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实验题目：555集成定时器的应用

课程简要信息

课程名称：电子技术实验

课程学时：36学时

项目学时：3学时

适用专业：电子信息工程，电气工程与智能控制，电子信息科学与技术

学生年级：大二下学期

实验内容与任务

本项目要求学生掌握555定时器的三种工作模式（施密特触发器、单稳态电路、多谐振荡器）及其组合应用，完成光控延时LED系统的设计与实现。

课前布置任务，激发学生兴趣，参考实验指导书，利用仿真软件Multisim 14进行实验电路仿真，然后进入实验室，在数电实验箱上搭建模块电路，逐步级联，最终完成光控延时LED系统。实验的过程从易到难，在验证性实验基础上，增加综合设计性的实验内容，具体内容如下：

（1）闭合开关，让LED灯亮起来（高电平驱动、低电平驱动）。→手动控制

（2）用光敏电阻检测环境光强度，触发LED灯亮。→施密特电路应用

（3）LED灯触发后，延时一段时间自动关闭（节能设计）。→单稳态电路实现

（4）LED灯熄灭前闪烁警示。→多谐振荡器电路应用

（5）系统联调与优化。→综合设计

实验过程及要求

光控延时LED系统的实现需要的软件环境为仿真软件Multisim，硬件环境为数电实验箱、常用的测量设备、基本的阻容器件等。学生每人一组，独立完成，老师提供关键操作提示与元器件说明。

学生进入实验室前，熟悉555定时器的三种工作模式（单稳态/多谐振荡/施密特触发），并完成软件仿真。

学生进入实验室后，具体实施步骤：①多谐振荡器搭建与参数调试，实现LED闪烁；②单稳态电路搭建与延时功能验证；③多谐振荡与单稳态联调，实现“按键亮灯→延时→闪烁”功能。④光控模块改进：用电位器模拟光敏电阻，设计分压电路，改进施密特触发器；⑤系统整体联调与性能优化。

实施原则：由易到难，由简到繁、逐步增加元件，注重参数调试与故障排查。

实验环境条件

仿真软件Multisim，数字万用表、数字示波器、信号发生器、数电实验箱、集成定时器NE555芯片，电阻多用板，电容多用板等。

教学目标与目的

**知识目标：**熟悉555定时器的工作原理。掌握由555定时器组成的单稳态电路、施密特触发器和多谐振荡器的原理及组合应用。理解光敏电阻与PWM调光机制。

**能力目标：**培养学生多模块电路协同设计能力，强化参数调试与故障排查实践技能。

**工程思维：**通过场景化任务，训练电路设计→软件仿真→电路连接→系统调试全流程，建立系统级工程思维。

教学设计与实施进程

本实验的过程是一个比较完整的解决实际问题的案例，需要经历理论学习、系统设计、软件仿真、电路连接与调试、设计总结等过程。

（1）课前准备

理论学习：通过MOOC平台学习555定时器原理，重点掌握：NE555内部结构及工作特性，三种典型电路配置（施密特触发器/单稳态/多谐振荡器），关键参数计算（多谐振荡器输出周期、频率、占空比，单稳态触发器输出单脉冲的宽度，施密特触发器的正向、负向阈值电压）。

仿真验证：参考实验指导书，采用Multisim仿真软件完成基础电路搭建与参数验证；然后分析设计任务，初步进行系统设计，确定电路参数，实现系统级联仿真（光控→延时→闪烁功能）

（2）课中实施

模块化实现：（1）多谐振荡器：调试PWM波形（重点解决：视觉暂留效应导致的LED常亮问题）；（2）单稳态电路：优化延时参数（典型问题：脉宽不足导致反相器效应）；（3）施密特触发器：光敏电阻特性与分压电路设计（滞回特性测试）。

系统集成：功能验证：光敏输入→施密特触发→单稳态延时→多谐振荡输出，采用示波器观测各节点波形（PWM周期、占空比、触发沿、延时脉宽等）。

（3）课后拓展

要求学生提交完整的实验报告，实验报告要求包含：理论计算与实测数据对比分析，系统优化方案（如：加入PWM调光、声光双控等扩展功能）。

实验原理及方案

本实验的过程是一个由易到难、由简到繁，元件逐步增多的过程，在实验过程中，教师要及时引导学生思考555定时器三种基本电路的功能，对于实验中出现的问题，提供解决思路，让学生自主思维，自主确定元件参数值。实验系统结构如下：

图1 系统实现方案

具体实验步骤如下：

（1）手动控制LED灯亮

实现效果：让开关控制灯亮、灭。

图2 手动控制LED电路

（2）引入555定时器构成的多谐振荡器（闪烁报警）

参考实验指导书电路图，由555定时器搭建多谐振荡器，实现LED灯闪烁警示。

图3 555定时器构成多谐振荡器

电路原理：555定时器配置为多谐振荡器，555的pin3输出PWM矩形波，输出波形的周期T、频率f和占空比q分别为：T=tPH+tPL=0.7(R1+2R2)C，$f = \frac{1}{T} = \frac{1}{0.7\left( R_{1} + 2R_{2} \right)C}$，$q = \frac{R_{1} + R_{2}}{R_{1} + 2R_{2}}$。

