555時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，并通過傳輸介質(zhì)被接收器接收，然后對接收的信號進(jìn)行處理，最后控制被控對象，使電子玩具產(chǎn)生需要的動作。
    本刊2009年第5期《555時基電路的研究與應(yīng)用》介紹的555時基電路也稱555定時器，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)計以及在中學(xué)開展教具制作的實例，介紹555時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?、光控、磁控、無線控制等。
    聲控玩具是利用聲音信號控制玩具本體，使之產(chǎn)生動作的一類玩具。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，還有完成兩個以上動作的雙穩(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電動機(jī)產(chǎn)生左、右、前、后動作。
    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)生的脈沖信號用直流放大器放大，直接驅(qū)動執(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；間接光控方式是利用光的強(qiáng)弱實現(xiàn)控制的方式，隨著光的強(qiáng)度變化玩具動作發(fā)生變化。例如集成電路光控玩具車的硅光電池受光照時，獲得控制電機(jī)的信號，同時在光照的強(qiáng)度變化時，電機(jī)的驅(qū)動信號隨著變化，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，這一設(shè)計兼有兩類控制方式。
    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時基電路的原理
    555定時器的基本結(jié)構(gòu)分為五部分：第一部分為分壓電路，555定時器之所以稱為555定時器是因為其內(nèi)部電路中含有3個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，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，它們作為信號輸入的比較器；第三部分為一個與非門組成的基本RS收發(fā)器，它用來對比較器的輸出信號進(jìn)行判斷，確定輸出；第四部分為輸出部分，由一級反向器組成；第五部分為放電開關(guān)，它由一個集電極開路的三極管VT組成。如圖l所示。
    對于8引腳的555定時器，它的8個引腳的作用分別為：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，玩具狗的兩只眼睛不僅閃閃發(fā)光，還會發(fā)出“汪汪”叫聲。當(dāng)沒人搭理它時，電子玩具狗會靜靜地站立不動。
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)信號時，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不會閃光，IC2不會被觸發(fā)；當(dāng)觸摸玩具狗額頭上金屬貼片SB1時，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，輸出音頻信號經(jīng)VT2放大后，推動揚(yáng)聲器BL1發(fā)出“汪、汪、汪”狗叫聲。同時，經(jīng)電阻R4驅(qū)動，LED1、LED2(兩只眼睛)閃閃發(fā)光。狗叫聲、閃光的持續(xù)時間取決于IC1單穩(wěn)態(tài)的暫態(tài)時間，即td=1．1R3C1，電路中給出的參數(shù)的暫態(tài)時間約為8s。調(diào)節(jié)充放電時間常數(shù)RC，可改變叫聲、閃發(fā)的持續(xù)時間。當(dāng)持續(xù)時間結(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，頻率高，可模擬小狗的尖叫聲；阻值大時，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)外界信號產(chǎn)生時，HTD壓電陶瓷片轉(zhuǎn)為電信號，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)端加入一個脈沖觸發(fā)信號，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模塊XDZ-01。內(nèi)部含有放大、濾波整形、積分、延時和電平轉(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卻極敏感。
3．2 比較555時基電路的優(yōu)越性
    555時基電路最大的特點就是外加簡單的RC電路后，可以構(gòu)成精確的定時電路。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)用到玩具上的一個典型范例。

4 555時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現(xiàn)。當(dāng)人或物通過光電三極管VT1前方時，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。
    例如電子狗的報警、動作和習(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，它會興奮地亮起眼睛，同時唱起歌曲，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興奮，但多次欺騙后它又會不理了。這是典型的擬聲擬形設(shè)計。如果采用555時基電路控制，可以利用光報警電路和紫外光驗鈔電路制作的報警卡，是一個非常有趣的例子。光報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)電路報警。結(jié)合紫外線LED結(jié)合后，有了驗鈔功能。這樣的電子產(chǎn)品制作到玩具中，兼有趣味性和實用性。

5 555時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(被動式紅外探測器件)MP01可以對于前方5m范圍內(nèi)的人體活動產(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，并將接收到的信號轉(zhuǎn)換成高電平信號從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，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。該信號經(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，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，最后放大后信號經(jīng)C4推動揚(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端輸出高電平時間>5s)，則狗叫聲就會持續(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、信號放大與識別等電路，能夠以非接觸形式探測出周圍一定距離內(nèi)的運(yùn)動人體或物體，并轉(zhuǎn)換成高電平信號輸出。

6 555時基電路的其他控制應(yīng)用
    嬰兒報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時基集成電路可以實現(xiàn)多種控制方式。例如，負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻實現(xiàn)溫度控制，玻璃水銀導(dǎo)電開關(guān)KG-101實現(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，斷絲報警器等。煤氣爐熄火有熄火報警器，澆水自動熄火等。

7 555時基電路自制玩具教具
    在科技教育活動中，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)實踐。美國沃爾瑪優(yōu)秀教師獎獲得者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項科學(xué)小實驗幾乎全部是這一類實驗。555時基電路也是一個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，控制裝置不動作。同時，電流經(jīng)限流電阻R3流過LED1使其發(fā)光。當(dāng)傳感器動作時，如接入的傳感器是負(fù)溫度系數(shù)的熱敏電阻時，當(dāng)溫度增加時，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，控制裝置動作。同時，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組成的延時電路，其延時時間可以調(diào)節(jié)R2而改變。延時一段時間后電路復(fù)位，延時結(jié)束后IC(NE555)的3腳輸出低電平，三極管VT截止，繼電器釋放，控制裝置停止動作。同時，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，電路的延時時間可以調(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，整個裝置(玩具)就成為隨裝置放置位置變化而產(chǎn)生信號的裝置，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)計中應(yīng)用推廣，是極有意義并可以實現(xiàn)的。555時基電路是一個典型的電子設(shè)計應(yīng)用于玩具的范例。電子專業(yè)設(shè)計人員與玩具設(shè)計人員良好的合作，是獲得玩具創(chuàng)新源泉的良好方向之一。