跳到主要内容

警笛电路设计：使用 NE555 定时器

在本项目中，我将向你展示如何使用 NE555 定时器 IC 设计一个简单的 警报器电路。我还会与您分享该电路的工作原理以及该项目背后的基本概念。

该项目的核心概念是 多谐振荡器（Multivibrator）。因此，在深入了解本项目的细节之前，我们先来理解一下多谐振荡器的原理。

alt text

1. 多谐振荡器​

多谐振荡器在许多应用中都有广泛的使用，因为它们是应用最广泛的电路之一。其应用范围可以从简单的家用电器到复杂的工业或通信应用。多谐振荡器也可以用作振荡器、数字触发器、脉冲发生电路、定时器，甚至可以用在发电机电路等更多应用中。

多谐振荡器主要有三种类型，分别是：

1.1 无稳态多谐振荡器（Astable Multivibrator）​

无稳态多谐振荡器实际上没有稳定状态，它有两个准稳定状态，会快速地从一个状态切换到另一个状态，然后再次切换回原状态。因此，它主要在没有外部触发输入的情况下，周期性地在高电平和低电平之间切换。

1.2 单稳态多谐振荡器（Monostable Multivibrator）​

在两个状态中，一个为稳定状态，另一个为准稳定状态。当给定一个触发输入时，它会从稳定状态切换到准稳定状态，并在预设的时间后自动切换回稳定状态。

1.3 双稳态多谐振荡器（Bistable Multivibrator）​

在这种多谐振荡器中，两个状态都是稳定的。要改变低电平和高电平之间的状态，需要使用两个不同的输入触发信号。

所有上述三种类型的多谐振荡器都可以通过晶体管轻松构建。但有一种易于获取的集成电路（IC）可以作为无稳态、单稳态或双稳态多谐振荡器使用，它就是 555 定时器。

2. 555 定时器引脚图​

alt text

2.1 555 定时器引脚功能​

引脚号引脚名称输入/输出功能
1Gnd输入提供地
2Trigger输入触发比较器输入引脚。在单稳态操作中，提供负触发信号（< 13Vcc\frac{1}{3}V_{cc}）
3Output输出输出引脚
4Reset输入内部触发器复位引脚。必须保持高电平以启用输出
5Control输入控制电压输入，用于管理外部电容器的充放电
6Threshold输入阈值比较器输入引脚。在双稳态操作中，提供正触发信号（> 23Vcc\frac{2}{3}V_{cc}）
7Discharge输入放电引脚。为外部电容器提供放电路径
8Vcc输入用于正向偏置电压。电压范围为 4.5 V 至 16 V

555 定时器是一种多功能芯片，由于其多功能性，它可以应用于几乎所有类型的电路。它是一种双列直插式封装（DIP）或小外形封装（SOP）芯片，具有 8 个引脚，能够提供 200 mA 的直流驱动输出。该芯片由模拟和数字元件组成，因此被称为混合信号芯片。其一般应用包括生成定时信号、时钟波形、方波振荡器等。

2.2 555 定时器内部框图​

alt text

从上图可以看出，555 定时器包含两个比较器，一个为 RS 触发器，另一个由一些离散元件（如晶体管、电阻等）组成。通过三个等值电阻的电压分压器将偏置电压分为三部分，非反相端获得 13Vcc\frac{1}{3}V_{cc} 的触发电压，而反相端获得 23Vcc\frac{2}{3}V_{cc} 的阈值比较器电压。RS 触发器的 R 和 S 输入端接收两个比较器的输出。IC 的实际输出为 Q‾\overline{Q}（Q 反），而输出端为 Q。在外部电容器达到高电平时，放电晶体管为其提供放电路径。

当输入引脚触发端的负触发信号（> 13Vcc\frac{1}{3}V_{cc}）时，触发比较器输出高电平，触发器复位，IC 输出（Q‾\overline{Q}）变为高电平。

当输入引脚阈值端的正触发信号（< 23Vcc\frac{2}{3}V_{cc}）时，触发器置位，因为阈值比较器的输出为高电平。IC 输出变为低电平，因为输出 Q 变为高电平。此时，外部电容器通过放电晶体管放电。高电平输入保持触发器启用。在低电平状态下，触发器输出无效，输出为低电平。此时，阈值和触发比较器的输出对电路无影响。

3. 警笛电路设计：使用 NE555 定时器​

alt text

3.1 所需元件​

  • 555 定时器 IC x 2
  • 电阻器 - 1KΩ，10KΩ x 3，68KΩ
  • 电容器 - 100nF x 2，10µF x 2
  • 小型扬声器
  • 9V 电池
  • 面包板
  • 连接导线

3.2 工作原理​

该电路产生类似警笛的声音。555 定时器 IC 是一种用于各种定时、脉冲生成和振荡器应用的集成电路。555 可用于提供延时、作为振荡器以及作为触发器元件。在此项目中，我使用了两个 555 定时器 IC，且这两个 555 IC 均配置为无稳态多谐振荡器。

alt text

首先，555 定时器被连接为低频振荡器，以控制第二个 555 定时器的控制引脚（引脚 5）上的电压。引脚 5 上的电压变化是第二个振荡器频率上升和下降的基础。

该警笛电路基于 NE555 定时器 IC 构建。电路使用两个 NE555 IC，且这两个定时器 IC 在电路中均配置为无稳态多谐振荡器。然而，这两个 IC 在电路中工作在不同的频率。

IC1 是一个低频无稳态多谐振荡器，工作频率为 20Hz，占空比为 50%；而 IC2 是一个高频无稳态多谐振荡器，频率为 600Hz。IC1 的输出被送至 IC2 的控制引脚（引脚 5）。通过这种配置，IC2 的输出频率将根据 IC1 的输出频率进行调制。该电路的工作电源电压范围为 6V 至 15V。

为了改变警笛的频率范围，可以通过更换适当的电位器来调整 R2 和 R4 电阻器的值。通过在输出端连接功率放大器，可以提高声音的音量。通过在合适的位置连接闪烁的 LED，可以产生更逼真的警笛效果。该电路可以在 Perfboard 上制作。也可以使用 NE556 替代两个 NE555。