555時基電路在玩具控制中的應用

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、接收器、信號處理和執(zhí)行機構等五部分。其基本原理是控制器發(fā)出控制命令信號，并通過傳輸介質被接收器接收，然后對接收的信號進行處理，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。本文結合我們組織高職學生進行玩具設計以及在中學開展教具制作的實例，介紹555時基電路在玩具控制中的應用，相信對于讀者在玩具設計中應用電子技術有參考作用。

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、聲電轉換電路、開關控制電路、執(zhí)行機構和電源等。目前應用的聲電轉換電路有駐極體話筒、壓電陶瓷片、高阻抗耳塞和永磁揚聲器。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，需要進行阻抗變換，比如接入變壓器。聲控技術可以是簡易聲控，接收任何聲音，可以是應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換，再經(jīng)過一系列的處理，最后驅動執(zhí)行機構完成控制。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，直接驅動執(zhí)行機構；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弱實現(xiàn)控制的方式，隨著光的強度變化玩具動作發(fā)生變化。例如集成電路光控玩具車的硅光電池受光照時，獲得控制電機的信號，同時在光照的強度變化時，電機的驅動信號隨著變化，改變電機的轉向和轉速，使得小車沿不同的軌跡運動，這一設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定時器的基本結構分為五部分：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，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)。

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3 555時基電路在聲控和觸摸控制玩具中的應用
    以觸摸或接收到聲音即叫的電子玩具狗為例，當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)；當觸摸玩具狗額頭上金屬貼片SB1時，人體感應雜波加至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，推動揚聲器BL1發(fā)出“汪、汪、汪”狗叫聲。同時，經(jīng)電阻R4驅動，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。當持續(xù)時間結束后，IC1的第2端子仍為高電平，IC1回到復位狀態(tài)，等待下一次的觸摸又可重復上述動作過程。
    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。當外界信號產(chǎn)生時，HTD壓電陶瓷片轉為電信號，經(jīng)C1耦合到晶體管V1基極進行放大，再由C2耦合到晶體管V2基極，使飽和導通，因此使電源電壓加到IC觸發(fā)端，相當于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。內部含有放大、濾波整形、積分、延時和電平轉換等電路，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，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，可以構成精確的定時電路。電路結構簡單，穩(wěn)定性強，易于調整。
    還有555時基電路擴大了聲控等應用的范圍，例如家用嬰兒監(jiān)聽器則是應用便攜式調頻收音機，制作一個無線電調頻發(fā)射機，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，從而導致VTl兩端產(chǎn)生相應脈沖電壓，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、動作和習性，參考文獻中的一類智能玩具狗，當用肉骨頭模型喂時，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。結合紫外線LED結合后，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，其內部包含了紅外線發(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經(jīng)過的人或物體，并將接收到的信號轉換成高電平信號從OUT端輸出。接通電源后，TX05D內部紅外線LED向外發(fā)射出頻率約為40kHz的調制紅外線。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處于靜止狀態(tài)，整個后續(xù)電路均不工作。當有人或其他物體經(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換成同頻率的電信號后，由A1內部電路進行一系列的放大、解調、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進行功率放大，最后放大后信號經(jīng)C4推動揚聲器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。[!--empirenews.page--]
    新型微波探測器TX982，也被應用于人體探測觸發(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的運動人體或物體，并轉換成高電平信號輸出。

6 555時基電路的其他控制應用
    嬰兒報尿器由尿探頭和音樂盒兩部分組成，成本不足4元，當嬰兒排尿后，能夠反復奏響歌曲。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用的范例。在此基礎上，通過555時基集成電路可以實現(xiàn)多種控制方式。例如，負溫度系數(shù)熱敏電阻實現(xiàn)溫度控制，玻璃水銀導電開關KG-101實現(xiàn)接觸控制。
    電子防盜器就有各種技術，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器具來進行教學實踐。美國沃爾瑪優(yōu)秀教師獎獲得者David Seela教授、Rozann Seela教授夫婦在來華進行的科技教育講座上所做的一整套約800項科學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、磁控開關、水銀開關、光敏電阻、負溫度系數(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。當合上電源開關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。當傳感器動作時，如接入的傳感器是負溫度系數(shù)的熱敏電阻時，當溫度增加時，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，3腳輸出高電平，使三極管BG導通，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，其延時時間可以調節(jié)R2而改變。延時一段時間后電路復位，延時結束后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裝置工作，電路的延時時間可以調節(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，給玩具外形設計提供靈感。

8 結束語
    電子技術和教具等發(fā)明創(chuàng)造向玩具設計中應用推廣，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計應用于玩具的范例。電子專業(yè)設計人員與玩具設計人員良好的合作，是獲得玩具創(chuàng)新源泉的良好方向之一。