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关键词:
控制,时基集成电路555
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(空一行)
第一章.1
1.1概述(宋体小四号)
2 (TimeNewRoman小四号)内容(同上)
2.1(宋体小四号)X
2.1.1(宋体小四号)X
致谢(黑体小四号)X
参考文献(黑体小四号)X
(分页)
正文部分:
第一章引言
在社会信息化进程日益发展的今天,人们对住宅的关注已不再仅仅局限于居室面积、周边环境等方面,而是把更多的注意力放在与外界沟通、信息服务、安全防范、物业管理等方面,正是为了适应这种社会需求,住宅小区智能管理系统便应运而生。
小区智能控制系统主要是由一台中央管理计算机和多台数据采集器组成。
中央管理计算机完成数据采集、监控、收费管理及报警处理等组成。
可通过INTERNET和其它计算机远程连接。
每个数据采集器作为现场节点和中央管理计算机连接,构成网络系统。
数据采集器直接和每户的远传表、门磁、窗磁、玻璃破碎、烟雾、可燃性气体探测器以及紧急求助按钮等连接。
小区智能控制系统是现代居住小区不可缺少的一部分。
一个好的小区智能控制系统可以提升小区的管理水平,使小区的日常管理更加方便。
将计算机的强大功能与现代的管理思想相结合,建立现代的智能小区是物业管理发展的方向。
室外小区出入口控制,是把IC机安装在小区门口,通过NP312连接上网,小区常住居民凭IC卡出入,IC卡丢失立即报失并取消该卡资料,来访人员出入必须登记。
结构较为简单,将大大简化施工及系统维护的难度。
安全性:
设备和网络管理系统之间采用TCP点到点连接,设备不接收来自非网络管理系统IP地址的任何数据包。
第二章时基集成电路555概述
集成时基电路又称为集成定时器或555电路,是一种数字、模拟混合型的中规模集成电路,应用十分广泛。
它是一种产生时间延迟和多种脉冲信号的电路,由于内部电压标准使用了三个5K电阻,故取名555电路。
其电路类型有双极型和CMOS型两大类,二者的结构与工作原理类似。
几乎所有的双极型产品型号最后的三位数码都是555或556;
所有的CMOS产品型号最后四位数码都是7555或7556,二者的逻辑功能和引脚排列完全相同,易于互换。
555和7555是单定时器。
556和7556是双定时器。
双极型的电源电压VCC=+5V~+15V,输出的最大电流可达200mA,CMOS型的电源电压为+3~+18V。
555时基电路是一种将模拟功能与逻辑功能巧妙结合在同一硅片上的组合集成电路。
它设计新颖,构思奇巧,用途广泛,备受电子专业设计人员和电子爱好者的青睐,人们将其戏称为伟大的小IC。
1972年,美国西格尼蒂克斯公司(Signetics)研制出TmerNE555双极型时基电路,设计原意是用来取代体积大,定时精度差的热延迟继电器等机械式延迟器。
但该器件投放市场后,人们发现这种电路的应用远远超出原设计的使用范围,用途之广几乎遍及电子应用的各个领域,需求量极大。
美国各大公司相继仿制这种电路1974年西格尼蒂克斯公司又在同一基片上将两个双极型555单元集成在一起,取名为NF556。
1978年美国英特锡尔公司(Intelsil)研制成功CMOS型时基电路ICM5551CM556,后来又推出将四个时基电路集成在一个芯片上的四时基电路558由于采用CMOS型工艺和高度集成,使时基电路的应用从民用扩展到火箭、导弹,卫星,航天等高科技领域。
在这期间,日本、西欧等各大公司和厂家也竞相仿制、生产。
尽管世界各大半导体或器件公司、厂家都在生产各自型号的555/556时基电路,但其内部电路大同小异,且都具有相同的引出功能端。
555时基电路引脚图
第三章时基集成电路555的结构和工作原理
3.1555时基集成电路的特点和封装
常见的数字或模拟集成电路型号的阿拉伯数字,仅表示其编号。
而555时基集成电路的3个“5”,却有具体的内涵,故个生产厂家无一例外的在型号中加以保留。
