專用于模擬傳感器的LED指示型三態電壓報警器

山西工程技術學院 崔建國 寧永香

專用于模擬傳感器的LED指示型三態電壓報警器

山西工程技術學院 崔建國 寧永香

針對目前報警器或檢測器只對兩種狀態（或現象）“0”或“1”提供警示，這對于數字型傳感器合適；但對于某些像溫度、水位、氣流、電壓等模擬型傳感器來說，其輸出電壓值是模擬信號，對它的警示或指示若只有“0”或“1”兩種狀態已顯不足。提供一種簡單電路，采用四個三極管及外圍元件組成一個檢測電路，這些三極管互相觸發或箝位，將不同電壓段的模擬傳感器輸出信號按照“欠壓、正常、過壓”用三個發光二極管分別警示，完美解決了我們日常生活中的另一種“報警”現象，即“三狀態”報警。

傳感器；模擬信號；三態；報警

1 引言

人們為了從外界獲取信息，必須借助于感覺器官，而單靠人們自身的感覺器官，在研究自然現象和規律以及生產活動中它們的功能就遠遠不夠了。為適應這種情況，就需要傳感器。因此可以說，傳感器是人類五官的延長，又稱之為電五官。新技術革命的到來，世界開始進入信息時代。在利用信息的過程中，首先要解決的就是要獲取準確可靠的信息，而傳感器是獲取自然和生產領域中信息的主要途徑與手段。在現代工業生產尤其是自動化生產過程中，要用各種傳感器來監視和控制生產過程中的各個參數，使設備工作在正常狀態或最佳狀態，并使產品達到最好的質量。因此可以說，沒有眾多的優良的傳感器，現代化生產也就失去了基礎[1]。

傳感器按輸出信號的類型可以分為數字型傳感器和模擬型傳感器，輸出數字量的傳感器就是數字傳感器，輸出模擬量的傳感器就是模擬傳感器。

一般常見的報警器只能對“正常”和“不正常”兩種現象提供警示，因為提供信號源的傳感器往往是數字型傳感器，其只有“0”、“1”兩種輸出狀態，如下圖1所示；對于某些模擬傳感器輸出信號，下面模型不能實現。

圖1 數字型傳感器報警工作模型

2 LED指示型三態電壓報警器

這種三態電壓報警器，專門針對于某些模擬傳感器而設計,很好地解決了我們日常生活中的另一種“報警”現象，即“三狀態”報警，使我們對人類生活環境的檢測更靈活、更人性化，這種三態警示在人類生活環境中還是很必須的。

2.1 模擬型傳感器報警模型

有時我們需要了解一個放大器是否已經達到飽和還是放大不足；一個電源電壓是否過壓或欠壓還是正好；或某些電壓型傳感器（即使電流型的傳感器通過采樣電阻采樣也可形成電壓型輸出）如溫度、水位、氣流等傳感器的輸出是否已經超過極限值（包括正極限和負極限），這些對環境的“三種狀態（簡稱三態）”的描述往往對工作都很有必要。

對于這些“三態”的工礦狀態，如果使用像圖1模型而設計的數字傳感器報警電路來實現是不合適的，不能實現的。如果使用一種功能完善的安全監視器系統（攝像頭、監視器、報警器等）并從性價比上看也不合算。

使用本文設計的模擬型傳感器報警模型則是極為合適的，如圖2所示。

圖2 模擬型傳感器報警工作模型

2.2 L E D指示型三態電壓報警器工作原理詳解

對于上述模擬型傳感器報警工作模型設計一個電路，該電路設計簡單、可以作為通用型的三態電壓監視系統，該設計利用LED發光二極管指示輸入電壓是處于“正常工作范圍”、還是“過壓工作范圍”或“欠壓工作范圍”，大多數模擬傳感器只要與這種“LED指示型三態電壓報警器”組合，即可形成一個完整的環境報警系統，它可以對上述三種現象報警或指示，而不是一般報警器的兩種現象（或狀態）警示[2]。電氣原理圖如圖3所示：

圖3 三態電壓報警器電氣原理圖

報警器由四個三極管、三個發光二極管以及8個電阻構成，這些器件互相觸發或箝位，將不同電壓段的模擬傳感器輸出信號按照“欠壓、正常、過壓”用三個發光二極管分別警示，完美解決了我們日常生活中的另一種“報警”現象，即“三狀態”報警[3]。

