⏲️ مدار تایمر با ۵۵۵ (Monostable Timer) — از تایمر ۱۰ ثانیه تا تایمر آردوینو

چراغ راه‌پله‌ای که بعد از چند ده ثانیه خودش خاموش می‌شود، دست‌خشک‌کنی که چند ثانیه کار می‌کند و بعد ساکت می‌شود، زنگ مسابقه‌ای که ۱۰ ثانیه به هر تیم وقت می‌دهد؛ همه یک کار را انجام می‌دهند: با یک فرمان روشن می‌شوند و بعد از زمان مشخص خودشان برمی‌گردند. این کار مدار تایمر با ۵۵۵ است که به آن مدار تاخیر (Delay Circuit) یا مدار یک‌ضرب (One-Shot) هم می‌گویند. در این راهنما تایمر مونواستابل را قطعه‌به‌قطعه می‌سازیم، فرمول T = 1.1RC را با عدد حل می‌کنیم، خروجی را به LED، بازر و رله می‌دهیم، آن را در شبیه‌ساز تینکرکد فارسی امتحان می‌کنیم و در آخر یک تایمر دقیق‌تر با آردوینو و millis() می‌نویسیم.

سه حالت کار آی‌سی ۵۵۵

آی‌سی ۵۵۵ با سیم‌کشی‌های مختلف سه رفتار کاملاً متفاوت دارد. اسم هر حالت می‌گوید چند «حالت پایدار» دارد:

قطعه‌های مدار تایمر ۱۰ ثانیه (Parts List)

سیم‌کشی تایمر مونواستابل

فرق اصلی با چشمک‌زن این است که پایه‌ی ۲ دیگر به خازن وصل نیست؛ مال دکمه است. و به‌جای دو مقاومت زمان‌بندی، فقط یکی داریم:

تایمر چطور کار می‌کند؟ (How It Works)

1. حالت آماده (Idle): مقاومت بالاکش پایه‌ی ۲ را روی ۹ ولت نگه می‌دارد. خروجی پایین است و ترانزیستور تخلیه‌ی پایه‌ی ۷ خازن را اتصال کوتاه کرده، پس ولتاژ خازن صفر است. مدار می‌تواند تا ابد در این حالت بماند؛ این همان «حالت پایدار» است.
2. فشار دکمه: پایه‌ی ۲ به منفی وصل می‌شود و ولتاژش از یک‌سوم تغذیه (۳ ولت) پایین‌تر می‌رود. مقایسه‌گر ماشه فلیپ‌فلاپ را روشن می‌کند: خروجی بالا می‌رود، LED روشن می‌شود و پایه‌ی ۷ خازن را رها می‌کند.
3. شمارش زمان: خازن از راه R شارژ می‌شود و ولتاژش طبق منحنی V = 9 × (1 − e^(−t/RC)) بالا می‌رود. دکمه را ول کرده‌ای و دیگر کاری با آن نداریم.
4. پایان: وقتی ولتاژ خازن به دوسوم تغذیه (۶ ولت) رسید، مقایسه‌گر آستانه فلیپ‌فلاپ را خاموش می‌کند. خروجی پایین می‌آید و پایه‌ی ۷ خازن را در یک لحظه خالی می‌کند. مدار به حالت آماده برگشته است.

ضریب ۱٫۱ از این‌جا می‌آید: خازنی که از صفر شارژ می‌شود، برای رسیدن به دوسوم ولتاژ تغذیه RC × ln 3 ≈ 1.0986 × RC ثانیه وقت می‌خواهد. نکته‌ی جالب این است که ولتاژ باتری در فرمول نیست؛ تایمر با ۶ ولت و ۱۲ ولت تقریباً همان زمان را می‌دهد، چون هم سرعت شارژ و هم آستانه‌ی دوسوم با ولتاژ تغذیه بالا و پایین می‌روند.

فرمول T = 1.1 × R × C و مثال عددی

T = 1.1 × R × C — مقاومت بر حسب اهم، خازن بر حسب فاراد و جواب بر حسب ثانیه.

