555时基电路在玩具控制中的应用

0 引言
    控制类玩具在电子玩具中是最常见的一类。一件完整的控制类玩具包含控制器、传输介质、接收器、信号处理和执行机构等五部分。其基本原理是控制器发出控制命令信号，并通过传输介质被接收器接收，然后对接收的信号进行处理，最后控制被控对象，使电子玩具产生需要的动作。
    本刊2009年第5期《555时基电路的研究与应用》介绍的555时基电路也称555定时器，它是一种用途广泛的数字和模拟集成电路，用它可以组成玩具电路中经常用到的施密特触发器、单稳态触发器、双稳态触发器和无稳态多谐振荡器等电路。本文结合我们组织高职学生进行玩具设计以及在中学开展教具制作的实例，介绍555时基电路在玩具控制中的应用，相信对于读者在玩具设计中应用电子技术有参考作用。

1 控制类玩具简介
    控制类玩具是电子玩具中最常见的一类。控制类玩具的控制类型包括声控、光控、磁控、无线控制等。
    声控玩具是利用声音信号控制玩具本体，使之产生动作的一类玩具。该系统包括发声器、声电转换电路、开关控制电路、执行机构和电源等。目前应用的声电转换电路有驻极体话筒、压电陶瓷片、高阻抗耳塞和永磁扬声器。压电陶瓷片使用方便，价格低，但灵敏度不及驻极体话筒。电子玩具中应用得较多的高阻抗耳塞的阻值为1．5kΩ，可以直接与放大器相连。而生活中常见的8Ω低阻抗耳塞不能直接接入放大器，需要进行阻抗变换，比如接入变压器。声控技术可以是简易声控，接收任何声音，可以是应用谐振原理的选频声控，接收一定频率范围的声音，还有完成两个以上动作的双稳态声控玩具，连续拍手声的次数产生不同次数的触发脉冲，最后利用控制电路控制两个电动机产生左、右、前、后动作。
    光控电子玩具同样有控制源和玩具本体。玩具本体通过光敏组件完成光电转换，再经过一系列的处理，最后驱动执行机构完成控制。常用的光敏组件有光敏电阻、光电池、光敏二极管。光控玩具按照其工作方式大致可以分为三大类：直放光控方式、单稳态光控方式、间接光控方式。直放光控方式是将光照产生的脉冲信号用直流放大器放大，直接驱动执行机构；单稳态控制方式是利用光照射带有光敏组件的单稳态电路，使得单稳态电路在暂态形成脉冲控制信号；间接光控方式是利用光的强弱实现控制的方式，随着光的强度变化玩具动作发生变化。例如集成电路光控玩具车的硅光电池受光照时，获得控制电机的信号，同时在光照的强度变化时，电机的驱动信号随着变化，改变电机的转向和转速，使得小车沿不同的轨迹运动，这一设计兼有两类控制方式。
    其他控制包括磁控、无线控制、红外控制、微波感应控制、超声波控制及各种传感器控制等。

2 555时基电路的原理
    555定时器的基本结构分为五部分：第一部分为分压电路，555定时器之所以称为555定时器是因为其内部电路中含有3个5kΩ等值电阻，它们主要用来平均分配电压，确定比较器参考输入点，其中比较器Al的同相输入端的电位偏置于2／3Vcc，比较器A2的反相输入端偏置于1／3Vcc第二部分是比较放大器Al和A2，它们作为信号输入的比较器；第三部分为一个与非门组成的基本RS收发器，它用来对比较器的输出信号进行判断，确定输出；第四部分为输出部分，由一级反向器组成；第五部分为放电开关，它由一个集电极开路的三极管VT组成。如图l所示。
    对于8引脚的555定时器，它的8个引脚的作用分别为：引脚4(RD)是复位输入端，低电平输入有效，只要输入为低电平，引脚3(V0)输出不管其他引脚输入状态如何总能保持低电平，为了使555定时器处于正常工作状态，通常引脚4处于高电位状态。

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3 555时基电路在声控和触摸控制玩具中的应用
    以触摸或接收到声音即叫的电子玩具狗为例，当你触摸电子玩具狗的额头贴片(金属)时，玩具狗的两只眼睛不仅闪闪发光，还会发出“汪汪”叫声。当没人搭理它时，电子玩具狗会静静地站立不动。
3．1 电路工作原理
    触摸即叫的电子玩具狗电路由触发单稳态延时电路、闪光电路和狗叫声电路等组成，如图2所示。集成电路IC1(NE555)、电阻R3、电容Cl和C2等组成单稳态延时电路。闪光电路由电阻R4、发光二极管LED1和LED2等组成；狗叫声电路则由语音集成电路IC2及外围元件、晶体管VT2和扬声器BL1等组成。

