高烔烔，高吉鑫，李培豪，汪然

（天津商業(yè)大學(xué),天津300400）

1 引言

LM555時基電路主要應(yīng)用于各類定時控制電路中，是魚塘增氧定時控制的典型應(yīng)用。為了應(yīng)對目前市場需求、技術(shù)要求的定時控制電路的復(fù)雜化，在本產(chǎn)品中主要設(shè)計(jì)了時鐘模塊、編碼模塊、定時/計(jì)數(shù)模塊和繼電器驅(qū)動模塊等。在實(shí)際應(yīng)用中需要將負(fù)載工作時間具體化、精確化。本產(chǎn)品在節(jié)約成本、要求產(chǎn)值最大化等方面具有重要用途[1]。

2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

通常系統(tǒng)在強(qiáng)壓、強(qiáng)電背景下，弱電控制容易發(fā)生失控現(xiàn)象，模擬數(shù)字混合式電路可克服這一現(xiàn)象，它不僅結(jié)構(gòu)簡單、易控制、穩(wěn)定性好且受外界干擾性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。本文基于定時芯片LM555，探討魚塘自動定時控制開關(guān)電路設(shè)計(jì)，如下圖1、圖2所示，是系統(tǒng)總體框圖及控制電路總體設(shè)計(jì)流程圖，本系統(tǒng)主要由邏輯電路構(gòu)成，內(nèi)部通過5V控制外部工廠380V高電壓，整體設(shè)計(jì)以高安全、易保護(hù)、低功耗、高穩(wěn)定、易控制為目的。

3 硬件設(shè)計(jì)功能

3.1 時鐘模塊

用LM555定時器可組成多諧振蕩器，又叫方波發(fā)生器（電路無穩(wěn)定狀態(tài)，只有兩個暫穩(wěn)態(tài)，可產(chǎn)生一定幅度、頻率的矩形波信號，用“1”和“0”分別表示兩種不同的狀態(tài)）。如下圖3所示，是多諧振蕩基本電路圖，正常工作時R1C1的時間常數(shù)遠(yuǎn)大于（R2+R3）C1的時間常數(shù)[2]。通電前 C1、C2兩端電壓為 0V，二極管VD2截止，555時基電路與R2、R3、C2構(gòu)成的無穩(wěn)態(tài)振蕩器可正常起振。起振過程是：開始時555定時器置位，3引腳輸出高電平，C2開始充電，充至2/3VDD時555復(fù)位；3、7引腳輸出低電平，C2開始放電使兩端電壓下降至1/3VDD時定時器置位，置位、復(fù)位不斷周期循環(huán)，引起電路振蕩，振蕩頻率為F=1.44/(R2+2R3)*C2。

圖1 系統(tǒng)總體框圖

圖2 定時控制電路總體設(shè)計(jì)流程圖

3.2 編碼模塊

74LS148是8-3線優(yōu)先編碼器之一，功能主要對8條數(shù)據(jù)線（0-7）進(jìn)行3位（八進(jìn)制）優(yōu)先編碼，對最高位數(shù)據(jù)線譯碼，可利用輸入選通端（EI）和輸出選通段（E0）進(jìn)行八進(jìn)制擴(kuò)展。本系統(tǒng)采用兩片74LS148完成16-4線優(yōu)先編碼，之間并級連接，各8條數(shù)據(jù)線公接一個上拉電阻，U3的EO口給U4的EI，共接地線和電源線，各輸出的3條數(shù)據(jù)線輸入給四個高低優(yōu)先級別的與非門（7400N），編譯出低四位（十六進(jìn)制）定時/計(jì)數(shù)初值，完成自動周期運(yùn)轉(zhuǎn)。數(shù)字邏輯電路在強(qiáng)壓強(qiáng)電下不會發(fā)生“跑飛”現(xiàn)象且計(jì)數(shù)準(zhǔn)確性高等。

