可调速的玩具电动车的设计

可调速的电动玩具车的设计与制作
1.绪论
1.1 选题背景
随着科技的发展，一切都在向高科技迈进，近几年玩具发展可谓“火箭式的飞跃”，不论是种类还是数量都得到了空前的发展，这些发展主要表现为三个方面：一个是技术含量高，强调玩具质量与安全。

现代玩具多数可以电动变形、能哭会笑，甚至能与人对话，并且强调玩具质量与安全，玩具越来越向着科技化、人性化、互动化的方向发展。

另一个是热门卡通影集或电影搭配行销的玩具和成人玩具得到很大发展，这些玩具随着时代的发展也愈加流行。

三是玩具具有创意性或教育性的功能。

1.2 可调速的电动玩具车可行性分析
中国是全球玩具第一大生产国。

我国电动玩具行业是从上世纪80年代后发展起来，70%以上还是来料加工和来样加工，自主开发和创新的能力不强，能够以自创品牌出口的还为数不多，要从依附式发展转向自主式发展还需要一定的过程。

而如今玩具智能化成为玩具行业发展的新趋势。

高科技智能化玩具不仅满足了儿童的好奇心，加强了孩子和玩具的互动，同时也激发了孩子的求知欲，开发了孩子的智力以及动手能力。

玩具企业将计算机、电子、通讯等领域内的先进技术“嫁接”到玩具产品中，突破了传统玩具的局限性和单一性。

考虑到玩具电动车的美好前景，我认为在玩具电动车领域开发一款可以调速的玩具电动车是十分必要的，而且未来的发展前景一定很好。

由于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，所以我选择设计的可调速的玩具电动车主要是运用555集成电路来实现的，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。

2 555定时器
2.1 555定时器的概述
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。

2.2 555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。

2.3 555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。

2.4 555时基电路的电路结构和逻辑功能
2.4.1 电路结构及逻辑功能
图1.1 555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V o）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1.1 555时基电路的功能表
2.4.2 555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：cc V 3
2 阀值电流：0.1uA
触发电压：cc V 3
1 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
2.5 可调速的电动玩具车电路工作原理
可调速的电动玩具车电路是以一个555为核心组成的，通过调节555振荡器的充电时间常数，来调节玩具电动车电动机的转速。

555和R1、R2、R3、RP 及C1等组成一个无稳态多谐振荡器。

在刚通电时，由于C1上的电压不会突变，TRIG 的低电位使555先处于置位状态，OUT 端输出的高电位使三极管VT 导通，电动机得电运转。

当C1通过R1、RP 、R2充电至Uc≥2/3VDD （4V ）时，555翻转复位，OUT 端转成低电平，VT 截止，电动机M 失电，电动车依靠惯性滑行。

此时，C1上的电荷通过R3、D1向芯片内的放电管泄放，即放电回路与充电回路由于D1的接入是分开的，且由于RP+R2的阻值远大于R3，放电主要是在R3上进行。

多谐振荡器的振荡频率为
c f =)132144.1C R R RP R +++
电路如图1.2所示：
图1.2可调速的电动玩具车电路工作原理图
图中电路参数的振荡频率在0.53～2Hz。

调节RP，可调节其振荡频率，实际上是调节电路的充电时间常数，从而调整电动机M的通电时间，并达到调节电动机转速的目的。

跨越在电动机M两端的电容器C3起平滑作用，可消除直流电动机的电刷火花，并使调速更平稳，同时对防止晶体管VT被反向击穿也有好处。

3.结论
经过这段时间的设计，可调速的电动玩具车电路基本设计完成。

本课程设计主要以555集成电路为核心，通过调节555振荡器的充电时间常数来调节玩具电动车电动机的转速。

该课程设计主要涉及到利用555集成电路的特性设计能调速的玩具电动车电路图、分析工作原理、用protel 99软件绘制电路原理图，并对电路工艺进行设计绘制PCB板，利用仿真软件对电路进行仿真。

本设计经验证可
行，设计电路基本符合要求。

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。