基于模拟元件的保护电路设计

龙洗 杜雯 孙增林

摘   要：为了避免因传感器损坏造成机器失效的危险，设计了基于模拟元件的保护电路系统。该电路主要通过直流电桥模拟传感器采集信号，输出相应的电压值、由集成运放LM358AD构成的比例放大电路将输出的信号进行放大、LM324AD构成减法器对两个直流电桥输出的电压值进行比较、74FF00D与非门的逻辑关系构成一个闸门开关决定是否继续工作。最后通过IN4148二极管的工作与否来反映此时电路是否应该正常工作。文章研究了系统电路的详细设计，并通过Multisim软件进行仿真实验，结果表明该系统能够对电路进行有效保护，并具备可操作性高、电路简单、消耗低等优点。

关键词：保护电路;传感器;减法器;闸门开关

随着社会的发展，机器硬件的应用越来越广泛，近年来实验室和各种生活场所因用电设备保护不足导致大大小小的火灾频繁发生。究其原因，主要是因为加热装置的传感器损坏，系统无法识别是否继续工作，元器件加热时间过长引起的。如何在传感器损坏时有效保护硬件、提高电源管理的可靠性、尽可能地减少因传感器损坏而对机器造成的损失及可能发生的危害具有重要的意义。

在生活中，很多机器都由一个传感器来接收指令，进而完成工作。在加热装置中，首先通过热电偶传感器进行检测，传感器输出的值能够控制系统继续加热，或者停止加热。但若传感器此时损坏，那么它的输出有两种可能。（1）输出电阻为无穷大，此时电路就不会工作，不加热，此时电路较为安全。（2）输出电阻为0，这时可能出现系统难以分辨是否是真实数据，若温度达到最大值后仍继续加热，此时无人看管，就会引起火灾，具有较大的安全隐患。

针对这一问题，设计了一种基于模拟元件的保护系统。系统能够对电路进行有效的保护，具有可操作性简单、能耗低等优点。

1    系统的总体设计

该系统由直流电桥、集成运放LM358AD，LM324AD，74FF00D与非门，IN4148二极管以及电源、电阻等组成。能够对电路进行有效的保护，并具有可操作性强的优点，系统的工作流程如图1所示。

为了应对一个传感器损坏所造成的风险，本文采用两个传感器共同工作。传感器损坏的概率比较小，因此两个同时损坏的概率可忽略。通过两个传感器引入温度变量，应用比较器将两个输入的值进行做差，若两个传感器输入的值相差不大，电路可正常工作，反之，至少会有一个传感器不正常工作，电路不会正常工作，电路的整体工作如图2所示。

由于加热装置的传感器一般采用的是热电偶传感器，通过感受温度的大小来输出对应的模拟电压值，为了便于仿真，本文采用两个直流电桥来模拟传感器的输出值，电路的连接如下。（1）在电桥上面分别引入两根导线，分别接入由U2A，U1A组成的比例放大电路。（2）将放大电路输出的电压分别接在由U3A组成的减法器上，输出值为两个电压之差。U4A是一个与非门，其逻辑关系为1×0=1，1×1=0，0×0=1，这里1，0分别指高低电平。IN4148二极管相当于控制电路工作，若亮，则输出高电平，若灭，则输出为低电平。

由于两个传感器同时损坏的概率极低，在实际工程中仅有两种情况，传感器均无损坏以及有一个损坏，对应的电路工作状态如下。

1.1  传感器都正常工作

当两个传感器都正常工作时，电桥输出相同的电压，经过同样倍数的比例放大电路之后亦相同，经过减法器之后，其输出是低电平，与非门另一端接高电平。经过与非之后输出的是高电平，使U5A进行工作。U6A是一个比例为1的放大电路，引出电桥的电压值，电桥的电压经过一个减法器与设定值进行比较，若低于设定值，输出为高电平，二极管发光，电路能正常工作。若高于设定值，输出为低电平，二极管不发光，电路不工作[1]。

1.2  传感器有一个损坏

当有一个传感器工作异常时，电桥输出的电压不完全相同，经过同样放大倍数的比例放大电路工作之后也不相同。经过减法器之后，输出高电平。经过与非门之后输出低电平，作为一个使能控制端使U5A停止工作，二极管不会发光，电路不会工作。

