福建省三明工貿(mào)學(xué)校 徐順生

利用時基電路系列設(shè)計進行創(chuàng)新能力培養(yǎng)

福建省三明工貿(mào)學(xué)校 徐順生

隨著高新技術(shù)的迅猛發(fā)展，對勞動者創(chuàng)新能力的要求日益提高。而目前中職學(xué)校的科技創(chuàng)新教育卻相當(dāng)薄弱。面對中職學(xué)校學(xué)習(xí)相對弱勢的學(xué)生，如何激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，逐步培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力，成為中職教師面臨的一項重要課題。我以時基集成電路系列電子設(shè)計為突破口，對電子電器和機電專業(yè)學(xué)生進行創(chuàng)新能力的培養(yǎng)，讓學(xué)生在“做中學(xué)，學(xué)中做”，取得了顯著效果。

中職 電路設(shè)計 創(chuàng)新能力 活動 學(xué)生

一、背景

進入二十一世紀之后，隨著高新技術(shù)的迅猛發(fā)展，對勞動者素質(zhì)尤其是創(chuàng)新能力的要求越來越高，這就要求職業(yè)教育的培養(yǎng)目標(biāo)也隨之提升。近幾年，我結(jié)合所在中職學(xué)校和學(xué)生實際，在電子電器和機電專業(yè)學(xué)生中，通過各種系列電子設(shè)計（如以單向可控硅為核心利用系列電子設(shè)計）進行創(chuàng)新能力的培養(yǎng)，以此為突破口，讓學(xué)生在“做中學(xué)，學(xué)中做”，取得了顯著效果。本人準(zhǔn)備在接下來的科技教育活動中，采用用途極為廣泛的時基集成電路555進行系列電子設(shè)計，從而更好地對學(xué)生進行創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。

二、目標(biāo)

小目標(biāo)：通過科技創(chuàng)新活動，讓中職生多實驗，多動手，多體驗，從而激發(fā)他們的學(xué)習(xí)興趣，鍛煉他們的操作技能，由此恢復(fù)其學(xué)習(xí)的自信心，增強毅力和克服困難的勇氣。

大目標(biāo)：以中職學(xué)?？萍紕?chuàng)新教育與職業(yè)教育相結(jié)合，充分發(fā)揮職業(yè)學(xué)校的優(yōu)勢，使科技創(chuàng)新成為職業(yè)教育的新亮點為研究根本，探索以培養(yǎng)具有創(chuàng)新精神和實踐能力的創(chuàng)新人才教育為重點的職業(yè)教育革新。

三、對象

電子電器和機電專業(yè)的中職學(xué)生。

四、人數(shù)

成立電子科技小組，約20至30人（或本專業(yè)二年級學(xué)生數(shù)的30%～50%）。

五、活動重點

1、如何利用電路系列設(shè)計，對中職電子專業(yè)和機電的學(xué)生進行學(xué)習(xí)興趣培養(yǎng)。

2、如何利用電路系列設(shè)計，對中職電子專業(yè)和機電的學(xué)生進行觀察能力、分析能力、動手操作能力培養(yǎng)和專業(yè)技能訓(xùn)練。

3、如何利用電路系列設(shè)計，對中職電子專業(yè)和機電的學(xué)生進行創(chuàng)造性思維，特別是發(fā)散思維、縱向思維、橫向思維的培養(yǎng)。

六、活動難點

電路的分析和設(shè)計，發(fā)散思維、縱向思維、橫向思維等創(chuàng)造性思維的培養(yǎng)；學(xué)習(xí)興趣、勇于探索、堅韌不拔等非智力因素的培養(yǎng)。

七、主要器材

555時基集成電路、三極管、二極管、電阻、電容、發(fā)光二極管、喇叭、導(dǎo)線、焊錫、實驗用面包板、萬能電路板、敷銅板、計算機、電烙鐵、烙鐵架、鉗子、剪刀、鑷子、吸錫器、萬用表、直流電源、示波器等。