线下实验时，**问题1：**按照实验指导书的参数进行调试时，LED常亮，但是亮度变化。→原因：PWM调光机制。

**问题2：**软件仿真与实际电路实验时，示波器测量的输出波形为周期性高低电平，但是LED不闪烁，与仿真不一致。

原因：人眼的视觉暂留时间为0.05s，若LED刷新周期<0.05s（频率>20Hz），LED显示为常亮，若想看到LED灯闪烁，需延长输出波形周期。

**问题3：**当输出波形频率降低，周期延长，LED闪烁，但点亮用时大于熄灭用时。

原因：占空比大于50%。→调整占空比，方法：增大电阻R2。

**（3）引入555定时器构成的单稳态电路（**延时关闭）

参考实验指导书电路图，由555定时器搭建单稳态，实现LED灯延时关闭。

电路原理：555定时器配置为单稳态电路，采用周期性的方波信号作为触发输入，负向脉冲触发后，555定时器的pin3输出一个单脉冲，脉宽为tw=1.1RC。

图4 555定时器构成单稳态电路

为实现自动延时控制LED灯效果，通过按键触发单稳态电路，LED灯亮一段时间后，熄灭。

图5 改进的单稳态电路

学生发现问题：按键置低电平，LED灯亮，按键置高电平，LED灯熄，实现了类似反相器的效果。

分析原因：单稳态电路输出单脉冲的脉宽时间太短，看不到延时熄灭的效果。→调整电路参数R1、C1，增大脉宽tw。

**（4）**多谐振荡+单稳态连接

将单稳态触发电路的输出作为多谐振荡电路的清零信号。可实现：“按键亮灯→延时熄灭→熄灭前闪烁”的功能。

图6单稳态电路+多谐振荡器

**（5）引入555定时器构成的施密特触发器（**光控触发）

参考实验指导书电路图，由555定时器搭建施密特触发器，实现正弦波到矩形波的转换。图示的施密特电路，其正向阈值电压为$\frac{2}{3}V_{CC}$，负向阈值电压为$\frac{1}{3}V_{CC}$。

图7 555定时器构成施密特触发器

根据设计要求，要实现光控灯效果，需要用光敏电阻检测光强，光敏电阻的阻值与光强之间存在一定的反比关系，光照强度越大，阻值越小；光照强度越小，阻值越大。经实验验证，亮阻为500Ω-2kΩ，暗阻为几十kΩ-10MΩ，本实验采用数电实验箱自带的变阻器（100kΩ）模拟光敏电阻。然后需要设计一个分压电路将电阻值转换为电压值，与施密特触发器的阈值电压进行比较，最后触发低电平输出。

问题：分压电路如何设计，阻值如何选择？→根据正向、负向阈值电压计算

图8 光控触发的施密特电路

（6）整体系统联调

光控触发：施密特电路检测黑暗环境，输出低电平触发单稳态。延时点亮：单稳态输出高电平。结束警示：单稳态结束前，其输出下降沿启动多谐振荡器，使LED灯闪烁。自动关闭：单稳态完全结束后，系统复位等待下次触发。

图9 最终的电路原理图

实验报告要求

学生需要在实验报告中说明：

(1)从设计到实现的各个步骤，在每个步骤中需要说明设计的目标，达到这一目标的方案和具体元件参数的选择。

(2) 提交完整的设计原理图，图中标出正确的电路参数。

(3）完成LED灯功能后，进一步说明改良或替代方案，引导学生的发散性思维。比如：根据环境自动调整LED灯亮度（调光型光控灯，节能）；触发后LED灯亮，延时结束前，警示灯闪烁，延时结束，最终全部关闭（阶梯式延时关灯，适用图书馆阅览室提醒、实验室设备关机缓冲）；声光双控LED延时开关（适用楼道照明）等。

考核要求与方法

实验规定在3学时内完成，未完成的同学可在实验室开放时间内预约完成。成绩评定包括以下几个部分：

**(1)实验预习，**依据中国大学MOOC教学视频的观看时长和学生上传（学习通）的仿真文件（以名字和学号命名）打分。

**(2)实物验收，**功能与设计要求的完成程度，根据任务要求逐项测量。

**(3)实验报告，**实验报告的规范性和完整性。在实验报告中，应完整地描述设计的过程，并说明选择特定元件和参数的原因。

**（4）**自主创新，在实验报告中提供改良和替代的其他方案，完成仿真。

项目特色或创新

（1）本项目以实际问题为导向，将验证性实验改造成综合设计性实验，形成了“基础验证→综合设计→创新拓展”三阶段的训练体系。

（2）采用线上线下式混合教学，完成了一个完整的工程案例，实现理论知识向工程能力的转化。

（3）问题导向式学习，通过"引导-设计-问题-改进"的实施路径，让学生在有限学时内主动掌握555定时器的实际应用，既保证了实验效果，又提高了学生的分析问题、解决问题的能力。

555集成定时器的应用