    没有输入触发信号时，IC1的第2端子为高电平，IC1处于复位状态，其输出端第3端子输出低电平，LED1、LED2不会闪光，IC2不会被触发；当触摸玩具狗额头上金属贴片SB1时，人体感应杂波加至IC1的第2端子，IC1被触发置位，输出高电平并触发狗叫声集成电路IC2(KD-5608)开始工作，输出音频信号经VT2放大后，推动扬声器BL1发出“汪、汪、汪”狗叫声。同时，经电阻R4驱动，LED1、LED2(两只眼睛)闪闪发光。狗叫声、闪光的持续时间取决于IC1单稳态的暂态时间，即td=1．1R3C1，电路中给出的参数的暂态时间约为8s。调节充放电时间常数RC，可改变叫声、闪发的持续时间。当持续时间结束后，IC1的第2端子仍为高电平，IC1回到复位状态，等待下一次的触摸又可重复上述动作过程。
    语音集成电路IC2采用模拟狗叫声集成电路KD-5608，每触发一次，可发出三声“汪、汪、汪”的狗叫声。电路中R5为振荡电阻，改变其阻值可改变狗叫声的高低，阻值小时，频率高，可模拟小狗的尖叫声；阻值大时，频率低，可模拟老狗的叫声。
    狗叫声电路的组成元件主要有狗叫专用模拟集成电路KD-5608、压电陶瓷片HTD。当外界信号产生时，HTD压电陶瓷片转为电信号，经C1耦合到晶体管V1基极进行放大，再由C2耦合到晶体管V2基极，使饱和导通，因此使电源电压加到IC触发端，相当于IC触发端加入一个脉冲触发信号，于是喇叭中即刻发出模拟狗叫声。
    一碰即响触发电路，还可以选用微型片状振动模块XDZ-01。内部含有放大、滤波整形、积分、延时和电平转换等电路，其灵敏度高，又具有较好的抗干扰性，对于外界的声响无反应，而对于同一物体上的振动却极敏感。
3．2 比较555时基电路的优越性
    555时基电路最大的特点就是外加简单的RC电路后，可以构成精确的定时电路。电路结构简单，稳定性强，易于调整。
    还有555时基电路扩大了声控等应用的范围，例如家用婴儿监听器则是应用便携式调频收音机，制作一个无线电调频发射机，可以监听婴儿的哭声。这也是玩具的创意来源，对于儿童可以由监听功能转化为玩具功能。利用新型超薄语音录放模块，录音孩子的姓名、家庭住址等信息，就成了幼童的“语音身份证”，有安全作用，又是趣味玩具，这是电子产品应用到玩具上的一个典型范例。

4 555时基电路在光控玩具中的应用
    光控触发电路即一暗即响，可以用光电三极管实现。当人或物通过光电三极管VT1前方时，照射到VT1上的光线发生突变，VT1两端等效电阻值发生突变，从而导致VTl两端产生相应脉冲电压，其下降沿通过电容器耦合到三极管VT2的基极，经VT2反相放大后，使语音集成电路获得触发信号。
    例如电子狗的报警、动作和习性，参考文献中的一类智能玩具狗，当用肉骨头模型喂时，它会兴奋地亮起眼睛，同时唱起歌曲，用一盏60W的白炽灯照射它的头部，反复几次后，玩具狗就能形成条件反射，只要有灯照头部就会兴奋，但多次欺骗后它又会不理了。这是典型的拟声拟形设计。如果采用555时基电路控制，可以利用光报警电路和紫外光验钞电路制作的报警卡，是一个非常有趣的例子。光报警电路由模拟声集成电路和外围元器件构成。光敏电阻无光照呈高电阻值，光照后电阻值下降，触发电路报警。结合紫外线LED结合后，有了验钞功能。这样的电子产品制作到玩具中，兼有趣味性和实用性。