2    各部分电路设计

2.1  直流电桥电路

电桥是将电容、电感以及电阻等参数的变化转化为电压或电流输出的一种测量电路，也是最常见的调理电路之一[2]。

本设计中采用的是直流电桥，常见电桥的连接方式有单臂半桥、双臂半桥和全桥，本文中通过利用滑动变阻器的变化来影响输出的变化代替电阻应变片变化带来的输出电压值，直流电桥原理如图3所示。

本文采用两个直流电桥代替传感器在用电设备电路中截取电压信号，此时的电压信号很小，输出相同或不同的电压到比例放大电路中进行放大，u1，u2分别接入比例放大电路的同向输入端与反向输入端。

2.2  比例放大電路

集成运放的主要应用之一就是能够构成各种运算电路，为了能够良好地实现输入电压与输出电压之间的某种运算关系，集成运放应该工作在线性区，因而电路中需要引入负反馈。本文中，采用加减运算电路对电桥的输出电压进行放大，其公式为：

其中，u0表示输出的电压值，Rf表示反馈电阻，u11，u12分别是同相输入端与反向输入端的电压值，R1，R2分别是对应的输入电阻，具体连接如图4所示。

2.3  减法电路

根据上述的比例电路和求和电路可知，输出电压的极性和同向输入端的电压相同，与反向输入端的电压相反，将比例电路与求和电路搭配[3]，不难得到减法电路的原理，根据集成运放可得到减法电路（见图5）。

其中，uo1，uo2分别表示直流电桥经过放大电路后的电压值，U3A是一个减法器，如果两个电压相差较大，对应um会输出较高的电压值，即高电平。若两个电压相差不大，则输出低电平。

2.4  闸门电路

闸门电路的选取是将减法器输出的电压值um作为一个使能控制端，当um输出为高电平时，U5A能够正常工作，当um输出低电平时，U5A则停止工作，闸门电路如图6所示。

当um输出高电平时，经过与非门之后输出为低电平，当um输出为低电平时，输出为高电平，进而能够控制U5A的工作，当U5A工作时，电桥输出的电压值又可与给定的值进行比较，若低于给定值，则输出高电平，二极管发光，反之，二极管不亮。

3    实验仿真

分别将两个直流电桥调成相同及不同，相同，其对应电阻均为100%，不同，其中一个调至50%，一个调至100%（见图7）。

当两个直流电桥差距较大时，二极管不发光，此时电路没有正常工作，当两个直流电桥差距不大时，分别同时调整两个直流电桥的输出电压的值，根据电路图可知，当两个同时满足均为68%左右时，二极管亮，其他时候二极管没亮。其原因是在闸门电路控制的末端处，直流电桥输出的电压值与设置的进行比较，低于设定的电压时，输出为高电平，此时二极管发光[4]，二极管显示如图8所示。

4    结语

本文研究了基于模拟元件的电压保护电路，分别分析了在传感器出现故障与否时电路工作的情况，对系统进行了详细的设计，并进行了仿真实验。仿真结果显示，通过该系统能够较好地实现电路的保护及避免硬件损坏。对机器造成的损失及可能发生的危害具有重要的意义。

基金项目：本文系沈阳航空航天大学2018年度大学生实践创新创业训练项目;项目编号：201810143058。

作者简介：龙洗（1999— ），男，辽宁锦州人，本科生;研究方向：导航制导与控制。

[参考文献]

[1]张红梅，叶慧，郑罡，等.多传感器飞机货舱火警探测系统研究[J].重庆理工大学学报（自然科学），2017（7）：182-187.

[2]刘晴，许瑾，刘诗涵.一种基于多传感器的矿井安全监测系统设计[J].中国科技信息，2018（1）：81-82.

[3]黄布毅，常亞军，张海霞，等.基于无线传感器网络的煤矿安全监测系统设计[J].通信技术，2008（9）：170-172.

[4]刘军.传感器技术在安全监测系统中的应用[J].科技创新与应用，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