555時(shí)基電路在玩具控制中的應(yīng)用

　　0 引言

　　控制類玩具在電子玩具中是最常見的一類。一件完整的控制類玩具包含控制器、傳輸介質(zhì)、接收器、信號(hào)處理和執(zhí)行機(jī)構(gòu)等五部分。其基本原理是控制器發(fā)出控制命令信號(hào)，并通過傳輸介質(zhì)被接收器接收，然后對接收的信號(hào)進(jìn)行處理，最后控制被控對象，使電子玩具產(chǎn)生需要的動(dòng)作。

　　555時(shí)基電路也稱555定時(shí)器，它是一種用途廣泛的數(shù)字和模擬集成電路，用它可以組成玩具電路中經(jīng)常用到的施密特觸發(fā)器、單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器、雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器和無穩(wěn)態(tài)多諧振蕩器等電路。本文結(jié)合我們組織高職學(xué)生進(jìn)行玩具設(shè)計(jì)以及在中學(xué)開展教具制作的實(shí)例，介紹555時(shí)基電路在玩具控制中的應(yīng)用，相信對于讀者在玩具設(shè)計(jì)中應(yīng)用電子技術(shù)有參考作用。

　　1 控制類玩具簡介

　　控制類玩具是電子玩具中最常見的一類?？刂祁愅婢叩目刂祁愋桶暱亍⒐饪亍⒋趴?、無線控制等。

　　聲控玩具是利用聲音信號(hào)控制玩具本體，使之產(chǎn)生動(dòng)作的一類玩具。該系統(tǒng)包括發(fā)聲器、聲電轉(zhuǎn)換電路、開關(guān)控制電路、執(zhí)行機(jī)構(gòu)和電源等。目前應(yīng)用的聲電轉(zhuǎn)換電路有駐極體話筒、壓電陶瓷片、高阻抗耳塞和永磁揚(yáng)聲器。壓電陶瓷片使用方便，價(jià)格低，但靈敏度不及駐極體話筒。電子玩具中應(yīng)用得較多的高阻抗耳塞的阻值為1.5kΩ，可以直接與放大器相連。而生活中常見的8Ω低阻抗耳塞不能直接接入放大器，需要進(jìn)行阻抗變換，比如接入變壓器。聲控技術(shù)可以是簡易聲控，接收任何聲音，可以是應(yīng)用諧振原理的選頻聲控，接收一定頻率范圍的聲音，還有完成兩個(gè)以上動(dòng)作的雙穩(wěn)態(tài)聲控玩具，連續(xù)拍手聲的次數(shù)產(chǎn)生不同次數(shù)的觸發(fā)脈沖，最后利用控制電路控制兩個(gè)電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生左、右、前、后動(dòng)作。

　　光控電子玩具同樣有控制源和玩具本體。玩具本體通過光敏組件完成光電轉(zhuǎn)換，再經(jīng)過一系列的處理，最后驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)完成控制。常用的光敏組件有光敏電阻、光電池、光敏二極管。光控玩具按照其工作方式大致可以分為三大類：直放光控方式、單穩(wěn)態(tài)光控方式、間接光控方式。直放光控方式是將光照產(chǎn)生的脈沖信號(hào)用直流放大器放大，直接驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu);單穩(wěn)態(tài)控制方式是利用光照射帶有光敏組件的單穩(wěn)態(tài)電路，使得單穩(wěn)態(tài)電路在暫態(tài)形成脈沖控制信號(hào);間接光控方式是利用光的強(qiáng)弱實(shí)現(xiàn)控制的方式，隨著光的強(qiáng)度變化玩具動(dòng)作發(fā)生變化。例如集成電路光控玩具車的硅光電池受光照時(shí)，獲得控制電機(jī)的信號(hào)，同時(shí)在光照的強(qiáng)度變化時(shí)，電機(jī)的驅(qū)動(dòng)信號(hào)隨著變化，改變電機(jī)的轉(zhuǎn)向和轉(zhuǎn)速，使得小車沿不同的軌跡運(yùn)動(dòng)，這一設(shè)計(jì)兼有兩類控制方式。