这是因为在该集成基片上的基准电压电路是由三个误差极小的5k欧电阻组成的,分压精度高。
555电路大量应用于电子控制,电子检测,仪器仪表,家用电器,音响报警,电子玩具等诸多方面。
可以用作振荡器,脉冲发生器,延时发生器,定时器,方波发生器,单稳态触发器,双稳态多谐振荡器,脉冲调制器等等。
555时基电路之所以得到这样广泛的应用,在于它具有如下几个特点:
1.555在电路结构上由模拟电路和数字电路组合而成,它将模拟功能与逻辑功能兼容为一体,能够产生精确地时间延迟和震荡。
它拓展了模拟集成电路的应用范围。
2.该电路采用单电源。
双极型555的电压范围为4.5v-15v;
而CMOS型的电源适应范围更宽,为2v-18v.这样,它就可以和模拟运算放大器和TTL或CMOS数字电路公用一个电源。
3.555可独立构成一个定时电路,且定时精度高。
4.555的最大输出电流达200mA,带负载能力强。
可直接驱动小电动机,喇叭,继电器等负载。
555时基集成电路块的封装外形图一般有两种,一种是做成8脚圆形TO-99型,如图1-1(a)所示;
另一种是8脚双列直插式封装,如图1-1(b)所示。
556双时基集成块内含两个相同的时基电路,其封装外形如图1-2所示,是双列直插14脚封装。
CMOS型555/556时基集成块与双极型的555/556管脚排列完全相同,国产型号的
555/556与国外产品的管脚排列也一致,易于互换。
同时应指出,CMOS型555/556在绝大多数场合都可以直接替代双极型555/556,但CMOS型的驱动电流较双极型的要小,且多数电参数都有改善,如静态电流300uA,阀值端(VTH),触发端(VTR)和复位端(R)等的输入阻抗高达
的十次方欧姆,电源电压的适应范围也加宽,为2-18v。
3.1.1双极型555/556的等效电路和等效功能框图
尽管世界各大半导体公司,厂家都在生产各自型号的555/556的时基电路,但是其内部电路大同小异,且都具有相同的引出功能端。
图1-3示出了美国无线电公司生产的CA555时基电路的内部等效电路图。
图1-3美国无线电公司生产的CA555等效电路
鉴于各个双极型的555集成块的内部电路大同小异,下面主要以CA555为例分析其内部电路和原理。
从图1-3中可以看到,Q1-Q4,Q5,Q7组成上比较器A1,Q7的基极电位接在有三个5k欧电阻组成的分压器的上端,电压2/3VDD;
Q9-Q13组成下比较器A2,Q13的基极接电压器的下端,参考电位为1/3VDD.在电路设计时,要求组成分压器的三个5k欧电阻的阻值严格相等,以便给出比较精确地两个参数电位1/3VDD,2/3VDD.Q13-Q17与一个4.7K欧的正反馈电阻组合成一个双稳态触发电路。
Q18-Q21组成一个推挽式功率输出级,能输出约200mA的电流。
Q8为复位放大级,Q6是一个能承受50mA以上电流的放大晶体三极管。
双稳态触发电路的工作状态由比较器A1,A2的输出级决定。
555时基电路的工作状态如下:
当2脚,即比较器A2的反相输出端加进电位低于1/3VDD的触发信号时,则Q9,Q11导通,给双稳态触发器中的Q14提供一偏流,使Q14饱和导通,它的饱和压降VCES箝制Q15的基极处于低电平,使Q15截止,Q17饱和,从而使Q18截止,Q19导通,Q20完全饱和和导通,Q21截止。
因此,输出端3脚输出高电平。
此时,不管6端(阀值电压)为何种电平,由于双稳态触发器(Q14-Q17)中的4.7K欧电阻的正反馈作用(Q15的基极电流是通过该电阻提供的),3脚输出高电平状态一直保持到6脚出现高于2/3VDD的电平为止。
当触发器信号消失后,即比较器A2反相输入端2脚的电位高于1/3VDD,则Q9和Q11截止,Q14因无偏流而截止,此时若脚6无触发输入,则Q17的Vces饱和压降通过4.7k欧电阻维持Q13截止,使Q17饱和稳态不变,故输出端3脚仍维持高电平。
同时,Q18的截止使Q6也截止。