八、活動注意事項

1、注意安全用電，進行安全用電教育。

2、正確使用儀表、工具，特別是萬用表各種擋位的正確選擇，電烙鐵正確操作使用。

3、使用電鉆注意安全，有長發(fā)的女生要戴帽。

4、設(shè)計制作出的各種電路，通電前要認真檢查，特別要防止出現(xiàn)短路現(xiàn)象。

5、使用三氯化鐵進行印制板制作時，防止外濺，以免對其他設(shè)備、工具造成腐蝕。

九、方案內(nèi)容

1、進行基礎(chǔ)知識的學(xué)習(xí)，掌握555時基集成電路的原理及基本運用，學(xué)會觀察分析。

555時基電路是一種將模擬功能與邏輯功能巧妙結(jié)合在同一硅片上的組合集成電路。555時基電路的內(nèi)部等效電路可簡化為如圖1所示的等效功能電路，內(nèi)含兩個比較器A1和A2、一個觸發(fā)器、一個驅(qū)動器和一個放電晶體管。兩個比較器分別被電阻R1、R2和R3構(gòu)成的分壓器設(shè)定的?VDD和?VDD參考電壓所限定。三個5kΩ電阻組成的分壓器，使內(nèi)部的兩個比較器構(gòu)成一個電平觸發(fā)器，上觸發(fā)電平為?VDD，下觸發(fā)電平為?VDD。在5腳控制端外接一個參考電源Vc，可以改變上、下觸發(fā)電平值。不用外加控制電壓時，可用0.01mF的電容使5腳交流接地，以旁路高頻干擾。4腳是低電平復(fù)位端，在4端施加低電平時，可以強制復(fù)位，使輸出Q為0。通常是將4腳接電源VCC的正極。放電晶體管VT構(gòu)成放電開關(guān)，當(dāng)Q=0時，VT截止；當(dāng)Q=1時，VT飽和導(dǎo)通，可見晶體管VT作為放電開關(guān)，其通斷狀態(tài)由觸發(fā)器的狀態(tài)決定。

圖1

555各功能腳的關(guān)系是：只要2腳的電位低于?VDD，即有觸發(fā)信號加入時，必使輸出端3腳為高電平；而當(dāng)6腳的電位高于VDD時，即有觸發(fā)信號加進時，且同時2腳的電位高于VDD時，才能使輸出端3腳有低電平輸出。否則3腳輸出保持不變。

555的基本應(yīng)用有三項：構(gòu)成單穩(wěn)電路、觸發(fā)電路、振蕩電路。分別如圖2、圖3、圖4所示。

圖2

圖3

圖4

2.創(chuàng)新之一：各種定時電路。

利用555構(gòu)成的單穩(wěn)電路可以設(shè)計成定時開關(guān)。定時時間由圖2電路中的電阻RT和電容CT決定，具體為1.1RT× CT。此電路可以進行哪些創(chuàng)新呢？

首先，從圖2電路上可看出，在定時過程中555的3腳輸出是高電平，能否設(shè)計成在定時過程中555的3腳輸出是低電平呢？答案是肯定的，只要把定時電阻和定時電容對換一下位置即可。

另外，分析一下圖2右邊電路，當(dāng)?shù)谝淮味〞r結(jié)束后關(guān)斷電源，再次接通電源又要進行定時，則會出現(xiàn)什么情況呢？會出現(xiàn)因定時電容上仍有電荷而不能正常進行再次定時的現(xiàn)象。如何改進呢？只要在定時電阻上并接一個放電用二極管即可。

還有，要增大圖2電路的定時時間，就要增大定時電阻阻值和定時電容容量，但是此電阻阻值和電容容量是不能無限度增大的，起碼會影響定時的精度。一種創(chuàng)新是我們可以利用電容與三極管構(gòu)成的電容容量倍增電路，來大大增大有效電容容量。第二種創(chuàng)新是我們可以再采用一塊555時基集成電路構(gòu)成大周期振蕩電路，來對定時電容進行間歇充電。第三種創(chuàng)新是我們可以采用十進制或十二進制計數(shù)分頻數(shù)字集成電路，通過對大周期555振蕩電路產(chǎn)生的脈沖進行分頻，從而得到長時間的定時。如此等等，不斷地對單穩(wěn)電路進行創(chuàng)新。

3.創(chuàng)新之二：各種振蕩電路。

圖4中是基本振蕩電路，定時阻容為R1、R2、C1，C1在充電時，電流經(jīng)過R1、R2。C1在放電時電流只經(jīng)過R2，振蕩周期T為0.693（R1＋2R2）C1。此電路可以進行哪些創(chuàng)新呢？

首先，從圖4電路上可看出，C1充電的時間和放電的時間不同，3腳輸出的不是方波信號。如何得到方波信號呢？我們可以用一個二極管與R2并聯(lián)，結(jié)果C1在充電時，電流只經(jīng)過R1，沒有經(jīng)過R2；C1放電時，電流經(jīng)過R2，只要R1 =R2，輸出就是方波信號。我們也可以把定時電阻連接到輸出端，結(jié)果定時電容的充電和放電都只經(jīng)過這個定時電阻，輸出的也就是方波信號。電路如圖5所示。

圖5

圖6

另外，根據(jù)定時電阻阻值的改變、或者定時電容容量的改變，振蕩電路的振蕩頻率就會改變，我們可以設(shè)計出光控變音調(diào)的振蕩器，電路如圖6所示。光線強弱變化時，電路發(fā)出的聲音頻率也隨之發(fā)生變化，可以制作成怪聲玩具、聲控報警器等。

