Jeffrey Cross
Jeffrey Cross

最大的小芯片:多功能555定时器的介绍

早在1970年,当时只有六个公司的苗木在硅谷肥沃的土地上扎根,一家名为Signetics的公司从一位名叫Hans Camenzind的工程师那里买了一个想法。这不是一个突破性的概念,只有23个晶体管和一堆电阻器可用作可编程定时器。计时器将是多功能的,稳定的,简单的,但这些优点与其主要卖点相比显得苍白无力。使用新兴的集成电路技术,Signetics可以在硅芯片上重现整个事物。

这需要一些手工作业。 Camenzind花了数周时间使用绘图台和一把特制的X-Acto刀将他的电路划分为一块大塑料板。然后,Signetics将这张图片照片缩小,将其蚀刻成微小的晶圆,并将每个晶圆嵌入半英寸的黑色塑料矩形中,产品编号印在上面。因此,555计时器诞生了。

它被证明是历史上最成功的芯片,销售量(数百亿,数量)和设计寿命(近40年不变)。从玩具到宇宙飞船,555已被广泛使用。它可以使灯光闪烁,激活警报系统,在哔哔声之间放置空格,并自己创建哔哔声。今天,您可以在线购买单芯片约25美分。

对于下面介绍的介绍性项目,您可以使用555CN,Fairchild LM555CN或KA555,Texas Instruments NE555P或STMicroelectronics NE555N。这个品牌没什么区别。每个制造商都提供免费的金属氧化物半导体(CMOS)版本,双版本和表面贴装版本,以及旧式芯片,它位于八个金属腿上,间距为1/10“。由于各种原因,您应该使用旧式版本。

首先,我将展示555如何打开和关闭LED闪光灯。然后我会调整它以产生音乐音调,最后我将三个555连在一起创建一个小工具,你可以用来在非视频游戏(如跳棋或拼字游戏)中施加时间限制。在预设的时间间隔结束时,计时器会发出呻吟声,告诉迟到的竞争者他的时间已经结束,轮到他了。

背景中的标尺以十六分之一英寸校准。

将555芯片变成一个发声器

图1显示了从上方看到的555芯片,其引脚已被识别。标记在其主体上的圆形标记与引脚1相邻。图2显示了使用555的非稳态模式的基本闪光电路,这意味着引脚3上的输出在正负之间来回翻转,只要电源已打开。循环时间由电容器和两个电阻决定。电容器具有电存储容量(因此其名称),而电阻器减少电流。如果按电容器顺序放置一个电阻器,电阻器会减慢电容器的充电和放电时间,从而提供一种简单的电力来测量时间。

当您关闭电路中的开关S1时,电流流过R1和R2并逐渐开始对电容器C1充电。 IC1(555定时器)监视此过程。当C1获得为电路供电的正电压的2/3时,555将其引脚3上的输出从正向负反转,并迫使C1通过R2自身放电。当C1上的电荷从2/3减小到1/3时,芯片翻转回其原始状态,将其输出从负值复位为正值,并重复该周期。

C1采用0.1微法(μF)电容,R1采用120千欧(kΩ)电阻,R2采用1兆欧(MΩ)电阻,LED每秒闪烁约5次。 (电路中的其他元件对时序没有影响:R3保护LED免受过大电流的影响,而C2保护555定时器免受随机电子噪声的影响。)

这就是图2中LED闪光灯电路的外观,使用插入面包板的元件。

假设您使用1μF电容而不是0.1μF电容作为C1。现在每个周期持续10倍。相反,如果对C1使用0.01μF电容,则周期为1/10。您也可以通过调整电阻值来更改时序。 R1 + R2的值影响“开”周期,而R2单独决定“关闭”周期。

由于具有高电阻和小电容,555的测试速度非常快 - 足够快,其脉冲可以通过扬声器产生音乐噪音。图3显示了该电路的修改版本。 LED及其串联电阻已被替换为不同的电阻,电容C3和L1,一个1英寸的RadioShack微型扬声器。 (注意:除非添加放大器,否则无法使用555定时器驱动全尺寸扬声器。)确保更新R1,R2和C1的值,这些值已更改为使555运行更快。现在当你连接电源时,你应该听到低音无人机。

添加第二个555以触发固定间隔的Noisemaker

我们有一个发声器;现在我们需要以固定的间隔触发它。这可以通过第二个555接线单稳态模式来完成,这意味着它只发出一个脉冲。图4显示了它添加到电路中。 S2是一个按钮,虽然只需将2根电线连接在一起即可即兴发挥。发生这种情况时,IC2会发出持续约1秒的单脉冲。这照亮了D2,一个LED,以提供视觉确认。脉冲也经过D1,一个信号二极管,并激活IC1,IC1发出声音,除了C4延长它并使其频率减小,产生呻吟效应。

在继续之前,请确保此版本的电路正常工作。

添加第三个555以等待等待时间

我们有一个可以按固定间隔触发的发声器;现在我们需要测量声音发生前的时间间隔。如果我们使用更高值的电阻器和更大的电容器调整它,则第三个555定时器可以施加此等待时间。

在图5中,C7通过电位器(可变电阻器)P1充电。您可以“调整”P1以调整等待间隔,并增加C7的值以使间隔更长。在间隔结束时,引脚3上的输出变为负值。这与IC2的触发引脚相连,并告诉它发出短暂的脉冲,告诉IC1发出声音。

图5中电路的实际版本。顶部芯片测量时间间隔(使用已替代电位计P1的固定电阻)。红色LED在通过1英寸扬声器(芯片左侧)产生声音的同时闪烁。

请注意,S2已移动,以便控制IC3。当你使用赛道在比赛期间施加时间限制时,在每个人的回合开始时击中S2。

因此,如果玩家在允许的时间内移动,电路将不会发出粗鲁的噪音,添加了取消重置按钮S3。当玩家移动时你点击这个按钮。它旁边的“NC”告诉你它是一个常闭的按钮。当小工具不使用时,您仍然需要电源开关S1来断开电源。

下一步是什么?

您可以替换其他组件而不是定时电阻,以使555以有趣的方式运行。在图3中,如果使用热敏电阻或光敏电阻代替R2,则可以通过加热或光控制音频。光敏电阻和单稳态模式下的555可以用作运动检测器。搜索makezine.com获取“555”或查看Doctronics获取更多项目创意。

Hans Camenzind从没想过他的计时器会成为一个普遍的实用工具。他现在认为555的内部设计不是特别优雅,应该在几十年前进行改造。优雅的设计对于工程师来说可能是一件大事,但对于最终用户来说,实用性通常更为重要。 555简单,精确,坚固耐用,可以容纳各种电源,不仅可以驱动LED和扬声器,还可以驱动继电器甚至小型电机。

25美分,这已经足够了。

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