当触发器加到6管脚时,且电位高于2/3VDD时,则Q1,Q2,Q3接导通。
此时,若2脚无外加触发信号使Q9,Q14截止,则Q15偏流,使该极饱和导通,导致Q17截止,进而Q18导通,Q19,Q20都截止,Q21饱和导通,故3脚输出低电平。
当6脚的触发信号消失后,即该脚电位降至2/3VDD时,Q1,Q2,Q3皆截止,使Q15得不到偏流。
此时,若脚2仍无触发信号,则Q15通过4.7k欧电阻得到偏流,使Q15维持饱和导通,Q17截止的稳态,使3脚输出端维持在低电平状态。
同时,Q18导通,使放电级Q6饱和导通。
通过上面两种状态的分析,可以发现:
只要2脚的电位低于1/3VDD,即有触发信号触发信号加入时,必使输出端3脚为高电平;
而当6脚的电位高于2/3VDD时,既有触发信号加进时,且同时2脚的电位高于1/3VDD时,才能使输出端3脚有低电平输出。
4脚为复位端。
当在该脚加有触发信号,即其电位低于导通的饱和状压降0.3v时,Q8导通,其发射极电位低于1V,因有D3接入,Q17为截止状态,Q18,Q21饱和导通,输出端3脚位低电平。
此时,不管2脚,6脚为何电位,均不能改变这种状态,因Q8的发射极通过D3及Q17的发射极到地,故Q8的发射极电位任何情况下不会比1.4V电压高。
因此,当复位端4脚电位高于1.4V时,Q8处于反偏状态而不起作用,也就是说,此时输出端
3.1.2CMOS型555/556的等效电路和等效功能框图
3.2555/556的主要电参数和外引脚功能
第四章单稳态模式
4.1单稳态模式的概念
所谓单稳电路就好象是一扇弹簧门。
平时老是保持着关闭的状态,只有在外力推动时它才会打开;
但在开了一会儿之后它又会自动关闭。
我们把关闭状态叫做“稳态”,而把从推开门到恢复到关闭这一段时间的状态叫做“暂稳态”。
555的单稳电路由555电路本身和一个RC定时电路两大部分组成。
555电路的输入端就接在定时电路中的定时电容CT上。
在第1讲中已介绍过:
可以把555电路看成是一个特殊的R-S触发器,它的两个输人端的触发电平要求不同,阈值要求也不同。
因此,555单稳电路的工作过程大致是:
先取这个特殊触发器两种状态中的一种作为单稳电路的稳态。
然后用输入脉冲或人工板动开关等方法去启动这个电路,使它从原来的稳态转到另一种状态,即进人暂稳态。
与此同时,开始给定时电容CT充电,等CT上的电压达到阈值电压时,这个特殊的触发器就会从暂稳态又翻转回到原来的稳态。
从暂稳态开始到完全恢复成稳态的这段时间就是暂稳态的时间。
假定翻转的时间小到可以忽略不计,显然,暂稳态持续的时间只和定时电路中电阻电容的数值有关而和555电路以及触发脉冲天关。
触发脉冲在这里只是起着启动或开关的作用。
至于稳态和暂稳态究竟是高电平还是低电平,根据电路的要求决定。
可见555单稳电路中的两大部分的分工是:
555时甚电路本身好比是一扇门,它只管开或关;
定时电路则是控制开门的时间长短。
这两大部分是必不可少的。
4.2两种555单稳态电路
常用555单稳电路有2种:
第1种是把2个输入端都接到定时电容CT上,用开关人工启动的电路。
第2种是把阈值端TH和放电端DIS接到定时电容CT上,用脉冲从触发端输入启动的电路。
第1种电路常用作定时控制,第2种电路的用途比较广,除定时控制外,还可作分频器。
脉冲信号发生器。
元件参数检测。
脉冲失落检测。
脉冲宽度检测以及玩具游戏机电路等。
1.人工启动式
这种单稳电路是把阈值端TH(6)和触发端
(2)同时接在定时电容CT上,在定时电容两端并联一个按钮开关SB,用人工按动开关的方法来启动这个电路。
定时电路中电阻RT和电容CT的数值是由定时时间的要求决定的。
为了保证电路可靠地工作,总复位端(4)应该接到电源正端,电压控制端VC(5)在不使用时应该接1个容量为0.01微法的电容防止干扰。
放电端DIS(7)不用时可以悬空,见图1(a)。
现在来看看它的稳态和暂稳态以及它们的转换过程。
(1)稳态:
电路接上电源后,电容CT上的电压很快被充到等于电源电压VCC。
