山西工程技術(shù)學(xué)院 崔建國(guó) 寧永香

專用于模擬傳感器的LED指示型三態(tài)電壓報(bào)警器

山西工程技術(shù)學(xué)院 崔建國(guó) 寧永香

針對(duì)目前報(bào)警器或檢測(cè)器只對(duì)兩種狀態(tài)（或現(xiàn)象）“0”或“1”提供警示，這對(duì)于數(shù)字型傳感器合適；但對(duì)于某些像溫度、水位、氣流、電壓等模擬型傳感器來(lái)說(shuō)，其輸出電壓值是模擬信號(hào)，對(duì)它的警示或指示若只有“0”或“1”兩種狀態(tài)已顯不足。提供一種簡(jiǎn)單電路，采用四個(gè)三極管及外圍元件組成一個(gè)檢測(cè)電路，這些三極管互相觸發(fā)或箝位，將不同電壓段的模擬傳感器輸出信號(hào)按照“欠壓、正常、過(guò)壓”用三個(gè)發(fā)光二極管分別警示，完美解決了我們?nèi)粘Ｉ钪械牧硪环N“報(bào)警”現(xiàn)象，即“三狀態(tài)”報(bào)警。

傳感器；模擬信號(hào)；三態(tài)；報(bào)警

1 引言

人們?yōu)榱藦耐饨绔@取信息，必須借助于感覺(jué)器官，而單靠人們自身的感覺(jué)器官，在研究自然現(xiàn)象和規(guī)律以及生產(chǎn)活動(dòng)中它們的功能就遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠了。為適應(yīng)這種情況，就需要傳感器。因此可以說(shuō)，傳感器是人類五官的延長(zhǎng)，又稱之為電五官。新技術(shù)革命的到來(lái)，世界開始進(jìn)入信息時(shí)代。在利用信息的過(guò)程中，首先要解決的就是要獲取準(zhǔn)確可靠的信息，而傳感器是獲取自然和生產(chǎn)領(lǐng)域中信息的主要途徑與手段。在現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)尤其是自動(dòng)化生產(chǎn)過(guò)程中，要用各種傳感器來(lái)監(jiān)視和控制生產(chǎn)過(guò)程中的各個(gè)參數(shù)，使設(shè)備工作在正常狀態(tài)或最佳狀態(tài)，并使產(chǎn)品達(dá)到最好的質(zhì)量。因此可以說(shuō)，沒(méi)有眾多的優(yōu)良的傳感器，現(xiàn)代化生產(chǎn)也就失去了基礎(chǔ)[1]。

傳感器按輸出信號(hào)的類型可以分為數(shù)字型傳感器和模擬型傳感器，輸出數(shù)字量的傳感器就是數(shù)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(bào)警器只能對(duì)“正常”和“不正?！眱煞N現(xiàn)象提供警示，因?yàn)樘峁┬盘?hào)源的傳感器往往是數(shù)字型傳感器，其只有“0”、“1”兩種輸出狀態(tài)，如下圖1所示；對(duì)于某些模擬傳感器輸出信號(hào)，下面模型不能實(shí)現(xiàn)。

圖1 數(shù)字型傳感器報(bào)警工作模型

2 LED指示型三態(tài)電壓報(bào)警器

這種三態(tài)電壓報(bào)警器，專門針對(duì)于某些模擬傳感器而設(shè)計(jì),很好地解決了我們?nèi)粘Ｉ钪械牧硪环N“報(bào)警”現(xiàn)象，即“三狀態(tài)”報(bào)警，使我們對(duì)人類生活環(huán)境的檢測(cè)更靈活、更人性化，這種三態(tài)警示在人類生活環(huán)境中還是很必須的。

2.1 模擬型傳感器報(bào)警模型

有時(shí)我們需要了解一個(gè)放大器是否已經(jīng)達(dá)到飽和還是放大不足；一個(gè)電源電壓是否過(guò)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(guò)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(jīng)超過(guò)極限值（包括正極限和負(fù)極限），這些對(duì)環(huán)境的“三種狀態(tài)（簡(jiǎn)稱三態(tài)）”的描述往往對(duì)工作都很有必要。

對(duì)于這些“三態(tài)”的工礦狀態(tài)，如果使用像圖1模型而設(shè)計(jì)的數(shù)字傳感器報(bào)警電路來(lái)實(shí)現(xiàn)是不合適的，不能實(shí)現(xiàn)的。如果使用一種功能完善的安全監(jiān)視器系統(tǒng)（攝像頭、監(jiān)視器、報(bào)警器等）并從性價(jià)比上看也不合算。

使用本文設(shè)計(jì)的模擬型傳感器報(bào)警模型則是極為合適的，如圖2所示。

圖2 模擬型傳感器報(bào)警工作模型

2.2 L E D指示型三態(tài)電壓報(bào)警器工作原理詳解

對(duì)于上述模擬型傳感器報(bào)警工作模型設(shè)計(jì)一個(gè)電路，該電路設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、可以作為通用型的三態(tài)電壓監(jiān)視系統(tǒng)，該設(shè)計(jì)利用LED發(fā)光二極管指示輸入電壓是處于“正常工作范圍”、還是“過(guò)壓工作范圍”或“欠壓工作范圍”，大多數(shù)模擬傳感器只要與這種“LED指示型三態(tài)電壓報(bào)警器”組合，即可形成一個(gè)完整的環(huán)境報(bào)警系統(tǒng)，它可以對(duì)上述三種現(xiàn)象報(bào)警或指示，而不是一般報(bào)警器的兩種現(xiàn)象（或狀態(tài)）警示[2]。電氣原理圖如圖3所示：