　　其他控制包括磁控、無線控制、紅外控制、微波感應(yīng)控制、超聲波控制及各種傳感器控制等。

　　2 555時(shí)基電路的原理

　　555定時(shí)器的基本結(jié)構(gòu)分為五部分：第一部分為分壓電路，555定時(shí)器之所以稱為555定時(shí)器是因?yàn)槠鋬?nèi)部電路中含有3個(gè)5kΩ等值電阻，它們主要用來平均分配電壓，確定比較器參考輸入點(diǎn)，其中比較器Al的同相輸入端的電位偏置于2/3Vcc，比較器A2的反相輸入端偏置于1/3Vcc第二部分是比較放大器Al和A2，它們作為信號(hào)輸入的比較器;第三部分為一個(gè)與非門組成的基本RS收發(fā)器，它用來對比較器的輸出信號(hào)進(jìn)行判斷，確定輸出;第四部分為輸出部分，由一級(jí)反向器組成;第五部分為放電開關(guān)，它由一個(gè)集電極開路的三極管VT組成。如圖l所示。

　　對于8引腳的555定時(shí)器，它的8個(gè)引腳的作用分別為：引腳4(RD)是復(fù)位輸入端，低電平輸入有效，只要輸入為低電平，引腳3(V0)輸出不管其他引腳輸入狀態(tài)如何總能保持低電平，為了使555定時(shí)器處于正常工作狀態(tài)，通常引腳4處于高電位狀態(tài)。

　　3 555時(shí)基電路在聲控和觸摸控制玩具中的應(yīng)用

　　以觸摸或接收到聲音即叫的電子玩具狗為例，當(dāng)你觸摸電子玩具狗的額頭貼片(金屬)時(shí)，玩具狗的兩只眼睛不僅閃閃發(fā)光，還會(huì)發(fā)出“汪汪”叫聲。當(dāng)沒人搭理它時(shí)，電子玩具狗會(huì)靜靜地站立不動(dòng)。

　　3.1 電路工作原理

　　觸摸即叫的電子玩具狗電路由觸發(fā)單穩(wěn)態(tài)延時(shí)電路、閃光電路和狗叫聲電路等組成，如圖2所示。集成電路IC1(NE555)、電阻R3、電容Cl和C2等組成單穩(wěn)態(tài)延時(shí)電路。閃光電路由電阻R4、發(fā)光二極管LED1和LED2等組成;狗叫聲電路則由語音集成電路IC2及外圍元件、晶體管VT2和揚(yáng)聲器BL1等組成。

　　沒有輸入觸發(fā)信號(hào)時(shí)，IC1的第2端子為高電平，IC1處于復(fù)位狀態(tài)，其輸出端第3端子輸出低電平，LED1、LED2不會(huì)閃光，IC2不會(huì)被觸發(fā);當(dāng)觸摸玩具狗額頭上金屬貼片SB1時(shí)，人體感應(yīng)雜波加至IC1的第2端子，IC1被觸發(fā)置位，輸出高電平并觸發(fā)狗叫聲集成電路IC2(KD-5608)開始工作，輸出音頻信號(hào)經(jīng)VT2放大后，推動(dòng)揚(yáng)聲器BL1發(fā)出“汪、汪、汪”狗叫聲。同時(shí)，經(jīng)電阻R4驅(qū)動(dòng)，LED1、LED2(兩只眼睛)閃閃發(fā)光。狗叫聲、閃光的持續(xù)時(shí)間取決于IC1單穩(wěn)態(tài)的暫態(tài)時(shí)間，即td=1.1R3C1，電路中給出的參數(shù)的暫態(tài)時(shí)間約為8s。調(diào)節(jié)充放電時(shí)間常數(shù)RC，可改變叫聲、閃發(fā)的持續(xù)時(shí)間。當(dāng)持續(xù)時(shí)間結(jié)束后，IC1的第2端子仍為高電平，IC1回到復(fù)位狀態(tài)，等待下一次的觸摸又可重復(fù)上述動(dòng)作過程。

