电子技术课程设计说明书玩具车555.docx

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电子技术课程设计说明书玩具车555

目录

1.引言…………………………………………………………………………………1

2设计………………………………………………………………………………2

3设计整体思路……………………………………………………………………….2

4555定时器3

4.1555定时器概述3

4.2555定时器的功能3

4.3555定时器的应用4

4.4555时基电路的电路结构和逻辑功能4

4.4.1电路结构及逻辑功能4

4.4.2555时基电路的主要参数6

5基本原理框图7

5.1基本原理7

5.2设计基本框图8

5.3实际电路图9

6具体电路设计及单元电路10

6.1控制电路10

6.2主电路11

6.3电源电路11

7仿真分析12

7.1仿真软件介绍12

7.3理论分析16

7.4仿真分析16

参考文献17

致谢…………………………………………………………………………………18

1.引言

现代玩具工业在经历了塑料玩具、电子玩具之后正在向智能玩具时代迈进，并不断地用高科技武装玩具，研发出各种集知识性、趣味性于一体的智能玩具。

智能玩具的各项技术的研发是高端技术的试验田和基础源泉，智能玩具的开发研制将在社会中新技术发展，提高人们生活质量中发挥越来越重要的作用。

具体表现在：

（1）为智能玩具应用高端科技提供技术基础支持，学习锻炼的平台；

（2）智能玩具可开发智力，锻炼技术，提高创新水平。

2设计目的

2.1了解并掌握电路的一般设计方法，具备初步的独立设计能力。

2.2学习Multisim仿真软件。

2.3通过课程设计，加深对555集成电路有关知识的掌握与理解，培养对电路的设计与分析能力。

3设计整体思路

555集成电路功能强大，可实现多种功能并且成本较低，可行性较高，设计的可调速玩具电动车以555集成电路为核心，设计思想主要是通过调节555振荡器的充电时间常数来调节玩具电动机的转速。

电路由三部分构成：

控制电路，主电路，电源电路。

玩具车的调速过程如下：

合上电源开关，555定时器输出矩形脉冲，在输出高电平时，电动机得电运转，输出低电平时，电动机失电，只能依靠自己的惯性运转。

调节控制电路的滑变电阻器，就能改变555振荡器的充电时间常数，从而改变输出高电平、低电平的占空比，也就达到了调节玩具车速度的目的。

4555定时器

4.1555定时器概述

555定时器是一种模拟和数字功能相结合的中规模集成器件。

一般用双极性工艺制作的称为555，用CMOS工艺制作的称为7555，除单定时器外，还有对应的双定时器556/7556。

555定时器的电源电压范围宽，可在4.5V~16V工作，7555可在3~18V工作，输出驱动电流约为200mA，因而其输出可与TTL、CMOS或者模拟电路电平兼容。

555定时器成本低，性能可靠，只需要外接几个电阻、电容，就可以实现多谐振荡器、单稳态触发器及施密特触发器等脉冲产生与变换电路。

它也常作为定时器广泛应用于仪器仪表、家用电器、电子测量及自动控制等方面。

它内部包括两个电压比较器，三个等值串联电阻，一个RS触发器，一个放电管T及功率输出级。

它提供两个基准电压VCC/3和2VCC/3。

4.2555定时器的功能

555定时器的功能主要由两个比较器决定。

两个比较器的输出电压控制RS触发器和放电管的状态。

在电源与地之间加上电压，当5脚悬空时，则电压比较器A1的反相输入端的电压为2VCC/3，A2的同相输入端的电压为VCC/3。

若触发输入端TR的电压小于VCC/3，则比较器A2的输出为1，可使RS触发器置1，使输出端OUT=1。

如果阈值输入端TH的电压大于2VCC/3，同时TR端的电压大于VCC/3，则A1的输出为1，A2的输出为0，可将RS触发器置0，使输出为0电平。

555定时器可以说是模拟电路与数字电路结合的典范。

两个比较器C1和C2各有一个输入端连接到三个电阻R组成的分压器上，比较器的输出接到RS触发器上。

此外还有输出级和放电管。

输出级的驱动电流可达200mA。

比较器C1和C2的参考电压分别为UA和UB，根据C1和C2的另一个输入端——触发输入和阈值输入，可判断出RS触发器的输出状态。

当复位端为低电平时，RS触发器被强制复位。

若无需复位操作，复位端应接高电平。

4.3555定时器的应用

（1）构成施密特触发器，用于TTL系统的接口，整形电路或脉冲鉴幅等；

（2）构成多谐振荡器，组成信号产生电路；

（3）构成单稳态触发器，用于定时延时整形及一些定时开关中。

555应用电路采用这3种方式中的1种或多种组合起来可以组成各种实用的电子电路，如定时器、分频器、脉冲信号发生器、元件参数和电路检测电路、玩具游戏机电路、音响告警电路、电源交换电路、频率变换电路、自动控制电路等。