當電壓型模擬傳感器的輸出電壓，即本電路的輸入電壓電平在3.5V～8.5V之間時，晶體管T1和T2產生開啟電流，它們C-E極導通（T3和T4截止），則T1、R5、發光二極管D1、T2形成回路，發光二極管D1點亮，由于晶體管T3和T4截止使發光二極管D2、D3熄滅，D1點亮指示輸入信號電平處于“正常工作范圍”內。

當輸入電平上升到約8.5V以上時，晶體管T1由于基極電位抬高由導通反轉為截止狀態，晶體管T2仍然導通，T1截止導致T3基極電平跌落，T3導通，T2導通使T4基極仍處于低電平，T4仍然截止。T3雖然導通但基極電流太小，不足以點亮發光二極管D1，熄滅；晶體管T3、發光二極管D2、電阻R8形成回路，D2點亮；T4截止，發光二極管D3仍然熄滅。D2點亮指示輸入電平已經超過“正常工作范圍”，處于“過壓”狀態，間接說明安裝傳感器的環境比如水位、溫度、速度等已經超過警戒線。

最后，當輸入信號降到3.5V以下時，晶體管T1和T4導通，T2、T3截止，發光二極管

D3點亮，D1、D2熄滅，指示輸入信號電平低于“正常工作范圍”，處于“欠壓”狀態，間接說明傳感器環境比如氣壓、水位等低于警戒線。

當輸入（R1/R3之結點）斷開時，輸入電壓等于電源電壓的一半，即6V，這時發光二極管D1也會發光，故本電路若要作為報警器用，要盡量保證輸入接線的可靠連接，否則會引起警事漏報。

本電路的總電流消耗主要取決于發光二極管的電流，其值最大時約為20mA。其中處于“正常工作范圍”發光二極管D1采用綠色指示；超過“正常工作范圍”即處于“過壓”狀態的發光二極管采用紅色指示；低于“正常工作范圍”即處于“欠壓”狀態的發光二極管采用黃色指示，這種顏色設計與我們日常生活認知的報警顏色相同，沒有任何不適應、不會產生誤讀。

2.3 1 2 V直流電源

12V直流電源由220V交流電源、變壓器T、橋堆B、電容C、以及穩壓二極管D產生，作為三態電壓報警器的12V供電[4]。如圖3所示：

圖4 1 2 V直流電源

3 結語

本設計也可以設計為聲光報警，既有LED發光報警、同時配有強烈的聲音報警。但由于這種報警器是對三種狀態指示，而人類對聲音的敏感度相對于顏色來說相差很大，即對顏色特別敏感、對聲音不很敏感，所以依靠聲音區別三種現象不是很容易。如果采用現成的語音集成電路設計，成本高不說，設計難度加大，其實有些畫蛇添足。

以上介紹的“LED指示型三態電壓報警器”，雖然電路結構比較簡單，但設計理念新穎、獨特，完全不同于常見的“0或1”報警，可以很好地解決了我們日常生活中的另一種“報警”現象，即“三狀態”報警，使我們對人類生活環境的檢測更靈活、更人性化，這種三態警示在人類生活環境中還是很必須的。該設計經過仿真測試，證明電路結構完美、元件參數準確，十分利于市場推廣。

[1]李中年．控制電器及應用[M]．北京：清華大學出版社,2007．

[2]李仁．電器控制[M]．北京：機械工業出版社,2013．

[3]韓廣興．電子元器件與實用電路基礎(修訂版)[M]．北京：電子工業出版社,2005

[4]劉暢生．傳感器簡明手冊及應用電路[M]．陜西：西安電子科技大學出版社,2006

LED indicator three state voltage alarm for analog sensor

CUI Jian-guo NING Yong-xiang
（Shanxi Engineering Technology Institute，Yangquan Shanxi 045000,China）

At present，only two kinds of alarm detector or state(or phenomenon)”0”or”1”to provide a warning，the digital sensor suitable for some；but like temperature，water level，f l ow，voltage analog sensor，the output voltage value of the analog signal is a warning or indicator light”on it 0”or”1”two states have been insuff i cient.Provide a simple circuit with four transistors and peripheral components of a detection circuit，the transistor trigger each other or clamp，the analog output signal of the sensor section according to the different voltage under voltage，overvoltage，normal”warning respectively with three light-emitting diodes，perfect solution to another kind of”alarm “phenomenon in our daily life，namely”three state”alarm.

sensor；analog signal；three state；alarm

崔建國（1969—），男，山西陽泉人，大學本科，畢業于桂林電子科技大學，山西工程技術學院副教授。

寧永香（1973—），女，山西陽泉人，碩士研究生，山西工程技術學院副教授。