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【摘 要】LM555是一种应用广泛的模拟—数字混合式（即双极型）集成电路，论文于LM555控制电路基础上研究定时和控制于一体的电路。LM555定时器构成多谐振荡器，在控制电路中调节电位器确定输出波形的占空比，控制负载运行启停的时间；编码电路计数给予触发器计数脉冲，触发器的高低电平控制继电器的吸合与断开进而控制负载的启停，本设计整体实现了弱电对强电负载运行的控制。本设计有控制精确、经济耐用、灵敏性高等优点，有广泛的利用价值和市场发展前景。
【Abstract】LM555 is a widely used analog-digital mixing mode （bipolar） integrated circuit. Based on the LM555 control circuit， the circuit of timing and control is studied in this paper. The LM555 timer forms a multivibrator. In the control circuit， the duty ratio of the output waveform is determined by adjusting the potentiometer， and control the starting and stopping time of the load. Code circuit count gives count pulse to trigger， the high and low voltage level of trigger control the actuation and disconnection of the relay， and then control the start and stop of the load. The whole design realizes the control of weak current to the operation of strong electric load. This design has the advantages of precise control， economy and durability， and high sensitivity. It has extensive use value and the prospect of market development.
【关键词】LM555；双极型；74LS148；继电器
【Keywords】LM555； bipolar type； 74LS148； relay
【中图分类号】TK31 【文献标志码】A 【文章编号】1673-1069（2018）06-0194-03
1 引言
LM555时基电路主要应用于各类定时控制电路中，是鱼塘增氧定时控制的典型应用。为了应对目前市场需求、技术要求的定时控制电路的复杂化，在本产品中主要设计了时钟模块、编码模块、定时/计数模块和继电器驱动模块等。在实际应用中需要将负载工作时间具体化、精确化。本产品在节约成本、要求产值最大化等方面具有重要用途[1]。
2 系统结构
通常系统在强压、强电背景下，弱电控制容易发生失控现象，模拟数字混合式电路可克服这一现象，它不仅结构简单、易控制、稳定性好且受外界干扰性强等优点。本文基于定时芯片LM555，探讨鱼塘自动定时控制开关电路设计，如下图1、图2所示，是系统总体框图及控制电路总体设计流程图，本系统主要由逻辑电路构成，内部通过5V控制外部工厂380V高电压，整体设计以高安全、易保护、低功耗、高稳定、易控制为目的。
3 硬件设计功能
3.1 时钟模块
用LM555定时器可组成多谐振荡器，又叫方波发生器（电路无稳定状态，只有两个暂稳态，可产生一定幅度、频率的矩形波信号，用“1”和“0”分别表示两种不同的状态）。如下图3所示，是多谐振荡基本电路图，正常工作时R1C1的时间常数远大于（R2+R3）C1的时间常数[2]。通电前C1、C2两端电压为0V，二极管VD2截止，555时基电路与R2、R3、C2构成的无稳态振荡器可正常起振。起振过程是：开始时555定时器置位，3引脚输出高电平，C2开始充电，充至2/3VDD时555复位；3、7引脚输出低电平，C2开始放电使两端电压下降至1/3VDD时定时器置位，置位、复位不断周期循环，引起电路振荡，振荡频率为F=1.44/（R2+2R3）*C2。
3.2 编码模块
74LS148是8-3线优先编码器之一，功能主要对8条数据线（0-7）进行3位（八进制）优先编码，对最高位数据线译码，可利用输入选通端（EI）和输出选通段（E0）进行八进制扩展。本系统采用两片74LS148完成16-4线优先编码，之间并级连接，各8条数据线公接一个上拉电阻，U3的EO口给U4的EI，共接地线和电源线，各输出的3条数据线输入给四个高低优先级别的与非门（7400N），编译出低四位（十六进制）定时/计数初值，完成自动周期运转。数字逻辑电路在强压强电下不会发生“跑飞”现象且计数准确性高等。
3.3 定时/计数模块