مثال: طراحی تایمر ۱۰ ثانیه

1. یک خازن رایج انتخاب کن: C = 100 µF = 0.0001 F.
2. فرمول را برای R حل کن: R = T / (1.1 × C) = 10 / (1.1 × 0.0001) ≈ 90909 اهم.
3. نزدیک‌ترین مقدار استاندارد ۹۱ کیلواهم است: T = 1.1 × 91000 × 0.0001 ≈ 10.01 s.

همین حساب برای زمان‌های دیگر:

حاصل‌ضرب R × C را ماشین‌حساب ثابت زمانی RC برایت حساب می‌کند؛ کافی است جوابش را در ۱٫۱ ضرب کنی. یادت باشد خازن الکترولیتی تا ۲۰ درصد با عدد رویش فرق دارد؛ تایمر ۱۰ ثانیه‌ای واقعی ممکن است ۸ یا ۱۲ ثانیه کار کند. اگر عدد دقیق می‌خواهی، یک مقاومت ثابت کوچک‌تر با یک پتانسیومتر تریم سری کن و با کرنومتر تنظیمش کن. برای این‌که بفهمی خازن چرا این‌طور شارژ می‌شود، مقاله‌ی خازن به چه دردی می‌خورد را بخوان.

خروجی تایمر: LED، بازر یا رله

LED

ساده‌ترین خروجی: پایه‌ی ۳ ← مقاومت ۳۳۰ اهم ← LED ← منفی. خروجی بالای NE555 روی ۹ ولت حدود ۷٫۳ ولت است، پس جریان یک LED قرمز حدود ۱۶ میلی‌آمپر می‌شود.

بازر

یک بازر اکتیو (Active Buzzer) را مستقیم بین پایه‌ی ۳ و منفی بگذار؛ در تمام مدت T صدا می‌دهد. این برای «زمان هنوز تمام نشده» خوب است، مثلاً تایمر مسواک. ولی اگر می‌خواهی بازر در پایان زمان بوق بزند، یا باید یک ۵۵۵ دوم را با لبه‌ی پایین‌رونده‌ی خروجی تریگر کنی، یا از نسخه‌ی آردوینو استفاده کنی که پایین‌تر آمده و این کار را با یک خط کد انجام می‌دهد.

رله (Relay)

برای روشن کردن یک لامپ، پنکه یا پمپ کوچک، خروجی را به سیم‌پیچ یک رله بده و بار را با کنتاکت‌های رله جدا وصل کن:

• پایه‌ی ۳ ← سیم‌پیچ رله ← منفی. از رله‌ی ۹ ولتی استفاده کن؛ جریان سیم‌پیچ این رله‌ها معمولاً چند ده میلی‌آمپر است که از سقف حدود ۲۰۰ میلی‌آمپری خروجی ۵۵۵ خیلی کمتر است.
• یک دیود هرزگرد (Flyback Diode) موازی سیم‌پیچ بگذار: کاتد (سمت نوار) به طرف پایه‌ی ۳ و آند به طرف منفی. وقتی سیم‌پیچ خاموش می‌شود ولتاژ برگشتی بزرگی می‌سازد که بدون این دیود آی‌سی را می‌سوزاند.
• برای رله‌های پرمصرف‌تر یا ۱۲ ولتی، بین آی‌سی و رله یک ترانزیستور NPN بگذار. جزئیاتش را در مدار راه‌انداز رله نوشته‌ایم.

همین نسخه‌ی رله‌ای را در شبیه‌ساز امتحان کردیم: با R = ۴۷ کیلواهم و C = ۱۰۰ میکروفاراد، رله حدود ۵ ثانیه وصل ماند و LEDی که روی کنتاکت NO بود هم‌زمان روشن و خاموش شد.