還有，根據(jù)5腳的功能，我們可以設(shè)計出一種改變振蕩器頻率的壓控振蕩器，電路如圖7所示。電位器W滑動端位置改變時，5腳電壓發(fā)生變化，對應(yīng)定時電容充電時間改變，結(jié)果振蕩路的振蕩頻率隨之改變。

圖7

圖8

我們還可以根據(jù)4腳的復(fù)位功能創(chuàng)新設(shè)計出過載報警器、防盜報警器，等等。圖8是一種斷線防盜報警器。正常時，漆包線把4腳接地，電路不振蕩。當(dāng)漆包線被弄斷時，電路振蕩，喇叭發(fā)出報警聲。利用此原理我們還可以創(chuàng)新設(shè)計出光控防盜報警器、干簧管防盜報警器等。

利用555振蕩電路，我們還可以創(chuàng)新設(shè)計出各種信號發(fā)生器、電路檢測器、元件測量器、頻率變換器、升壓器，等等。

4、創(chuàng)新之三：各種觸摸開關(guān)電路。

圖3是555構(gòu)成的兩種基本觸發(fā)電路。此電路可以進行哪些創(chuàng)新呢？

首先，我們可以把555的6、7腳相連，一起外接定時電阻、電容，2腳外接一塊金屬觸摸片，就可制作成觸摸定時開關(guān)，電路如圖9所示。手碰一下金屬片，555的3腳就會輸出高電平，電珠LAMP點亮。一段時間延時后3腳輸出變?yōu)榈碗娖剑娭長AMP熄滅。

圖9

另外，我們可以在2腳和6腳處各自接上一塊觸摸金屬片，7腳空著不用，就可制作成觸摸電子開關(guān)。用手碰一下2腳的金屬片，555的3腳就輸出高電平，碰一下6腳的金屬片，555的3腳就輸出低電平。

5、動手實踐：利用設(shè)計出來的電路進行組裝、檢測、調(diào)試、分析、總結(jié)。

十、評價方式

1、對學(xué)生設(shè)計的實驗方案、實驗制作及創(chuàng)新給予肯定并指出不足和改進方向。

2、同學(xué)暢談創(chuàng)新收獲、寫出心得體會。評選出好的思維方法、有創(chuàng)意的點子，對不怕困難、勇于探索、堅忍不拔、善于觀察、實事求是、團結(jié)協(xié)作的同學(xué)給予表揚。

十一、活動反思與拓展

本方案是一種利用時基555系列電子設(shè)計，對中職電子專業(yè)學(xué)生進行創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。與之前本人所進行的以單向可控硅為核心，利用系列電子設(shè)計進行創(chuàng)新能力的培養(yǎng)相比，更為先進、更能結(jié)合當(dāng)前生活生產(chǎn)實際，對學(xué)生要求也更高，能更有效地對學(xué)生進行學(xué)習(xí)興趣、動手能力、勇于探索等方面的培養(yǎng)。當(dāng)然，我們還可以利用某一種、或某幾種COMS 4000系列數(shù)字集成電路，例如CD4001、CD4013、CD4017、CD4066、CD4069等，通過系列電子設(shè)計，也能夠有效地對中職電子專業(yè)學(xué)生的創(chuàng)造性思維、創(chuàng)新能力，以及各種有關(guān)非智力因素進行培養(yǎng)，因為CMOS 4000系列數(shù)字集成電路在當(dāng)前生活、生產(chǎn)中，用途也是非常廣泛的。

十二、活動的作用及效果

中職學(xué)生在學(xué)習(xí)上沒有升學(xué)的壓力，身心輕松，對多彩的課余文化生活會有更多的渴望和追求。555時基集成電路設(shè)計新穎，構(gòu)思奇巧，用途廣泛，備受電子專業(yè)設(shè)計人員和電子愛好者的青睞。通過分析它在單穩(wěn)電路、觸發(fā)電路、振蕩電路的基本應(yīng)用，不斷挖掘它的功能，不斷進行電路改革、創(chuàng)新，使學(xué)生在自主參與、寓教于樂的實踐體驗中得到了很好的鍛煉，從而有效培養(yǎng)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣、改進學(xué)習(xí)態(tài)度，有效鍛煉學(xué)生的思維能力、創(chuàng)造能力，培養(yǎng)和提高學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)及自主探索創(chuàng)造精神。

[1]葉桂娟、陳有卿：《555時基電路原理、設(shè)計與應(yīng)用》，電子工業(yè)出版社2007年出版。

[2]陳有卿：《實用555時基電路300例》，中國電力出版社 2005年出版。

[3]孫余凱、吳鳴山、項綺明：《555時基電路識圖》，電子工業(yè)出版社2007出版。

個人簡介：徐順生（1970—），男，實驗師，畢業(yè)于福建師范大學(xué)。