一定時間的延時在執行相應的操作，從而不需要經過軟件Delay函數實現此功能，有助于提高處理器的利用率，并且不占據用MCU資源。此電路在筆者前期做的顏色體識別分選控制系統中起到了關鍵作用，顏色體經過攝像頭識別區域后需要經過一段距離到達分選機構，由于機械設計結構問題，顏色體識別完后不能馬上分練，因此識別完成后需要經過一定時間延時來控制分選機構挑選顏色體，這段延時最簡答的實現方案是通過MCU定時器硬件單元控制，可在上述系統中由于硬件開發成本限制，處理器中的所有定時器已用于處理其他事件，因而無法通過此方案實現。本電路通過組合兩種不同工作模式時基電路構成了一個簡答可靠的硬件延時模塊。

6 結束語

555時基單元通過不同的連接方式和外部電路可形成多種工作模式，本文介紹的運動控制模塊通過在555定時器外部接入少量的阻容元件構成了單穩態和多諧振蕩單元，通過其產生的延時信號可方便的控制其他設備系統，經筆者在前期項目開發過程中的運用驗證，該運動控制模塊運行穩定、可靠，可用于延時控制領域。

參考文獻：

[1] 門宏.雙色圖解電子電路全掌握[M].北京：化學工業出版社，2014：170-190.

[2] 劉浩. 555時基電路原理及應用探討[J]. 電子世界， 2014（11）：31-31.

[3] 555定時器的工作模式及其應用

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

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

[5] 何香玲. 555時基電路的研究與應用[J]. 電子技術， 2009， 46（5）：13-16.endprint