555时基电路是一种将模拟功能与逻辑功能巧妙地结合在同一硅片上的组合集成电路。

该电路可以在最基本的典型应用方式的基础上，根据实际需要，经过参数配置和电路的重新组合，与外接少量的阻容元件就能构成不同的电路，因而555电路在波形的产生与变换、测量与控制、家用电器、电子玩具等许多领域中都得到了广泛应用。

4.4555时基电路的电路结构和逻辑功能

4.4.1电路结构及逻辑功能

图1定时器内部电路图

图2555时基电路的电路结构和引脚图

由图可知555电路由电阻分压器、电压比较器、基本RS触发器、放电管和输出缓冲器5个部分组成。

它的各个引脚功能如下：

1脚：

GND（或Vss）外接电源负端VSS或接地，一般情况下接地。

2脚：

TR低触发端。

3脚：

OUT（或Vo）输出端。

4脚：

R是直接清零端。

当R端接低电平，则时基电路不工作，此时不论TR、TH处于何电平，时基电路输出为“0”，该端不用时应接高电平。

5脚：

CO（或VC）为控制电压端。

若此端外接电压，则可改变内部两个比较器的基准电压，当该端不用时，应将该端串入一只0.01μF电容接地，以防引入干扰。

6脚：

TH高触发端。

7脚：

D放电端。

该端与放电管集电极相连，用做定时器时电容的放电。

电阻分压器由三个5kΩ的等值电阻串联而成。

电阻分压器为比较器C1、C2提供参考电压，比较器C1的参考电压为2/3Vcc，加在同相输入端，比较器C2的参考电压为1/3Vcc，加在反相输入端。

比较器由两个结构相同的集成运放C1、C2组成。

高电平触发信号加在C1的反相输入端，与同相输入端的参考电压比较后，其结果作为基本RS触发器R端的输入信号；低电平触发信号加在C2的同相输入端，与反相输入端的参考电压比较后，其结果作为基本RS触发器S端的输入信号。

基本RS触发器的输出状态受比较器C1、C2的输出端控制。

8脚：

VCC（或VDD）外接电源VCC，双极型时基电路VCC的范围是4.5～16V，CMOS型时基电路VCC的范围为3～18V。

一般用5V。

在1脚接地，5脚未外接电压，两个比较器C1、C2基准电压分别为2/3Vcc，1/3Vcc的情况下，555时基电路的功能表如表1.1所示：

表1.1555时基电路的功能表

输入

输出

功能

清零端

高触发端TH

低触发端

OUT（

）

放电管VT

0

X

X

0

导通

直接清零

1

>

>

0

导通

置0

1

<

<

1

截止

置1

1

<

>

不变

不变

保持

4.4.2555时基电路的主要参数

 555时基电路的主要参数有电源电压、静态电流、定时精度、阈值电压、阈值电流、触发电压、触发电流、复位电压、复位电流、放电电流、驱动电流及最高工作频率。

电源电压：

4.5——16V

静态电流：

10mA

定时精度：

1%

阀值电压：

阀值电流：

0.1uA

触发电压：

触发电流：

0.5uA

复位电压：

1V

复位电流：

400uA

放电电流：

200mA

驱动电流：

200mA

最高工作频率：

500kHz

5基本原理框图

5.1基本原理

把555定时器的TH、TR两个输入端即２、６端连接在一起，再外接电阻Ｒ１，Ｒ２和电容Ｃ，就可以构成多多谐振荡器，该电路不需要外加出发信号，通电后能产生周期性的矩形脉冲或方波。

图3多谐振荡器

图4产生的矩形波

5.2设计基本框图

控制电路

→

主电路

→

电源

5.3实际电路图

6具体电路设计及单元电路

6.1控制电路

控制电路由电阻

，滑动变阻器RP，二极管D1，D2，电容C2，C3构成，555定时器组成。

工作原理和控制过程如下：

调节ＲＰ的阻值，就可以调节输出高电平

的宽度，从而有效地改变输出波形的占空比，也达到了调节小车转速的目的。

充电时，电源通过R1，RP的上半部分，D2向电容C2充电，当电容C上的电压Uc略微超过2/3Vcc时，C2上的电荷通过D1，R2，RP的下半部分向芯片内的放电管泄放，即放电回路与充电回路由于D1、D2的接入是分开的，电路参数的振荡频率为1.43Hz，占空比范围为0.25～0.75。