دکمه‌ی لغو و روشن شدن ناخواسته

• لغو وسط کار: پایه‌ی ۴ را به‌جای اتصال مستقیم، از راه یک مقاومت ۱۰ کیلواهم به مثبت وصل کن و یک دکمه بین پایه‌ی ۴ و منفی بگذار. فشار این دکمه خروجی را فوراً پایین می‌آورد و خازن را تخلیه می‌کند؛ تایمر برای شروع بعدی آماده است.
• روشن شدن با وصل کردن باتری: اگر تایمرت در لحظه‌ی وصل شدن برق خودش یک دور اجرا شد، یک خازن کوچک (حدود ۱ تا ۱۰ میکروفاراد) بین پایه‌ی ۴ و منفی اضافه کن. این خازن در لحظه‌ی اول خالی است و آی‌سی را چند میلی‌ثانیه در حالت ریست نگه می‌دارد.
• شروع فقط با لبه‌ی فشار: اگر نمی‌خواهی نگه داشتن طولانی دکمه زمان را دراز کند، دکمه را از راه یک خازن ۱۰ نانوفاراد به پایه‌ی ۲ بده (مقاومت بالاکش سر جایش می‌ماند). حالا فقط لحظه‌ی فشار یک پالس کوتاه به پایه‌ی ۲ می‌رسد.

ساخت تایمر در شبیه‌ساز تینکرکد فارسی

همه‌ی قطعه‌های این مدار در مود ساده‌ی شبیه‌ساز هست. نمونه‌ی آماده‌ی مونواستابل نداریم، پس این بار خودت می‌بندی؛ دقیقاً همان کاری که روی بردبورد واقعی می‌کنی:

1. شبیه‌ساز را باز کن، مود ساده را انتخاب کن و یک باتری ۹ ولت، یک «تایمر 555»، سه مقاومت، یک خازن، یک کلید فشاری و یک LED بگذار.
2. مقاومت‌ها را روی ۴۷ کیلواهم، ۱۰ کیلواهم و ۳۳۰ اهم تنظیم کن و ظرفیت خازن را در پنل تنظیمات ۱۰۰ میکروفاراد بگذار.
3. سیم‌کشی جدول بالا را انجام بده: پایه‌ی ۸ و ۴ به مثبت، ۱ به منفی، ۶ و ۷ به هم، ۴۷ کیلواهم از مثبت به ۶، خازن از ۶ به منفی، ۱۰ کیلواهم از مثبت به ۲، دکمه بین ۲ و منفی، و پایه‌ی ۳ از راه ۳۳۰ اهم به LED.
4. ▶ را بزن، دکمه را کوتاه فشار بده و ول کن. LED حدود ۵ ثانیه روشن می‌ماند؛ ما ۵٫۱ ثانیه اندازه گرفتیم و فرمول ۵٫۲ ثانیه می‌گوید.
5. مقاومت ۴۷ کیلواهم را ۹۱ کیلواهم کن تا تایمر ۱۰ ثانیه‌ای بسازی، یا LED را با «بازر زنگی» عوض کن.

یک نکته‌ی شبیه‌ساز: اگر وسط شمارش مقدار یک قطعه را عوض کنی، مدار از اول راه‌اندازی می‌شود. پس اول مقدارها را تنظیم کن، بعد اجرا کن و دکمه را بزن. اگر هنوز با شارژ خازن راحت نیستی، اول درس خازن: باتری فسقلی و نمونه‌ی محو شدن آرام را ببین؛ دومی یک تاخیر خاموش شدن (Delay-Off) فقط با خازن است و پایه‌ی فکری همین تایمر است. و اگر هنوز با آی‌سی ۵۵۵ کار نکرده‌ای، از نمونه‌ی چشمک‌زن ۵۵۵ شروع کن.

تایمر آردوینو با millis() (Arduino Timer)

همین تایمر را با آردوینو هم می‌شود ساخت، با چند امتیاز: زمان خیلی دقیق‌تر است (دیگر خطای ۲۰ درصدی خازن نداریم)، با یک پتانسیومتر از ۱ تا ۳۰ ثانیه تنظیم می‌شود، در پایان بوق می‌زند و زمان باقی‌مانده را در سریال مانیتور نشان می‌دهد. خروجی، یک ماژول رله است که همان کار پایه‌ی ۳ را می‌کند.

