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0 引言

在社会生产和经济高速发展的今天，人们的生活越来越多元化。声音按不同的频率交替发出和彩灯按不同的频率交替闪烁的声光效果越来越常见，比如商场为了吸引顾客设计的声光效果。现有的循环声光设计多采用已烧录程序的具有控制功能的芯片实现，其具有价格高，不易维修等缺点[1]。555定时器具有易用性、性价比高和良好的可靠性等优点，被广泛应用于电子电路的设计中。本文设计一种基于555定时器控制芯片实现循环声光效果的设计。

1 设计要求

利用555定时器设计一个完整电路，既能实现蜂鸣器以两种声音频率交替发音，又能实现彩灯以两种闪烁频率交替闪烁的功能。具体要求如下。

（1）蜂鸣器以两种声音频率交替发音：高音频率为，低音频率为，高音持续时间后切换为低音，低音持续时间后再切换为高音。

（2）彩灯以两种闪烁频率交替闪烁：快闪频率为，慢闪频率为，快闪持续时间后切换为慢闪，慢闪持续时间后再切换为快闪。

2 电路设计研究

2.1 555定时器接成的多谐振荡电路的特性

555 定时器是一种不仅可应用在模拟电子技术中，又可应用在数字电子技术中的集成电路[2]，多谐振荡器是一种能产生矩形波的自激振荡器，也称矩形波发生器[3]。由555定时器接成的多谐振荡电路如图1所示，多谐振荡电路中的电容两端电压υc和输出电压υo随时间变化的特性如图2所示。若引脚5外接固定电压，则多谐振荡电路的阈值电压会发生变化。

图1 555定时器接成的多谐振荡电路

图2 电压特性

2.2. 电路设计 

根据多谐振荡电路的电压特性可知，一个多谐振荡电路可以实现蜂鸣器以一种频率发出声音或彩灯以一种频率闪烁的功能。因为蜂鸣器的声音频率与彩灯的闪烁频率不同，故需要两个多谐振荡电路分别控制蜂鸣器和彩灯。但要实现蜂鸣器和彩灯分别以两种频率交替进行，且高频持续时间、低频持续时间，则还需另加一个多谐振荡电路每间隔一定时间改变一次上述两个多谐振荡电路的阈值电压。综上，需要三个多谐振荡电路来组成一个可以满足设计要求的完整电路。

图3 蜂鸣器和彩灯的电路

3 参数设计研究

3.1 符号说明

表 1 符号说明

3.2参数设计

（1）第一个多谐振荡电路

首先，对于图4的一阶简化电路，在时域上可用三要素法进行分析[4]，电容的状态响应方程为

（3.1）

其中为时间常数，值为

对式（3.1）进行整理得

（3.2）

图4 一阶简化电路

由图1可知，电容充电和放电的等效回路分别如图5和6。

图5 充电回路

图6 放电回路

因为第一个555定时器引脚5未接外电路，因此第一个多谐振荡电路的阈值电压为

据设计要求，电容充电时间为、放电时间为，再由式（3.2），可列出如下方程组

进一步整理方程组有

（3.3）

根据式（3.3），对于、、三个元件，任意一个元件参数确定，其他两个元件的参数即可确定。

（2）第二个多谐振荡电路

第一个多谐振荡电路的输出电压由反相器的电压传输特性决定。假设其最高输出电压为11v，最低输出电压为0.2v。

第二、三个多谐振荡电路的阈值电压都由第一个多谐振荡电路的输出电压决定。由555定时器的内部结构图，可用等效电路图7求解第二、三个多谐振荡电路引脚5的电位。为了减少变量，减小计算量，第一个多谐振荡电路的输出端电阻取。

图7 求解引脚5电位的等效电路

利用叠加定理进行求解。首先，第一个多谐振荡电路的输出电压单独作用时的电路如图8，于是引脚5的电位为

图8 单独作用时的电路

其次，直流输入电源单独作用时的电路如图9，于是引脚5的电位为

图9 单独作用时的电路

故引脚5的总电位为

于是第二、三个多谐振荡电路的阈值电压为

电容充、放电的等效回路与充、放电的等效回路类似。引脚5为高电位时，电容充放电的时间相对来说比引脚5为低电位的时间更长，故规定引脚5为高电位时蜂鸣器为低音、彩灯为慢闪，于是可列出如下方程组

对方程组进行整理得

（3.4）

类似的，当引脚5为低电位时可推导出如下等式。

（3.5）

根据式（3.4）及（3.5），可以确定、、元件的参数。

（3）第三个多谐振荡电路

第三个多谐振荡电路与第二个多谐振荡电路的参数确定推导过程类似，这里不再赘述。最终推到出的等式为

 （3.6）

根据式（3.6），可以确定、、元件的参数。                    

4 结论与展望

本文基于三片555定时器芯片完成循环声光设计及其应用研究，该电路具有成本低、可靠性高、结构简单等优点。读者可依据自己的设计目标，如蜂鸣器的高音和低音频率的具体数值，高音和低音各持续多长时间等，再根据式（3.3）、（3.4）（3.5）（3.6）可以确定电路（图3）中各元件的参数，进而可实现特定的声音和灯光效果。

设计的电路中只有一种颜色的LED灯，为了实现多样化，可以选择使用计数器、译码器、不同颜色的LED灯驱动电路的串联电路接在第三个多谐振荡电路的输出端的方法，计数器根据第三个多谐振荡电路的输出脉冲进行计数，而译码器将计数器记录的数据进行译码后驱动不同颜色的LED灯交替闪烁。此设计也可应用到警笛与警灯中，如救护车高音频率在1000Hz左右，低音频率在800Hz左右，高低音切换周期为[5]。

参考文献

[1]张宝,代强强,方敏,陈传良,戴文俊.基于555定时器控制的循环彩灯设计与实现[J].电子世界,2020(06):160-161.

[2]李战胜.数字电子技术中555定时器的应用研究[J].电子测试,2020(22):14-15+81.

[3]阎石,王红.数字电子技术基础（第六版）[M].北京:高等教育出版社,2016.

[4]邱关源,罗先觉.电路（第5版）[M].北京:高等教育出版社,2006.

[5]吴誉.基于PIC16F628单片机的警笛发生器设计[J].科技信息,2009(18):162-163. 

第一作者简介：刘庚建（2000-），男，河北省邢台人，汉族，辽宁工程技术大学电气与控制工程学院，本科学生，主要研究方向：电力系统分析。