定时/计数功能由74LS161實现，74LS161是常用的四位二进制可预置的同步加法计数器，它可灵活地运用在各种数字逻辑电路和单片机系统中其实现分频器等功能。7400N输出四位十六进制数，输入给74LS161预置的初值，在此基础上加1计数（十六进制加法），计数计满溢出输出高/低电平信号给触发器（74ALS20AN），触发器发生高低电平翻转，给74LS161的clock引脚锁存，如此不断循环计数达到预置数值[3]。 3.4 继电器驱动模块
继电器中主要由线圈得失电和触点吸合、断开完成整体的导通与断开。继电器线圈由铁芯、线圈、衔铁、返回弹簧、动静接点等构成。电流流过线圈（1和2引脚）时铁芯产生具体磁性的磁通量，在电磁吸力作用下衔铁（动铁芯）克服返回弹簧拉力吸向常开触点（4引脚），带动动接点和静接点的闭合或断开；继电器线圈断电后，无电磁吸力时衔铁和动接点在返回弹簧压力的作用下回到原来位置（5引脚），此时，动静接点恢复原来位置。
继电器属于电子控制器件，通常用于自动控制电路中，即是一种“自动开关”元器件，普遍适应于用较小电流控制较大电流电路中，在电路中起自动调节、转换电路和安全保护等作用。
4 逻辑功能
本系统通过以上模块和辅助模块完成一套以数字逻辑电路为基础的自动控制定时电路。系统输入380V强压强电在内部转换为12A的弱电电流，通过编码逻辑电路控制计数达到同预置数相同的数值时启动或关闭系统，如此循环，达到控制目的。
该定时控制电路主要应用于鱼塘养鱼场定时供氧系统，带不同负载在现场大量反复试验和实验室试验后，在不同环境条件下该系统均表现出可靠、精度高、稳定性好等优点，具有广泛的应用前景。
5 实验结果
5.1 整体定时
本系统只有启动和停止两种状态。预置启动数值，在停止状态下，系统计数溢满继电器吸合驱动负载自动启动；在启动过程中，系统计数达到预置数值时继电器触点断开，负载停止工作。负载启动或停止工作时长最大为4h，安全负载工作为1～3h之间[4]。
5.2 时间范围
系统启动或停止时最大时常为4h，两个旋钮开关分别设置不同可调的定时时长和运转时长。定时时长0～4h，每周期运转时长0～60min，用户可根据自己所需设置不同的状态时间。
5.3 电流、电压、功率
外部输入电流为20A， 电压380V，控制电路将外部高电压、电流、功率转换低电压12A、低电流2A和驱动负载功率5.5～10kW三相电机，安全、简单、便捷，在强电强压控制中应用广泛[5]。
【参考文献】
【1】贾宇向，贾韫博.555时基电路在定时电路中的应用[J].科技传播，2009（05）：86-88.
【2】王全宇.555多谐振荡器在温控报警电路中的应用[J].大学物理实验，2012，25（05）：7-8+18.
【3】单嵛琼，单长吉.8-3线优先编码器74LS148的级联分析及研究[J].大学物理实验，2016，29（02）：13-16.
【4】张碧娟，王勇，袁宝武，谭旭，杨曙东.一種特殊磁保持继电器的研究与设计[J].机电元件，2017（06）：10-16+25.
【5】牟重阳.一种起动继电器触点的电路保护措施[J].汽车电器，2017（08）：16-17.
【Abstract】LM555 is a widely used analog-digital mixing mode （bipolar） integrated circuit. Based on the LM555 control circuit， the circuit of timing and control is studied in this paper. The LM555 timer forms a multivibrator. In the control circuit， the duty ratio of the output waveform is determined by adjusting the potentiometer， and control the starting and stopping time of the load. Code circuit count gives count pulse to trigger， the high and low voltage level of trigger control the actuation and disconnection of the relay， and then control the start and stop of the load. The whole design realizes the control of weak current to the operation of strong electric load. This design has the advantages of precise control， economy and durability， and high sensitivity. It has extensive use value and the prospect of market development.
【关键词】LM555；双极型；74LS148；继电器
【Keywords】LM555； bipolar type； 74LS148； relay
【中图分类号】TK31 【文献标志码】A 【文章编号】1673-1069（2018）06-0194-03
1 引言