调节RP1，可调节其占空比，实际上是调节电路的充放电时间常数，从而调节电动机的通电时间，即达到了调节电动机转速的目的。

路。

由于电路接入了二极管D1、D2，即放电回路与充电回路由于二极管的接入而分开，充电时在R1、RP上半部分、D2支路，放电时在D1、R2，ＲＰ下半部分支路。

这种玩具车是以555集成电路为核心组成的，通过调节555振荡器的充电时间常数，来调节电动车电动机的转速

555和电阻、电容组成一个元稳态多谐振荡器。

多谐振荡器有两个暂稳态。

在刚通电时，2脚的低电位使555先处于置位状态，由于C1上的电压不会突变，低于1/3Vcc,555定时器内部VT截止，３脚输出的Uo为高电平，电源Vcc通过R1，RP，D2给电容C2充电。

随着充电的进行，Uc2逐渐增大，但是只要1/3Vcc

当电容C2上的电压Uc略微超过2/3Vcc时，RS触发器置0，使输出电压从原来的高电平转为低电平，3脚转为低电平，既Uo=0，VT1截止，电动机M失电，电动车依靠惯性滑行。

VT饱和导通，此时的电容C2通过二极管VD2、R2、RP向芯片内的放电管泄放。

随着电容C放电，Uc下降，但只要1/3Vcc

当Uc下降到略低于1/3Vcc时，RS触发器置1，电路输出又变为高电平，，VT截止，电容C1再次充电，又重复上述过程，电路变输出周期性矩形脉冲。

其工作过程如图

图5　

和

关系图

多谐振荡器的震荡频率为

f=1.44/（R1+RP+R2+R3）C2

调节RP1，可调节充放电时间常数，从而调整电动机的通电时间，并达到调节电动机转速的目的。

6.2主电路

输出电路由电阻R3，三极管VT，电容C1和电动机构成。

电阻R3和三极管的基极直接相连，起到调节三极管基极电流的作用，取值R4=150

。

因为电容是储能元件，有消除尖峰电压的作用。

跨接在电动机M两端的电容器C1还起起平滑的作用，可消除直流电动机的电刷火花，并使调速更加平稳，同时对防止三极管VT被反向击穿也有好处。

VT1可选用NPN型管8050，它的Pcm=1W，Icm=1.5A,BVcom=25V,BVebo=6V;电位器可选用带开关的电位器，如WH9-K1等。

6.3电源电路

555定时器的工作电压范围是4.5V~18V，电路承受电压的能力也较大，市场上玩具电动车的主流电压是6V，因此选6V的工作电源，开关则选普通的动合开关。

7仿真分析

7.1仿真软件介绍

Multisim是美国国家仪器（NI）有限公司推出的以Windows为基础的仿真工具，适用于板级的模拟/数字电路板的设计工作。

它包含了电路原理图的图形输入、电路硬件描述语言输入方式，具有丰富的仿真分析能力。

我们可以使用Multisim交互式地搭建电路原理图，并对电路进行仿真。

Multisim提炼了SPICE仿真的复杂内容，因此无需懂得深入的SPICE技术就可以很快地进行捕获、仿真和分析新的设计，这也使其更适合电子学教育。

通过Multisim和虚拟仪器技术，PCB设计工程和电子学习研究可以完成从理论到原理图捕获与仿真再到原型设计和测试这样一个完整的综合设计流程。

Multisim10.1仿真实验在实验教学中的优势：

1.高指标的虚拟仪器和充足的元器件资源 

电子仿真实验软件内的虚拟仪器不仅品种齐全，而且技术指标高，随时可以拖放到工作区使用，并能实时显示有关数据和波形。

2.弥补了实验经费不足的缺憾

传统的电子技术实验需要有仪器设备和元器件的支持，有些实验仪器耗资大，仪器操作技术要求较高，在教育经费不足的情况下，有些学校所能开出的实验项目和数量受到限制。

特别是近年来一些学校扩大招生规模，而实验基础设施跟不上，仿真电子实验弥补了因实验仪器及经费不足造成的缺憾。

另外，仿真实验不涉及仪器折旧和更新换代，通过软件升级就能保持实验的先进性。

一些需要价格昂贵的仪器而无法开展的实验，通过仿真就能够容易实现。

3.扩展了学生的实践空间和实验内容

仿真实验可作为学生实验前的预习和课后分析总结，也可作为学生创造性思维的检验平台。