　　語音集成電路IC2采用模擬狗叫聲集成電路KD-5608，每觸發(fā)一次，可發(fā)出三聲“汪、汪、汪”的狗叫聲。電路中R5為振蕩電阻，改變其阻值可改變狗叫聲的高低，阻值小時(shí)，頻率高，可模擬小狗的尖叫聲;阻值大時(shí)，頻率低，可模擬老狗的叫聲。

　　狗叫聲電路的組成元件主要有狗叫專用模擬集成電路KD-5608、壓電陶瓷片HTD。當(dāng)外界信號(hào)產(chǎn)生時(shí)，HTD壓電陶瓷片轉(zhuǎn)為電信號(hào)，經(jīng)C1耦合到晶體管V1基極進(jìn)行放大，再由C2耦合到晶體管V2基極，使飽和導(dǎo)通，因此使電源電壓加到IC觸發(fā)端，相當(dāng)于IC觸發(fā)端加入一個(gè)脈沖觸發(fā)信號(hào)，于是喇叭中即刻發(fā)出模擬狗叫聲。

　　一碰即響觸發(fā)電路，還可以選用微型片狀振動(dòng)模塊XDZ-01。內(nèi)部含有放大、濾波整形、積分、延時(shí)和電平轉(zhuǎn)換等電路，其靈敏度高，又具有較好的抗干擾性，對于外界的聲響無反應(yīng)，而對于同一物體上的振動(dòng)卻極敏感。

　　3.2 比較555時(shí)基電路的優(yōu)越性

　　555時(shí)基電路最大的特點(diǎn)就是外加簡單的RC電路后，可以構(gòu)成精確的定時(shí)電路。電路結(jié)構(gòu)簡單，穩(wěn)定性強(qiáng)，易于調(diào)整。

　　還有555時(shí)基電路擴(kuò)大了聲控等應(yīng)用的范圍，例如家用嬰兒監(jiān)聽器則是應(yīng)用便攜式調(diào)頻收音機(jī)，制作一個(gè)無線電調(diào)頻發(fā)射機(jī)，可以監(jiān)聽嬰兒的哭聲。這也是玩具的創(chuàng)意來源，對于兒童可以由監(jiān)聽功能轉(zhuǎn)化為玩具功能。利用新型超薄語音錄放模塊，錄音孩子的姓名、家庭住址等信息，就成了幼童的“語音身份證”，有安全作用，又是趣味玩具，這是電子產(chǎn)品應(yīng)用到玩具上的一個(gè)典型范例。

　　4 555時(shí)基電路在光控玩具中的應(yīng)用

　　光控觸發(fā)電路即一暗即響，可以用光電三極管實(shí)現(xiàn)。當(dāng)人或物通過光電三極管VT1前方時(shí)，照射到VT1上的光線發(fā)生突變，VT1兩端等效電阻值發(fā)生突變，從而導(dǎo)致VTl兩端產(chǎn)生相應(yīng)脈沖電壓，其下降沿通過電容器耦合到三極管VT2的基極，經(jīng)VT2反相放大后，使語音集成電路獲得觸發(fā)信號(hào)。