3.3 定時/計(jì)數(shù)模塊

定時/計(jì)數(shù)功能由74LS161實(shí)現(xiàn)，74LS161是常用的四位二進(jìn)制可預(yù)置的同步加法計(jì)數(shù)器，它可靈活地運(yùn)用在各種數(shù)字邏輯電路和單片機(jī)系統(tǒng)中其實(shí)現(xiàn)分頻器等功能。7400N輸出四位十六進(jìn)制數(shù)，輸入給74LS161預(yù)置的初值，在此基礎(chǔ)上加1計(jì)數(shù)（十六進(jìn)制加法），計(jì)數(shù)計(jì)滿溢出輸出高/低電平信號給觸發(fā)器（74ALS20AN），觸發(fā)器發(fā)生高低電平翻轉(zhuǎn)，給74LS161的clock引腳鎖存，如此不斷循環(huán)計(jì)數(shù)達(dá)到預(yù)置數(shù)值[3]。

圖3 多諧振蕩基本電路圖

3.4 繼電器驅(qū)動模塊

繼電器中主要由線圈得失電和觸點(diǎn)吸合、斷開完成整體的導(dǎo)通與斷開。繼電器線圈由鐵芯、線圈、銜鐵、返回彈簧、動靜接點(diǎn)等構(gòu)成。電流流過線圈（1和2引腳）時鐵芯產(chǎn)生具體磁性的磁通量，在電磁吸力作用下銜鐵（動鐵芯）克服返回彈簧拉力吸向常開觸點(diǎn)（4引腳），帶動動接點(diǎn)和靜接點(diǎn)的閉合或斷開；繼電器線圈斷電后，無電磁吸力時銜鐵和動接點(diǎn)在返回彈簧壓力的作用下回到原來位置（5引腳），此時，動靜接點(diǎn)恢復(fù)原來位置。

繼電器屬于電子控制器件，通常用于自動控制電路中，即是一種“自動開關(guān)”元器件，普遍適應(yīng)于用較小電流控制較大電流電路中，在電路中起自動調(diào)節(jié)、轉(zhuǎn)換電路和安全保護(hù)等作用。

4 邏輯功能

本系統(tǒng)通過以上模塊和輔助模塊完成一套以數(shù)字邏輯電路為基礎(chǔ)的自動控制定時電路。系統(tǒng)輸入380V強(qiáng)壓強(qiáng)電在內(nèi)部轉(zhuǎn)換為12A的弱電電流，通過編碼邏輯電路控制計(jì)數(shù)達(dá)到同預(yù)置數(shù)相同的數(shù)值時啟動或關(guān)閉系統(tǒng)，如此循環(huán)，達(dá)到控制目的。

該定時控制電路主要應(yīng)用于魚塘養(yǎng)魚場定時供氧系統(tǒng)，帶不同負(fù)載在現(xiàn)場大量反復(fù)試驗(yàn)和實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)后，在不同環(huán)境條件下該系統(tǒng)均表現(xiàn)出可靠、精度高、穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)，具有廣泛的應(yīng)用前景。

5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

5.1 整體定時

本系統(tǒng)只有啟動和停止兩種狀態(tài)。預(yù)置啟動數(shù)值，在停止?fàn)顟B(tài)下，系統(tǒng)計(jì)數(shù)溢滿繼電器吸合驅(qū)動負(fù)載自動啟動；在啟動過程中，系統(tǒng)計(jì)數(shù)達(dá)到預(yù)置數(shù)值時繼電器觸點(diǎn)斷開，負(fù)載停止工作。負(fù)載啟動或停止工作時長最大為4h，安全負(fù)載工作為1～3h之間[4]。

5.2 時間范圍

系統(tǒng)啟動或停止時最大時常為4h，兩個旋鈕開關(guān)分別設(shè)置不同可調(diào)的定時時長和運(yùn)轉(zhuǎn)時長。定時時長0～4h，每周期運(yùn)轉(zhuǎn)時長0～60min，用戶可根據(jù)自己所需設(shè)置不同的狀態(tài)時間。

5.3 電流、電壓、功率

外部輸入電流為20A，電壓380V，控制電路將外部高電壓、電流、功率轉(zhuǎn)換低電壓12A、低電流2A和驅(qū)動負(fù)載功率5.5～10kW三相電機(jī)，安全、簡單、便捷，在強(qiáng)電強(qiáng)壓控制中應(yīng)用廣泛[5]。