LM555时基电路主要应用于各类定时控制电路中，是鱼塘增氧定时控制的典型应用。为了应对目前市场需求、技术要求的定时控制电路的复杂化，在本产品中主要设计了时钟模块、编码模块、定时/计数模块和继电器驱动模块等。在实际应用中需要将负载工作时间具体化、精确化。本产品在节约成本、要求产值最大化等方面具有重要用途[1]。
2 系统结构
通常系统在强压、强电背景下，弱电控制容易发生失控现象，模拟数字混合式电路可克服这一现象，它不仅结构简单、易控制、稳定性好且受外界干扰性强等优点。本文基于定时芯片LM555，探讨鱼塘自动定时控制开关电路设计，如下图1、图2所示，是系统总体框图及控制电路总体设计流程图，本系统主要由逻辑电路构成，内部通过5V控制外部工厂380V高电压，整体设计以高安全、易保护、低功耗、高稳定、易控制为目的。
3 硬件设计功能
3.1 时钟模块
用LM555定时器可组成多谐振荡器，又叫方波发生器（电路无稳定状态，只有两个暂稳态，可产生一定幅度、频率的矩形波信号，用“1”和“0”分别表示两种不同的状态）。如下图3所示，是多谐振荡基本电路图，正常工作时R1C1的时间常数远大于（R2+R3）C1的时间常数[2]。通电前C1、C2两端电压为0V，二极管VD2截止，555时基电路与R2、R3、C2构成的无稳态振荡器可正常起振。起振过程是：开始时555定时器置位，3引脚输出高电平，C2开始充电，充至2/3VDD时555复位；3、7引脚输出低电平，C2开始放电使两端电压下降至1/3VDD时定时器置位，置位、复位不断周期循环，引起电路振荡，振荡频率为F=1.44/（R2+2R3）*C2。
3.2 编码模块
74LS148是8-3线优先编码器之一，功能主要对8条数据线（0-7）进行3位（八进制）优先编码，对最高位数据线译码，可利用输入选通端（EI）和输出选通段（E0）进行八进制扩展。本系统采用两片74LS148完成16-4线优先编码，之间并级连接，各8条数据线公接一个上拉电阻，U3的EO口给U4的EI，共接地线和电源线，各输出的3条数据线输入给四个高低优先级别的与非门（7400N），编译出低四位（十六进制）定时/计数初值，完成自动周期运转。数字逻辑电路在强压强电下不会发生“跑飞”现象且计数准确性高等。
3.3 定时/计数模块
定时/计数功能由74LS161實现，74LS161是常用的四位二进制可预置的同步加法计数器，它可灵活地运用在各种数字逻辑电路和单片机系统中其实现分频器等功能。7400N输出四位十六进制数，输入给74LS161预置的初值，在此基础上加1计数（十六进制加法），计数计满溢出输出高/低电平信号给触发器（74ALS20AN），触发器发生高低电平翻转，给74LS161的clock引脚锁存，如此不断循环计数达到预置数值[3]。 3.4 继电器驱动模块
继电器中主要由线圈得失电和触点吸合、断开完成整体的导通与断开。继电器线圈由铁芯、线圈、衔铁、返回弹簧、动静接点等构成。电流流过线圈（1和2引脚）时铁芯产生具体磁性的磁通量，在电磁吸力作用下衔铁（动铁芯）克服返回弹簧拉力吸向常开触点（4引脚），带动动接点和静接点的闭合或断开；继电器线圈断电后，无电磁吸力时衔铁和动接点在返回弹簧压力的作用下回到原来位置（5引脚），此时，动静接点恢复原来位置。
继电器属于电子控制器件，通常用于自动控制电路中，即是一种“自动开关”元器件，普遍适应于用较小电流控制较大电流电路中，在电路中起自动调节、转换电路和安全保护等作用。
4 逻辑功能
本系统通过以上模块和辅助模块完成一套以数字逻辑电路为基础的自动控制定时电路。系统输入380V强压强电在内部转换为12A的弱电电流，通过编码逻辑电路控制计数达到同预置数相同的数值时启动或关闭系统，如此循环，达到控制目的。
该定时控制电路主要应用于鱼塘养鱼场定时供氧系统，带不同负载在现场大量反复试验和实验室试验后，在不同环境条件下该系统均表现出可靠、精度高、稳定性好等优点，具有广泛的应用前景。
5 实验结果
5.1 整体定时
本系统只有启动和停止两种状态。预置启动数值，在停止状态下，系统计数溢满继电器吸合驱动负载自动启动；在启动过程中，系统计数达到预置数值时继电器触点断开，负载停止工作。负载启动或停止工作时长最大为4h，安全负载工作为1～3h之间[4]。
5.2 时间范围
系统启动或停止时最大时常为4h，两个旋钮开关分别设置不同可调的定时时长和运转时长。定时时长0～4h，每周期运转时长0～60min，用户可根据自己所需设置不同的状态时间。
5.3 电流、电压、功率
外部输入电流为20A， 电压380V，控制电路将外部高电压、电流、功率转换低电压12A、低电流2A和驱动负载功率5.5～10kW三相电机，安全、简单、便捷，在强电强压控制中应用广泛[5]。
【参考文献】
【1】贾宇向，贾韫博.555时基电路在定时电路中的应用[J].科技传播，2009（05）：86-88.
【2】王全宇.555多谐振荡器在温控报警电路中的应用[J].大学物理实验，2012，25（05）：7-8+18.
【3】单嵛琼，单长吉.8-3线优先编码器74LS148的级联分析及研究[J].大学物理实验，2016，29（02）：13-16.
【4】张碧娟，王勇，袁宝武，谭旭，杨曙东.一種特殊磁保持继电器的研究与设计[J].机电元件，2017（06）：10-16+25.
【5】牟重阳.一种起动继电器触点的电路保护措施[J].汽车电器，2017（08）：16-17.