5 555时基电路在热和红外控制玩具中的应用
    新型热释电式红外探测头(被动式红外探测器件)MP01可以对于前方5m范围内的人体活动产生非接触的感测，从而触发电路。
    TX05D为新型红外线反射开关，其内部包含了红外线发射、接收及信号放大与处理电路，它能以非接触形式检测到前方一定范围内经过的人或物体，并将接收到的信号转换成高电平信号从OUT端输出。接通电源后，TX05D内部红外线LED向外发射出频率约为40kHz的调制红外线。若前面无人或其他物体遮挡，红外接收管收不到发射管发出的红外光线，输出端OUT为低电平，狗叫电路A2处于静止状态，整个后续电路均不工作。当有人或其他物体经过A1的有效检测区域时，红外线被反射回来一部分，经与发光管同向并排安装的光敏三极管接收并转换成同频率的电信号后，由A1内部电路进行一系列的放大、解调、整形、比较处理，最后从OUT端输出高电平信号。该信号经R1限流、VD1限压后，直接触发模拟声集成电路工作，使其OUT端输出长约5s的模拟狗叫声电信号，经R4、C2低通滤波和C3耦合后，送入功放集成电路A3进行功率放大，最后放大后信号经C4推动扬声器B发出三遍“汪汪-汪汪汪”的狗叫声来。如果模拟狗叫集成电路连续受到触发(TX05D的OUT端输出高电平时间>5s)，则狗叫声就会持续不断，直到来人离开监视区5s后为止。 [p]
    新型微波探测器TX982，也被应用于人体探测触发电路。TX982包含了环状天线W和微波发射与接收、信号放大与识别等电路，能够以非接触形式探测出周围一定距离内的运动人体或物体，并转换成高电平信号输出。

6 555时基电路的其他控制应用
    婴儿报尿器由尿探头和音乐盒两部分组成，成本不足4元，当婴儿排尿后，能够反复奏响歌曲。这属于控制方式的创新，可以用带有盐分的液体替代尿液，显然也可以是玩具应用的范例。在此基础上，通过555时基集成电路可以实现多种控制方式。例如，负温度系数热敏电阻实现温度控制，玻璃水银导电开关KG-101实现接触控制。
    电子防盗器就有各种技术，有碰了即响，光暗即响，断丝报警器等。煤气炉熄火有熄火报警器，浇水自动熄火等。

7 555时基电路自制玩具教具
    在科技教育活动中，无论是发展中国家还是发达国家，都主张用低成本的器材，如日常生活的用品、玩具和简单的自己制作的教学器具来进行教学实践。美国沃尔玛优秀教师奖获得者David Seela教授、Rozann Seela教授夫妇在来华进行的科技教育讲座上所做的一整套约800项科学小实验几乎全部是这一类实验。555时基电路也是一个很方便开展的玩具教具制作范例。图3所示为我们组织学生开展的教具制作成果。

    在图3所示的多功能演示教具中，传感器可以使用普通按钮开关、磁控开关、水银开关、光敏电阻、负温度系数热敏电阻等，控制装置可以使用具有声、光、电指示的小型用电器。当合上电源开关K，单稳态触发器IC(NE555)2脚处于高电平，3脚输出低电平，三极管VT截止，继电器不吸合，控制装置不动作。同时，电流经限流电阻R3流过LED1使其发光。当传感器动作时，如接入的传感器是负温度系数的热敏电阻时，当温度增加时，其电阻值降低，单稳态触发器IC的2脚处于低电平，使IC(NE555)翻转，3脚输出高电平，使三极管BG导通，继电器J得电而吸合，控制装置动作。同时，LED1熄灭，电流经限流电阻R4流过LED2使其发光。由于IC(NE555)的6、7脚接入了R2和C1组成的延时电路，其延时时间可以调节R2而改变。延时一段时间后电路复位，延时结束后IC(NE555)的3脚输出低电平，三极管VT截止，继电器释放，控制装置停止动作。同时，LED1发光，LED2熄灭，从而可以直观地显示电路的工作状态。
    该多功能演示教具可以演示多种传感器控制相关装置工作，电路的延时时间可以调节，并可以通过LED的发光和熄灭来直观地显示。例如，水银控制开关接入AN端，整个装置(玩具)就成为随装置放置位置变化而产生信号的装置，可以成为抱起来就停止、放下来就发声的趣味玩具，给玩具外形设计提供灵感。

8 结束语
    电子技术和教具等发明创造向玩具设计中应用推广，是极有意义并可以实现的。555时基电路是一个典型的电子设计应用于玩具的范例。电子专业设计人员与玩具设计人员良好的合作，是获得玩具创新源泉的良好方向之一。