基于555时基电路的运动控制延时模块

叶何

摘要：555时基电路是一种应用十分广泛的中规模模数集成电路，该文首先介绍了时基电路的工作原理，再讨论了时基电路的两种典型工作模式：单稳态触发器模式、多谐振荡器模式。通过两个时基电路设计了一种延时运动控制模块，该模块在笔者当前研究的项目中发挥了重要作用，模块结构简单、设计巧妙，在运动控制领域具有一定参考价值。

关键词：555时基电路；集成电路；单稳态触发器；多谐振荡器

中图分类号：TP332 文献标识码：A 文章编号：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时基电路是由模拟电路和数字电路构成的集成混合电路，是一种能够产生时间基准和完成各种定时或延迟功能的非线性集成电路[1]。通过外接RC电路可非常方便的构成单双稳态触发器、多谐振荡器以及施密特触发器，时基电路广泛应用于延时、定时、电平转换和自动控制领域[2]。本文通过将两个555时基电路设计成可重复触发单稳态触发器和多谐振荡器构成了可以延时控制的运动模块。

2 时基电路工作原理

图1为时基电路内部原理框图，它主要由电压比较器A1和A2、RS触发器和集电极开路的放电三极管构成。

Vi1和Vi2分别为时基电路的阀值端和触发端，其比较基准电压由VCC经三个5kΩ分压电阻网络给出，两电压比较器的输出作为基本RS触发器的置“0”与置“1”信号，输出驱动级和放电管VT则由RS触发器控制[1]。

通过分析时基电路内部结构图和表1提供的时基电路真值表可知：

①当[Vi1（TH）≥23VCC，Vi2（/TR）>13VCC]时，A1比较器输出为高电平，RS触发器置“0”，V0输出低电平，放电三极管VT导通，DISC端为低电平。

②当[Vi1（TH）<23VCC，Vi2（/TR）≤13VCC]时，A2比较器输出为高电平，RS触发器置“1”，V0输出高电平，放电三极管VT截止，DISC端为高电平。

③/RD为置零输入端（复位端），当/RD=0时，V0=0、DISC=0，电路不受输入状态影响，因此电路正常工作时需要将/RD置“1”。

3 可重复触发单稳态触发器

单稳态触发器是指具有一个稳定态和一个暂稳态，静止期间电路长期处于稳定状态的电路，该电路在外界加入触发信号时发生翻转，电路由稳态变为暂稳态，保持一段时间后，电路又变回稳态，暂稳态持续的时间Tw主要由定时元件的参数决定，忽略放电管VT的饱和压降，电容C从零电位充电到[23VCC]的时间为输出电压V0的脉宽Tw。电路可产生几微秒到数分钟的脉冲宽度，精度可达0.1%。

如图2所示为单稳态触发器原理图，对照图3单稳态触发器波形图分析可知，当在Vi输入端加入一个负脉冲，A2比较器输入端电位瞬时低于[13VCC]，放电管VT截止，电容C开始按指数规律充电，当Vc两端电压值达到[23VCC]时，A1比较器输出高电平，放电管VT导通，电容C按指数规律放电，触发器输出低电位，在电容C充电过程中，如果外界再次输入负脉冲触发信号，触发器输出端电位不受影响。

通过在定时电容C两端并入三极管可将电路变为可重复触发的单稳态触发器，电路在暂稳态期间如果再次被触发，只要两触发脉冲的时间间隙小于暂稳态持续时间Tw，暂稳态将被延续，通过多次重復触发可获得持续时间更长的输出脉冲宽度。如图4与图5所示分别为可重复触发单稳态触发器原理图和波形图，在Vi输入负向脉冲后，触发器内部放电管VT截止，外部三极管T导通，电容C迅速通过外部三极管导通放电，负脉冲撤销后，电容C按指数规律充电，在电容C两端电压Vc未到[23VCC]时，如果Vi端再次输入负向脉冲，外部三极管导通，电容C两端迅速降为零电位，输出端V0维持暂稳态高电位，只有两次触发脉冲的间隙小于输出脉宽Tw时间间距时，电路才能恢复至稳定状态[3]。

4 多谐振荡器

多谐振荡器属于自激振荡电路，在无需外接触发信号的情况下能产生一定频率的矩形脉冲或方波，如图6所示，由于定时电容C的充放电路径不一样，一般多谐振荡器的输出波形是不对称的。图6所示电路上电后，电流经R1、R2向电容C充电，当电容C两端电压达到[23VCC]时，振荡器内部放电管导通，电容C经电阻R2放电，多谐振荡器输出状态翻转，当电容C放电至两端电压为[13VCC]时，振荡器输出状态再次反转，电流再次经R1和R2向电容充电，一直重复上述动作便构成了多谐振荡器电路，多谐振荡器振荡周期为T。endprint

5 运动延时模块

通过将上述介绍的两种时基电路组合可用于设计运动控制延时电路，如图7所示，该电路由两个555分别组成可重复触发单稳态触发器和多谐振荡器、一个与非门和一个功率放大器组成，电路通过电磁阀控制运动设备。图8为该电路A、B、C、D处的波形图，由图可以看出，当输入端口A引入负向脉冲后，U1在脉冲撤出后发生翻转，在输出端B出输出高电平，高电平直接加载至U2的4号复位引脚，U2构成的振荡器開始工作，在端口C处输出振荡高电平，高电平经S9013和与非门后将C处电位进行了翻转，在D处形成与C相反的电位，二输入与非门的另一输入引脚连接至U1的输出端，D处信号无法直接驱动三极管工作，因而将D处信号引入功率放大器TD2822，功率放大器的灵敏度可通过电阻R7进行微调，放大器输出信号通过限流电阻R8后直接驱动三极管S9013，S9013再通过继电器控制外部运动机构，如气缸、阀门等。

本控制模块的主要优点在于MCU发出执行指令后可通过时基电路进行一定时间的延时在执行相应的操作，从而不需要经过软件Delay函数实现此功能，有助于提高处理器的利用率，并且不占据用MCU资源。此电路在笔者前期做的颜色体识别分选控制系统中起到了关键作用，颜色体经过摄像头识别区域后需要经过一段距离到达分选机构，由于机械设计结构问题，颜色体识别完后不能马上分练，因此识别完成后需要经过一定时间延时来控制分选机构挑选颜色体，这段延时最简答的实现方案是通过MCU定时器硬件单元控制，可在上述系统中由于硬件开发成本限制，处理器中的所有定时器已用于处理其他事件，因而无法通过此方案实现。本电路通过组合两种不同工作模式时基电路构成了一个简答可靠的硬件延时模块。

6 结束语

555时基单元通过不同的连接方式和外部电路可形成多种工作模式，本文介绍的运动控制模块通过在555定时器外部接入少量的阻容元件构成了单稳态和多谐振荡单元，通过其产生的延时信号可方便的控制其他设备系统，经笔者在前期项目开发过程中的运用验证，该运动控制模块运行稳定、可靠，可用于延时控制领域。

参考文献：

[1] 门宏.双色图解电子电路全掌握[M].北京：化学工业出版社，2014：170-190.

[2] 刘浩. 555时基电路原理及应用探讨[J]. 电子世界， 2014（11）：31-31.

[3] 555定时器的工作模式及其应用

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

[4] 吴益辉. 一种时基电路的工作模式及应用[J]. 电子世界， 2014（6）：213-213.

[5] 何香玲. 555时基电路的研究与应用[J]. 电子技术， 2009， 46（5）：13-16.endprint