基于模擬元件的保護電路設計

龍洗 杜雯 孫增林

摘? ?要：為了避免因傳感器損壞造成機器失效的危險，設計了基于模擬元件的保護電路系統。該電路主要通過直流電橋模擬傳感器采集信號，輸出相應的電壓值、由集成運放LM358AD構成的比例放大電路將輸出的信號進行放大、LM324AD構成減法器對兩個直流電橋輸出的電壓值進行比較、74FF00D與非門的邏輯關系構成一個閘門開關決定是否繼續工作。最后通過IN4148二極管的工作與否來反映此時電路是否應該正常工作。文章研究了系統電路的詳細設計，并通過Multisim軟件進行仿真實驗，結果表明該系統能夠對電路進行有效保護，并具備可操作性高、電路簡單、消耗低等優點。

關鍵詞：保護電路;傳感器;減法器;閘門開關

隨著社會的發展，機器硬件的應用越來越廣泛，近年來實驗室和各種生活場所因用電設備保護不足導致大大小小的火災頻繁發生。究其原因，主要是因為加熱裝置的傳感器損壞，系統無法識別是否繼續工作，元器件加熱時間過長引起的。如何在傳感器損壞時有效保護硬件、提高電源管理的可靠性、盡可能地減少因傳感器損壞而對機器造成的損失及可能發生的危害具有重要的意義。

在生活中，很多機器都由一個傳感器來接收指令，進而完成工作。在加熱裝置中，首先通過熱電偶傳感器進行檢測，傳感器輸出的值能夠控制系統繼續加熱，或者停止加熱。但若傳感器此時損壞，那么它的輸出有兩種可能。（1）輸出電阻為無窮大，此時電路就不會工作，不加熱，此時電路較為安全。（2）輸出電阻為0，這時可能出現系統難以分辨是否是真實數據，若溫度達到最大值后仍繼續加熱，此時無人看管，就會引起火災，具有較大的安全隱患。

針對這一問題，設計了一種基于模擬元件的保護系統。系統能夠對電路進行有效的保護，具有可操作性簡單、能耗低等優點。

1? ? 系統的總體設計

該系統由直流電橋、集成運放LM358AD，LM324AD，74FF00D與非門，IN4148二極管以及電源、電阻等組成。能夠對電路進行有效的保護，并具有可操作性強的優點，系統的工作流程如圖1所示。

為了應對一個傳感器損壞所造成的風險，本文采用兩個傳感器共同工作。傳感器損壞的概率比較小，因此兩個同時損壞的概率可忽略。通過兩個傳感器引入溫度變量，應用比較器將兩個輸入的值進行做差，若兩個傳感器輸入的值相差不大，電路可正常工作，反之，至少會有一個傳感器不正常工作，電路不會正常工作，電路的整體工作如圖2所示。

由于加熱裝置的傳感器一般采用的是熱電偶傳感器，通過感受溫度的大小來輸出對應的模擬電壓值，為了便于仿真，本文采用兩個直流電橋來模擬傳感器的輸出值，電路的連接如下。（1）在電橋上面分別引入兩根導線，分別接入由U2A，U1A組成的比例放大電路。（2）將放大電路輸出的電壓分別接在由U3A組成的減法器上，輸出值為兩個電壓之差。U4A是一個與非門，其邏輯關系為1×0=1，1×1=0，0×0=1，這里1，0分別指高低電平。IN4148二極管相當于控制電路工作，若亮，則輸出高電平，若滅，則輸出為低電平。

由于兩個傳感器同時損壞的概率極低，在實際工程中僅有兩種情況，傳感器均無損壞以及有一個損壞，對應的電路工作狀態如下。

1.1? 傳感器都正常工作

當兩個傳感器都正常工作時，電橋輸出相同的電壓，經過同樣倍數的比例放大電路之后亦相同，經過減法器之后，其輸出是低電平，與非門另一端接高電平。經過與非之后輸出的是高電平，使U5A進行工作。U6A是一個比例為1的放大電路，引出電橋的電壓值，電橋的電壓經過一個減法器與設定值進行比較，若低于設定值，輸出為高電平，二極管發光，電路能正常工作。若高于設定值，輸出為低電平，二極管不發光，電路不工作[1]。

1.2? 傳感器有一個損壞

當有一個傳感器工作異常時，電橋輸出的電壓不完全相同，經過同樣放大倍數的比例放大電路工作之后也不相同。經過減法器之后，輸出高電平。經過與非門之后輸出低電平，作為一個使能控制端使U5A停止工作，二極管不會發光，電路不會工作。