// تایمر آردوینو با millis — نسخه‌ی کدی مدار تایمر ۵۵۵
const int BUTTON = 2;    // دکمه‌ی شروع و لغو، به GND
const int RELAY  = 7;    // پایه‌ی IN ماژول رله
const int LED    = 8;    // LED وضعیت با مقاومت 220 اهم
const int BUZZER = 9;    // بازر برای بوق پایان
const int POT    = A0;   // پتانسیومتر تنظیم زمان (1 تا 30 ثانیه)

bool running = false;
unsigned long startTime = 0;
unsigned long duration = 10000;   // میلی‌ثانیه
unsigned long lastPrint = 0;
int lastButton = HIGH;

void startTimer() {
  int seconds = map(analogRead(POT), 0, 1023, 1, 30);
  duration = seconds;             // اول خود عدد ثانیه
  duration = duration * 1000;     // بعد تبدیل به میلی‌ثانیه
  startTime = millis();
  lastPrint = startTime;
  running = true;
  digitalWrite(RELAY, HIGH);      // مثل بالا رفتن پایه‌ی ۳
  digitalWrite(LED, HIGH);
  Serial.print("Start: ");
  Serial.print(seconds);
  Serial.println(" s");
}

void stopTimer() {
  running = false;
  digitalWrite(RELAY, LOW);
  digitalWrite(LED, LOW);
  tone(BUZZER, 2000, 400);        // بوق پایان
  Serial.println("Time is up!");
}

void setup() {
  pinMode(BUTTON, INPUT_PULLUP);
  pinMode(RELAY, OUTPUT);
  pinMode(LED, OUTPUT);
  pinMode(BUZZER, OUTPUT);
  Serial.begin(9600);
  Serial.println("Timer ready");
}

void loop() {
  int b = digitalRead(BUTTON);
  if (b == LOW && lastButton == HIGH) {   // لحظه‌ی فشار دادن
    if (running) {
      running = false;                    // لغو؛ مثل پایه‌ی ریست ۵۵۵
      digitalWrite(RELAY, LOW);
      digitalWrite(LED, LOW);
      Serial.println("Canceled");
    } else {
      startTimer();
    }
    delay(30);                            // لرزش دکمه
  }
  lastButton = b;

  if (running) {
    unsigned long elapsed = millis() - startTime;
    if (elapsed >= duration) {
      stopTimer();
    } else if (millis() - lastPrint >= 1000) {
      lastPrint = millis();
      Serial.print("Left: ");
      Serial.println((duration - elapsed + 999) / 1000);   // گرد به بالا
    }
  }
}

سه نکته در این کد هست که در هر تایمر آردوینویی به کارت می‌آید:

• بدون delay بلند: اگر تایمر را با delay(10000) می‌نوشتی، آردوینو ده ثانیه کر و کور می‌شد و دکمه‌ی لغو کار نمی‌کرد. با millis فقط هر بار می‌پرسی «چقدر گذشته؟» و بقیه‌ی وقت آزادی. مقاله‌ی چرا delay برنامه‌ات را خراب می‌کند همین را مفصل گفته است.
• تفریق، نه جمع: شرط millis() - startTime >= duration حتی وقتی شمارنده‌ی millis بعد از حدود ۴۹ روز سرریز می‌کند درست کار می‌کند؛ مقایسه‌ی millis() >= startTime + duration این‌طور نیست.
• تشخیص لبه: با مقایسه‌ی b و lastButton فقط لحظه‌ی فشار را می‌گیری، نه کل مدتی که دکمه پایین است. delay(30) هم لرزش مکانیکی دکمه (debounce) را رد می‌کند.

این کد در مود آردوینوی شبیه‌ساز با برد اونو و قطعه‌های پایه رایگان اجرا می‌شود. برای تمرین بیشتر، نمونه‌ی چند کار هم‌زمان و درس کرنومتر دقیق با millis را ببین. اگر می‌خواهی زمان باقی‌مانده روی نمایشگر بیاید، تایمر معکوس با TM1637 همین ایده را روی نمایشگر چهاررقمی پیاده کرده است؛ ماژول TM1637 جزو قطعه‌های اشتراک Plus است.