圖3 三態(tài)電壓報(bào)警器電氣原理圖

報(bào)警器由四個(gè)三極管、三個(gè)發(fā)光二極管以及8個(gè)電阻構(gòu)成，這些器件互相觸發(fā)或箝位，將不同電壓段的模擬傳感器輸出信號(hào)按照“欠壓、正常、過(guò)壓”用三個(gè)發(fā)光二極管分別警示，完美解決了我們?nèi)粘Ｉ钪械牧硪环N“報(bào)警”現(xiàn)象，即“三狀態(tài)”報(bào)警[3]。

當(dāng)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(shí)，晶體管T1和T2產(chǎn)生開啟電流，它們C-E極導(dǎo)通（T3和T4截止），則T1、R5、發(fā)光二極管D1、T2形成回路，發(fā)光二極管D1點(diǎn)亮，由于晶體管T3和T4截止使發(fā)光二極管D2、D3熄滅，D1點(diǎn)亮指示輸入信號(hào)電平處于“正常工作范圍”內(nèi)。

當(dāng)輸入電平上升到約8.5V以上時(shí)，晶體管T1由于基極電位抬高由導(dǎo)通反轉(zhuǎn)為截止?fàn)顟B(tài)，晶體管T2仍然導(dǎo)通，T1截止導(dǎo)致T3基極電平跌落，T3導(dǎo)通，T2導(dǎo)通使T4基極仍處于低電平，T4仍然截止。T3雖然導(dǎo)通但基極電流太小，不足以點(diǎn)亮發(fā)光二極管D1，熄滅；晶體管T3、發(fā)光二極管D2、電阻R8形成回路，D2點(diǎn)亮；T4截止，發(fā)光二極管D3仍然熄滅。D2點(diǎn)亮指示輸入電平已經(jīng)超過(guò)“正常工作范圍”，處于“過(guò)壓”狀態(tài)，間接說(shuō)明安裝傳感器的環(huán)境比如水位、溫度、速度等已經(jīng)超過(guò)警戒線。

最后，當(dāng)輸入信號(hào)降到3.5V以下時(shí)，晶體管T1和T4導(dǎo)通，T2、T3截止，發(fā)光二極管

D3點(diǎn)亮，D1、D2熄滅，指示輸入信號(hào)電平低于“正常工作范圍”，處于“欠壓”狀態(tài)，間接說(shuō)明傳感器環(huán)境比如氣壓、水位等低于警戒線。

當(dāng)輸入（R1/R3之結(jié)點(diǎn)）斷開時(shí)，輸入電壓等于電源電壓的一半，即6V，這時(shí)發(fā)光二極管D1也會(huì)發(fā)光，故本電路若要作為報(bào)警器用，要盡量保證輸入接線的可靠連接，否則會(huì)引起警事漏報(bào)。

本電路的總電流消耗主要取決于發(fā)光二極管的電流，其值最大時(shí)約為20mA。其中處于“正常工作范圍”發(fā)光二極管D1采用綠色指示；超過(guò)“正常工作范圍”即處于“過(guò)壓”狀態(tài)的發(fā)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(tài)的發(fā)光二極管采用黃色指示，這種顏色設(shè)計(jì)與我們?nèi)粘Ｉ钫J(rèn)知的報(bào)警顏色相同，沒(méi)有任何不適應(yīng)、不會(huì)產(chǎn)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(wěn)壓二極管D產(chǎn)生，作為三態(tài)電壓報(bào)警器的12V供電[4]。如圖3所示：

圖4 1 2 V直流電源

3 結(jié)語(yǔ)

本設(shè)計(jì)也可以設(shè)計(jì)為聲光報(bào)警，既有LED發(fā)光報(bào)警、同時(shí)配有強(qiáng)烈的聲音報(bào)警。但由于這種報(bào)警器是對(duì)三種狀態(tài)指示，而人類對(duì)聲音的敏感度相對(duì)于顏色來(lái)說(shuō)相差很大，即對(duì)顏色特別敏感、對(duì)聲音不很敏感，所以依靠聲音區(qū)別三種現(xiàn)象不是很容易。如果采用現(xiàn)成的語(yǔ)音集成電路設(shè)計(jì)，成本高不說(shuō)，設(shè)計(jì)難度加大，其實(shí)有些畫蛇添足。

以上介紹的“LED指示型三態(tài)電壓報(bào)警器”，雖然電路結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，但設(shè)計(jì)理念新穎、獨(dú)特，完全不同于常見的“0或1”報(bào)警，可以很好地解決了我們?nèi)粘Ｉ钪械牧硪环N“報(bào)警”現(xiàn)象，即“三狀態(tài)”報(bào)警，使我們對(duì)人類生活環(huán)境的檢測(cè)更靈活、更人性化，這種三態(tài)警示在人類生活環(huán)境中還是很必須的。該設(shè)計(jì)經(jīng)過(guò)仿真測(cè)試，證明電路結(jié)構(gòu)完美、元件參數(shù)準(zhǔn)確，十分利于市場(chǎng)推廣。

[1]李中年．控制電器及應(yīng)用[M]．北京：清華大學(xué)出版社,2007．

[2]李仁．電器控制[M]．北京：機(jī)械工業(yè)出版社,2013．

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

[4]劉暢生．傳感器簡(jiǎn)明手冊(cè)及應(yīng)用電路[M]．陜西：西安電子科技大學(xué)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(guó)（1969—），男，山西陽(yáng)泉人，大學(xué)本科，畢業(yè)于桂林電子科技大學(xué)，山西工程技術(shù)學(xué)院副教授。

寧永香（1973—），女，山西陽(yáng)泉人，碩士研究生，山西工程技術(shù)學(xué)院副教授。