只要有Multisim软件和一台计算机就能进行电子技术仿真实验，打破了时间和空间的限制，学生可以在不同的时间、地点和领域自主进行实验，增强他们提出问题、分析问题和解决问题的能力，并根据自己的兴趣爱好，选择一些传统实验较少涉及的实验内容，如用运算放大器实现回转器、负阻抗变换器等，这部分内容的实现原理在近代教科书中早有论述，用传统方法进行实验比较繁琐，采用Multisim电子工作平台则容易分析它们的性能。

因此，电子仿真实验满足了不同层次学生的需要，从而大大扩展了实践空间和实验范围。

4.有利于学生开展探索性研究性实验

传统的电子技术实验教学，任课老师在课前把仪器设备及元器件准备好，学生照讲义的实验步骤按部就班的进行，这就不可避免地把学生置于被动地位，他们很少有机会按自己的思维开展设计性实验。

近年来，新的教育理念强调教学要以学生为主体，要注重培养学生的创新思维。

许多院校大幅度压缩验证性实验的比例，增加设计性实验的内容，但在实际运作过程中，往往因仪器和元器件不足而存在着很大的局限性。

仿真电子实验使学生进行研究和探索性实验成为可能。

7.2电路仿真加原理图

以下是示波器，电压表，电流表测量的各个点的接线图

其中：

示波器1A通道测量555的输出电压Uo，B通道测三极管基极电压

，电流表1测量通过电机电流

，电流表2测基极电流

电压表3测电机电压

，电压表4测三极管

，电压表5测量电阻

电压。

q最大

q最小

q为50%

原理图

7.3理论分析

取值：

，

，

，

，

，

电源电压：

Ｕ＝６Ｖ

其中RP为滑动变阻器。

在电动机电路中，因为电流较小，端电压和电流的近似呈线性关系，经测定，等效电阻为

，三极管的放大倍数为：

充电时间：

放电时间：

周期：

理论计算结果：

T=1.05s，

最大占空比：

=66.7%

最小占空比：

=33.3%

功率：

=

7.4仿真分析

由仿真结果，可以计算仿真值如下：

（1）当q为最大时

q=622.879ms/880.682ms=0.753

U

=1.878VU

=1.94V,I

=646.641mA

得最大的功率：

P

=1.254W

（2）当q最小时

q=227.28ms/899.621ms=25.3%

U

=658.535mv,I

=219.513mv，

得最小功率：

Ｐ

=0.144W

可得实际的功率范围为：

0.144W～1.254W

8总结体会

1.这次设计让我了解并掌握电路的一般设计方法，具备初步的独立设计能力

2.这次设计然我初步学习protel绘图软件和EWB或其他仿真软件，增加了学习兴趣，增强了动手的能力.

参考文献

1毕满清，电子技术实验与课程设计，机械工业出版社，2003

2张建华，数字电子技术，机械工业出版社，2003

3王远，模拟电子技术，机械工业出版社，2003

4童诗白，模拟电子技术基础，高等教育出版社，1999

5阎石，数字电子技术基础，高等教育出版社，1999

致谢

在学习中,老师严谨的治学态度、丰富渊博的知识、敏锐的学术思维、精益求精的工作态度以及侮人不倦的师者风范是我终生学习的楷模，老师们的高深精湛的造诣与严谨求实的治学精神，将永远激励着我。

这三年中还得到众多老师的关心支持和帮助。

在此，谨向老师们致以衷心的感谢和崇高的敬意！

另外，感谢校方给予我们这样一次机会，能够团队完成一个课程设计，明白分工合作和团队精神的重要。

并在这个过程当中，给予我们各种方便，使我们在这考试与课程设计的紧张时候里，增强了我们实践操作和动手应用能力，提高了独立思考的能力。

感谢指导老师和同小组同学在这次课程设计给自己的指导和帮助，是他们教会了我专业知识，教会了我如何学习，教会了我如何做人。

正是由于他们，我才能在各方面取得显著的进步，在此向他们表示我由衷的谢意。

感谢寝室里的班上同学和舍友，是你们三年来对我的关照使我的拥有一个良好的学习和生活环境是我能专心学习生活。

最后，我要向百忙之中抽时间对本文进行审阅，评议和参与本人论文答辩的各位老师表示感谢。