按第1讲的方法把555电路简化成1个特殊的触发器,因为放电端DIS悬空不用可以略去不画,于是可以把图1(a)简化成图1(b)。
可以看到:
因为CT上的电压等于VCC:
VCT=VCC,对于这个特殊的触发器来讲,它的两个输入端都是高电平:
即R=1.=1。
对照这个特殊触发器的逻辑功能表,它的输出应接是低电平,即VO=0。
它就是这个单稳电路的稳态。
(2)暂稳态:
按一下按钮开关SB,电容CT上的电压很快降到零:
VCT=0。
对这个特殊的触发器来讲,两个输人端都是低电平:
R=0.=0。
对照它的逻辑功能表,它的输出应该转成高电平,即VO=1。
当按钮开关放开后,这个特殊的触发器保持输出高电平,同时电源电压向定时电容CT充电,暂稳态开始,见图1(C)。
经过一段时间ta之后,CT上的电压上升到VCT>2/3Vcc,即达到触发器翻转的阈值电压时,这个特殊触发器的输入端都成为高电子:
R=1.=1,于是它的输出又立即翻转成低电平。
即VO=0。
也就是暂稳态结束,又回到稳态。
555电路的输出从低电平翻转到高电平以后到再一次恢复到低电平的这段时间就是单稳电路的暂稳态时间td。
它也叫做定时时间或延时时间。
它是和定时电路中RT和CT的数值有关的;
RT和CT的数值越大,定时时间td越长。
它们之间的关系:
td=1.1RTCT。
RT的单位是欧姆。
CT的单位是法拉。
td的单位是秒。
例如:
RT是1兆欧。
CT是1微法时,td=1.1秒。
这是555单稳工作方式的第1种电路。
但是在具体应用时它会有很多变型。
例如定时电容和定时电阻的位置,可以是电阻在上电容在下,也可以是电容在上电阻在下;
负载的按法也有接在VO与地之间或接在VO与Vcc之间;
人工启动的开关可以并联在电容CT上,也可以串联在电源中等等。
于是使得电路变得更加复杂难以识别。
但只要抓住这个电路的2个特点:
①有一个RC定时电路,2.6输入端同时接在定时电容CT上,②用人工扳动开关或类似的方法触发启动的,就能确定它是属于人工启动式的单稳电路。
2.脉冲启动式
555单稳工作方式的第2种基本电路和第1种基本电路不同的地方是;
①把阈值端TH(6)和放电端DIS(7)同时接到定时电容CT上.使电容有自动快速放电的功能;
②用触发器
(2)作脉冲输入启动端,平时要求接高电平,输入负脉冲时才能使电路启动。
其它各端的接法和第1种基本电路相同。
见图2(a)。
现在来看看这个电路是怎样工作的。
(1)稳态:
电源接通后,因为触发端平时接高电平,对这个特殊的触发器来讲,它的输入端是高电平:
=1,所以它的输出被置成零:
VO=0。
内部放电开关SA接通,DIS端接地,定时电容CT上电压为0,这个特殊触发器的另一输入端为R=0。
因此它的输出保持低电平:
这是这个单稳电路的稳态。
见图2(b).
(2)暂稳态:
当触发输入
(2)输入一个负脉冲,而且负脉冲的幅度低于1/3Vcc时,这个特殊触发器的输入=0。
使它的输出翻转成高电平:
VO=1。
这时内部放电开关SA打开,电源电压通过RT向CT充电,暂稳态开始。
见图2(C)。
经过一段时间td之后,CT上电压升到>2/3Vcc,使它的输入R=1,于是它又翻转回原来的稳态,即VO=0。
见图2(b)。
这时内部放电开关SA重新接通,CT上的电荷快速放电到零,为下一次定时控制作好了推备。
从定时电容CT开始充电到充到2/3Vcc所需的时间就是暂稳态时间td。
理论计算证明:
td=l.1RTCT。
整个电路各输入输出端的波形见图2(d)。
从波形图看到:
①只要触发脉冲的幅度低于1/3Vcc,电路就能触发启动。
定时时间td只和RTCT时间常数有关,而与触发脉冲的宽度。
幅度无关。
因此用改变RT和CT数值的方法可调整定时时间。
②外脉冲触发启动后电路自动进人暂稳态和自动回到稳态,在暂稳态时间td内出现的触发脉冲是不起作用的。
从图2(d)看,第2个脉冲在td内出现,因而是无效的。
这个单稳电路在具体应用时也会有很多变型。
例.如定时电阻RT可能是光敏元件。