۵۵۵ یا آردوینو برای تایمر؟

انواع مدار تایمر (Variations)

اشتباه‌های رایج

• پایه‌ی ۲ بدون مقاومت بالاکش: پایه‌ی آزاد نویز می‌گیرد و تایمر خودبه‌خود، حتی با نزدیک کردن دست، شروع می‌شود. مقاومت بالاکش ۱۰ کیلواهم را فراموش نکن.
• نگه داشتن طولانی دکمه: تا وقتی پایه‌ی ۲ پایین است خروجی بالا می‌ماند، پس زمان از T بیشتر می‌شود.
• مقاومت چند مگااهمی با خازن الکترولیتی بزرگ: جریان نشتی خازن با جریان شارژ رقابت می‌کند و ولتاژ ممکن است هیچ‌وقت به دوسوم نرسد؛ یعنی تایمری که تمام نمی‌شود.
• رله بدون دیود هرزگرد: مدار چند بار کار می‌کند و بعد آی‌سی بی‌صدا می‌میرد.
• انتظار دقت ثانیه‌ای: خطای خازن الکترولیتی را در نظر بگیر و تایمر را با کرنومتر کالیبره کن.
• خازن الکترولیتی برعکس: پایه‌ی مثبت خازن باید به پایه‌ی ۶ و ۷ وصل باشد، نه به منفی.

نکته‌های ایمنی

• تا وقتی با باتری ۹ ولت کار می‌کنی، این مدار بی‌خطر است.
• کنتاکت‌های رله می‌توانند برق ۲۲۰ ولت را قطع و وصل کنند، ولی سیم‌کشی برق شهر فقط کار یک فرد متخصص است؛ با فیوز، جعبه‌ی عایق و بدون هیچ سیم لختی. برای یادگیری، بار را یک LED یا موتور کوچک باتری‌دار بگذار.
• خازن ۱۰۰ میکروفاراد را با ولتاژ کاری ۱۶ ولت یا بیشتر انتخاب کن و قطبش را چک کن.
• قانون‌های کلی کار با قطعه‌ها را در ایمنی در الکترونیک ببین.

حالا سه حالت ۵۵۵ را می‌شناسی: چشمک‌زن، تایمر و حافظه. قدم بعدی این است که خروجی تایمر را به یک بار بزرگ‌تر بدهی؛ با مدار راه‌انداز رله ادامه بده.

سؤال‌های رایج

فرمول زمان تایمر 555 چیست؟

در حالت مونواستابل، خروجی به اندازه‌ی T = 1.1 × R × C ثانیه روشن می‌ماند؛ R بر حسب اهم و C بر حسب فاراد. با R برابر 91 کیلواهم و C برابر 100 میکروفاراد زمان حدود 10 ثانیه می‌شود.

چرا تایمر 555 با وصل کردن باتری خودش یک بار روشن می‌شود؟

بعضی آی‌سی‌ها در لحظه‌ی وصل شدن برق یک تریگر ناخواسته می‌گیرند. پایه‌ی 4 را با یک مقاومت 10 کیلواهم به مثبت و با یک خازن کوچک (حدود 1 تا 10 میکروفاراد) به منفی وصل کن تا آی‌سی در لحظه‌ی اول ریست بماند.

حداکثر زمان تایمر 555 چقدر است؟

با مقاومت حدود 1 مگااهم و خازن 100 میکروفاراد به حدود 2 دقیقه می‌رسی. بیشتر از چند دقیقه، جریان نشتی و خطای 20 درصدی خازن الکترولیتی زمان را نامطمئن می‌کند؛ برای زمان‌های طولانی آردوینو یا آی‌سی شمارنده‌ای مثل CD4060 بهتر است.

فرق تایمر مونواستابل و آستابل چیست؟

مونواستابل یک حالت پایدار دارد: منتظر می‌ماند، با یک فشار دکمه برای مدت مشخصی روشن می‌شود و دوباره برمی‌گردد. آستابل هیچ حالت پایداری ندارد و مدام روشن و خاموش می‌شود؛ یعنی چشمک‌زن است.

چطور با تایمر 555 یک لامپ یا موتور را روشن کنم؟

خروجی پایه‌ی 3 را به سیم‌پیچ یک رله بده و یک دیود هرزگرد موازی سیم‌پیچ بگذار؛ کنتاکت رله مدار لامپ یا موتور را جدا وصل می‌کند. کار با برق 220 ولت فقط باید توسط یک فرد متخصص و داخل جعبه‌ی ایمن انجام شود.

مقاله‌های دیگر