　　例如電子狗的報(bào)警、動(dòng)作和習(xí)性，參考文獻(xiàn)中的一類智能玩具狗，當(dāng)用肉骨頭模型喂時(shí)，它會(huì)興奮地亮起眼睛，同時(shí)唱起歌曲，用一盞60W的白熾燈照射它的頭部，反復(fù)幾次后，玩具狗就能形成條件反射，只要有燈照頭部就會(huì)興奮，但多次欺騙后它又會(huì)不理了。這是典型的擬聲擬形設(shè)計(jì)。如果采用555時(shí)基電路控制，可以利用光報(bào)警電路和紫外光驗(yàn)鈔電路制作的報(bào)警卡，是一個(gè)非常有趣的例子。光報(bào)警電路由模擬聲集成電路和外圍元器件構(gòu)成。光敏電阻無光照呈高電阻值，光照后電阻值下降，觸發(fā)電路報(bào)警。結(jié)合紫外線LED結(jié)合后，有了驗(yàn)鈔功能。這樣的電子產(chǎn)品制作到玩具中，兼有趣味性和實(shí)用性。

　　5 555時(shí)基電路在熱和紅外控制玩具中的應(yīng)用

　　新型熱釋電式紅外探測頭(被動(dòng)式紅外探測器件)MP01可以對于前方5m范圍內(nèi)的人體活動(dòng)產(chǎn)生非接觸的感測，從而觸發(fā)電路。

　　TX05D為新型紅外線反射開關(guān)，其內(nèi)部包含了紅外線發(fā)射、接收及信號(hào)放大與處理電路，它能以非接觸形式檢測到前方一定范圍內(nèi)經(jīng)過的人或物體，并將接收到的信號(hào)轉(zhuǎn)換成高電平信號(hào)從OUT端輸出。接通電源后，TX05D內(nèi)部紅外線LED向外發(fā)射出頻率約為40kHz的調(diào)制紅外線。若前面無人或其他物體遮擋，紅外接收管收不到發(fā)射管發(fā)出的紅外光線，輸出端OUT為低電平，狗叫電路A2處于靜止?fàn)顟B(tài)，整個(gè)后續(xù)電路均不工作。當(dāng)有人或其他物體經(jīng)過A1的有效檢測區(qū)域時(shí)，紅外線被反射回來一部分，經(jīng)與發(fā)光管同向并排安裝的光敏三極管接收并轉(zhuǎn)換成同頻率的電信號(hào)后，由A1內(nèi)部電路進(jìn)行一系列的放大、解調(diào)、整形、比較處理，最后從OUT端輸出高電平信號(hào)。該信號(hào)經(jīng)R1限流、VD1限壓后，直接觸發(fā)模擬聲集成電路工作，使其OUT端輸出長約5s的模擬狗叫聲電信號(hào)，經(jīng)R4、C2低通濾波和C3耦合后，送入功放集成電路A3進(jìn)行功率放大，最后放大后信號(hào)經(jīng)C4推動(dòng)揚(yáng)聲器B發(fā)出三遍“汪汪-汪汪汪”的狗叫聲來。如果模擬狗叫集成電路連續(xù)受到觸發(fā)(TX05D的OUT端輸出高電平時(shí)間>5s)，則狗叫聲就會(huì)持續(xù)不斷，直到來人離開監(jiān)視區(qū)5s后為止。

　　新型微波探測器TX982，也被應(yīng)用于人體探測觸發(fā)電路。TX982包含了環(huán)狀天線W和微波發(fā)射與接收、信號(hào)放大與識(shí)別等電路，能夠以非接觸形式探測出周圍一定距離內(nèi)的運(yùn)動(dòng)人體或物體，并轉(zhuǎn)換成高電平信號(hào)輸出。

　　6 555時(shí)基電路的其他控制應(yīng)用

　　嬰兒報(bào)尿器由尿探頭和音樂盒兩部分組成，成本不足4元，當(dāng)嬰兒排尿后，能夠反復(fù)奏響歌曲。這屬于控制方式的創(chuàng)新，可以用帶有鹽分的液體替代尿液，顯然也可以是玩具應(yīng)用的范例。在此基礎(chǔ)上，通過555時(shí)基集成電路可以實(shí)現(xiàn)多種控制方式。例如，負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻實(shí)現(xiàn)溫度控制，玻璃水銀導(dǎo)電開關(guān)KG-101實(shí)現(xiàn)接觸控制。