热敏元件或其它元器件;
负载可能有继电器。
指示灯。
可控硅等;
电路接法上也还可以有变化,有时也可以把开关接在触发端用人工启动等等。
但是只要抓住电路的2个特点:
①有一个RTCT定时电路.7.6端并接在定时电容CT上;
②从2端输入启动。
就可基本确定它是属于脉冲启动式的单稳电路。
4.3单稳态模式工作原理
单稳态触发器的四种基本电路图:
图(a)所示电路是典型的单稳模式电路。
当外加脉冲经C1、R1微分电路加至555的2脚时,负向脉冲(<
1/3VDD)使555置位,3脚输出暂稳脉冲宽度td=1.1RC。
图(b)与图(a)类同,但它有两个输出端。
C通过R至555内部灌电流放电,恢复时间比图(a)要长。
图(c)电路的2、6脚接法与图(a)、(b)不同,外加触发应为正向脉冲,幅值应大于号VDD,暂稳脉冲为负向,其宽度td=1.1RC,可同时输出两路。
图(d)与图(c)类同,但由于在充电回路中加进了导向二极管D,加快了充电速率,使工作频率大大提高。
该电路可同时输出两路。
…………(格式同上)
第五章基于555时基电路的红外线防盗报警及有毒有害气体报警的实现电路
5.1有毒有害气体气体报警电路
如下图示.在室内空气正常情况下,555电路输出端3脚为高电平。
当气敏元件MQ211检测到可燃气体时,如煤气,液化气,汽油,酒精,烟雾等有毒有害气体,气敏管内阻急剧下降,555的2脚电位高于1/3VDD=4V时,555工作状态返转,3脚变为低电平,继电器吸合,接通报警电源,报警发出报警声,提醒用户注意。
同时发光二极管报警器LED2(红色)闪亮。
正常情况,LED1(绿色)亮,可用作电源指示。
气敏管MQ211需要一个稳定的加热电压,其值约为5v,可通过RP1,R1的分压来确定。
气敏元件也可换用对某种有害气体特敏感的的传感器,调试时注意每种类型传感器的加热电压的差异。
同时,调试时有大约1分钟左右的预热时间。
电位器RP2用于调整555触发器端2脚的触发电平,正常条件下约为3.5v。
报警电路可选用555电路组成的报警器,也可选用专用音响集成块,如
KD9561等器件。
本电路中的继电器还可以控制机外的报警或排气扇等设施。
5.2红外线防盗报警电路
发射电路:
由555组成振荡器,震荡频率为30MHZ,占空比为10:
1的震荡信号VT作电流放大后推动发射头内的红外接收发射头内的红外发射管向外辐射30MHZ脉冲红外线。
接收电路:
当接收头接收到发射头发射的脉冲红外线时,产生的电脉冲一级前置顶放后,由1脚输入IC内部进行放大,整形,带通比较,由7脚输出低电平。
此时,VT2,VT3截止,VT4导通使继电器K吸合。
如果从发射头至接收头的红外线束被物体遮挡,VT3导通而VT4截止,继电器K释放,其触点S1断开,S2接通报警器报警。
第六章结论
上述两种报警器充分利用了555集成电路的功能。
致谢
毕到了业设计过程中得樊天锁教员的精心指导和大力支持,教员以严谨求实的治学态度,高度的敬业精神,兢兢业业、孜孜以求的工作作风和大胆创新的进取精神对我产生重要的影响。
他渊博的知识,开阔的视野和敏锐的思维给了我深深地启迪。
同时,在这次毕业设计过程中我也学到了许多关于555集成电路方面的知识,对理论转变为实际应用有了更深刻的认识,同时555集成电路设计理论有了很大的提高。
另外,我还要特别感谢舍友对我论文写作的指导,他们为我完成这篇论文提供了巨大的帮助。
参考文献
1.陈永莆.555集成电路应用800例,电子工业出版社1992
2.王国定.CMOS模拟集成电路的应用,上海科学技术出版社1985
3.周仲.集成电路应用350例,电子工业出版社1988
4.赵保经,朱介炎.简明CMOS集成电路手册,上海科学技术出版社1988
5.梁健.555定时器的功能分析和应用综述,成都航空职业技术学院学报2002年03期
6.陈言付.555定时器的应用初探,池州师专学报2003年05期
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