2? ? 各部分電路設計

2.1? 直流電橋電路

電橋是將電容、電感以及電阻等參數的變化轉化為電壓或電流輸出的一種測量電路，也是最常見的調理電路之一[2]。

本設計中采用的是直流電橋，常見電橋的連接方式有單臂半橋、雙臂半橋和全橋，本文中通過利用滑動變阻器的變化來影響輸出的變化代替電阻應變片變化帶來的輸出電壓值，直流電橋原理如圖3所示。

本文采用兩個直流電橋代替傳感器在用電設備電路中截取電壓信號，此時的電壓信號很小，輸出相同或不同的電壓到比例放大電路中進行放大，u1，u2分別接入比例放大電路的同向輸入端與反向輸入端。

2.2? 比例放大電路

集成運放的主要應用之一就是能夠構成各種運算電路，為了能夠良好地實現輸入電壓與輸出電壓之間的某種運算關系，集成運放應該工作在線性區，因而電路中需要引入負反饋。本文中，采用加減運算電路對電橋的輸出電壓進行放大，其公式為：

其中，u0表示輸出的電壓值，Rf表示反饋電阻，u11，u12分別是同相輸入端與反向輸入端的電壓值，R1，R2分別是對應的輸入電阻，具體連接如圖4所示。

2.3? 減法電路

根據上述的比例電路和求和電路可知，輸出電壓的極性和同向輸入端的電壓相同，與反向輸入端的電壓相反，將比例電路與求和電路搭配[3]，不難得到減法電路的原理，根據集成運放可得到減法電路（見圖5）。

其中，uo1，uo2分別表示直流電橋經過放大電路后的電壓值，U3A是一個減法器，如果兩個電壓相差較大，對應um會輸出較高的電壓值，即高電平。若兩個電壓相差不大，則輸出低電平。

2.4? 閘門電路

閘門電路的選取是將減法器輸出的電壓值um作為一個使能控制端，當um輸出為高電平時，U5A能夠正常工作，當um輸出低電平時，U5A則停止工作，閘門電路如圖6所示。

當um輸出高電平時，經過與非門之后輸出為低電平，當um輸出為低電平時，輸出為高電平，進而能夠控制U5A的工作，當U5A工作時，電橋輸出的電壓值又可與給定的值進行比較，若低于給定值，則輸出高電平，二極管發光，反之，二極管不亮。

3? ? 實驗仿真

分別將兩個直流電橋調成相同及不同，相同，其對應電阻均為100%，不同，其中一個調至50%，一個調至100%（見圖7）。

當兩個直流電橋差距較大時，二極管不發光，此時電路沒有正常工作，當兩個直流電橋差距不大時，分別同時調整兩個直流電橋的輸出電壓的值，根據電路圖可知，當兩個同時滿足均為68%左右時，二極管亮，其他時候二極管沒亮。其原因是在閘門電路控制的末端處，直流電橋輸出的電壓值與設置的進行比較，低于設定的電壓時，輸出為高電平，此時二極管發光[4]，二極管顯示如圖8所示。

4? ? 結語

本文研究了基于模擬元件的電壓保護電路，分別分析了在傳感器出現故障與否時電路工作的情況，對系統進行了詳細的設計，并進行了仿真實驗。仿真結果顯示，通過該系統能夠較好地實現電路的保護及避免硬件損壞。對機器造成的損失及可能發生的危害具有重要的意義。

基金項目：本文系沈陽航空航天大學2018年度大學生實踐創新創業訓練項目;項目編號：201810143058。

作者簡介：龍洗（1999— ），男，遼寧錦州人，本科生;研究方向：導航制導與控制。

[參考文獻]

[1]張紅梅，葉慧，鄭罡，等.多傳感器飛機貨艙火警探測系統研究[J].重慶理工大學學報（自然科學），2017（7）：182-187.

[2]劉晴，許瑾，劉詩涵.一種基于多傳感器的礦井安全監測系統設計[J].中國科技信息，2018（1）：81-82.

[3]黃布毅，常亞軍，張海霞，等.基于無線傳感器網絡的煤礦安全監測系統設計[J].通信技術，2008（9）：170-172.

[4]劉軍.傳感器技術在安全監測系統中的應用[J].科技創新與應用，2017（13）：17-18.

Abstract：In order to avoid the danger of machine failure caused by the damage of the sensor， the protection circuit system based on the analog component is designed. The output signal is amplified by a proportional amplifying circuit composed of an integrated operational amplifier LM358AD， and the LM324AD is composed of a subtractor to compare the voltage values of the two output bridge outputs， The logical relationship of the 74FF00D NAND gate forms a gate switch to determine whether to continue. Finally， the operation of the IN4148 diode is used to reflect whether the circuit should work normally. This paper detailed design of the system circuit is studied and the simulation experiment is carried out by Multisim software. The results show that the system can protect the circuit effectively and has the advantages of high maneuverability， simple circuit and low consumption.

Key words：protection circuit; sensor; subtractor; gate switch