　　電子防盜器就有各種技術(shù)，有碰了即響，光暗即響，斷絲報(bào)警器等。煤氣爐熄火有熄火報(bào)警器，澆水自動(dòng)熄火等。

　　7 555時(shí)基電路自制玩具教具

　　在科技教育活動(dòng)中，無論是發(fā)展中國家還是發(fā)達(dá)國家，都主張用低成本的器材，如日常生活的用品、玩具和簡單的自己制作的教學(xué)器具來進(jìn)行教學(xué)實(shí)踐。美國沃爾瑪優(yōu)秀教師獎(jiǎng)獲得者David Seela教授、Rozann Seela教授夫婦在來華進(jìn)行的科技教育講座上所做的一整套約800項(xiàng)科學(xué)小實(shí)驗(yàn)幾乎全部是這一類實(shí)驗(yàn)。555時(shí)基電路也是一個(gè)很方便開展的玩具教具制作范例。圖3所示為我們組織學(xué)生開展的教具制作成果。

　　在圖3所示的多功能演示教具中，傳感器可以使用普通按鈕開關(guān)、磁控開關(guān)、水銀開關(guān)、光敏電阻、負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻等，控制裝置可以使用具有聲、光、電指示的小型用電器。當(dāng)合上電源開關(guān)K，單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器IC(NE555)2腳處于高電平，3腳輸出低電平，三極管VT截止，繼電器不吸合，控制裝置不動(dòng)作。同時(shí)，電流經(jīng)限流電阻R3流過LED1使其發(fā)光。當(dāng)傳感器動(dòng)作時(shí)，如接入的傳感器是負(fù)溫度系數(shù)的熱敏電阻時(shí)，當(dāng)溫度增加時(shí)，其電阻值降低，單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器IC的2腳處于低電平，使IC(NE555)翻轉(zhuǎn)，3腳輸出高電平，使三極管BG導(dǎo)通，繼電器J得電而吸合，控制裝置動(dòng)作。同時(shí)，LED1熄滅，電流經(jīng)限流電阻R4流過LED2使其發(fā)光。由于IC(NE555)的6、7腳接入了R2和C1組成的延時(shí)電路，其延時(shí)時(shí)間可以調(diào)節(jié)R2而改變。延時(shí)一段時(shí)間后電路復(fù)位，延時(shí)結(jié)束后IC(NE555)的3腳輸出低電平，三極管VT截止，繼電器釋放，控制裝置停止動(dòng)作。同時(shí)，LED1發(fā)光，LED2熄滅，從而可以直觀地顯示電路的工作狀態(tài)。

　　該多功能演示教具可以演示多種傳感器控制相關(guān)裝置工作，電路的延時(shí)時(shí)間可以調(diào)節(jié)，并可以通過LED的發(fā)光和熄滅來直觀地顯示。例如，水銀控制開關(guān)接入AN端，整個(gè)裝置(玩具)就成為隨裝置放置位置變化而產(chǎn)生信號(hào)的裝置，可以成為抱起來就停止、放下來就發(fā)聲的趣味玩具，給玩具外形設(shè)計(jì)提供靈感。

　　8 結(jié)束語

　　電子技術(shù)和教具等發(fā)明創(chuàng)造向玩具設(shè)計(jì)中應(yīng)用推廣，是極有意義并可以實(shí)現(xiàn)的。555時(shí)基電路是一個(gè)典型的電子設(shè)計(jì)應(yīng)用于玩具的范例。電子專業(yè)設(shè)計(jì)人員與玩具設(shè)計(jì)人員良好的合作，是獲得玩具創(chuàng)新源泉的良好方向之一。欲了解更多信息請登錄電子發(fā)燒友網(wǎng)(http://ttokpm.com)