基于RS 触发器的危险区域安全保护装置

罗 欢，李春树，李佳宁，贾大勇，姜文超

（宁夏大学物理与电子电气工程学院，宁夏银川 750021）

随着我国国民经济的高速发展,现代社会对电力供应安全可靠性的要求越来越高,电力安全比以往任何一个时期都显得更加重要[1]。在电机运转过程中，转动的扇叶等器件容易使靠近电机的工作人员被刮伤甚至卷入死亡[2]，而目前一些工厂车间在电机的控制上仍然采用一键式操作，即启动电机之后，只有关闭开关，才能使电机停止运转。针对这种情况，本文设计一种由74LS00 集成块构成的基本RS 触发器电路，通过消除RS 触发器的不确定状态，利用触发器的置“0”、置“1”和保持功能来解决电机安全问题。

1 电路对比分析

1.1 无RS 触发器安全保护电路

无RS 触发器安全保护电路如图1 所示。由图1可知，继电器KA 的常闭触点连接电机M，常开触点连接电机停电报警装置SP。当人靠近M 工作区域时，光敏电阻R1受到的光照减少，阻值增加；三极管T1的基极电位降低，集电极电位升高，因此三极管T2的基极电位升高，集电极电位降低，在KA 两端产生电压差，其线圈得电，常开触点吸合，M 断电、停止运转，发光二极管VD 及SP 得电，分别发出灯光示警和声音示警。当人离开M 运转区域时，R1受到的光照增加，阻值减小；T1的基极电位升高，集电极电位降低，因此T2基极电位也降低，集电极电位升高，KA 两端没有电压差，其线圈掉电，返回常闭触点，M 正常运转；SP 停止，实现电机的自动控制[3]。

图1 无RS 触发器安全保护电路图

1.2 新型RS 触发器安全保护电路

新型RS 触发器安全保护电路如图2 所示。图2与图1 的主要区别：在T1与T2之间增加了1 个由74LS00 构成的基本RS 触发器，在其5 号端子接入高/低电平导线，通过按钮开关K2转换高、低电位；利用基本RS 触发器的置“0”、置“1”和保持功能，实现对电机的手动控制，同时将基本RS 触发器2 号和5 号端子通过一个单刀双掷开关K1相连[4]。

图2 新型RS 触发器安全保护电路图

1.2.1 手动控制的实现 将图2 中的K1断开。当人靠近M 工作区域时，R1受到的光照减少，阻值增加，T1的基极电位降低，集电极电位升高，在非门的作用下，1 号端变为低电平，5 号端为高电平，所以基本RS 触发器处于置“1”态；T1基极为高电位，集电极电位降低，所以KA 两端产生电压差，其线圈得电，常开触点吸合，M 断电、停止运转；VD 和SP 得电，分别发出灯光示警与声音示警。当人离开M 工作区域时，R1受到的光照增加，阻值减小，T1的基极电位升高，集电极电位降低，1 号端变为高电平，5 号端为高电平，所以基本RS 触发器处于保持态，即保持之前的“1”态；T1基极为高电位，M 仍然停止运转。此时，如果K2闭合，5 号端变为低电位，基本RS 触发器处于置“0”态；T2基极为低电位，集电极电位升高，所以KA 两端没有产生电压差，其线圈掉电，返回常闭触点，M 正常运转；SP 停止警示。当K2断开时，基本RS 触发器又处于保持态，保持M 的正常运转。综上可知，图2 电路能够实现电机的手动控制。

1.2.2 自动控制的实现 将图2 中的K1闭合，此时基本RS 触发器失去了触发功能，相当于T1的集电极与T2的基极通过2 个非门相连。当人靠近M 工作区域时，R1受到的光照减少，阻值增加，T1的基极电位降低，集电极电位升高，经过2 个非门后，T2的基极电位升高，集电极电位降低，所以KA 两端产生电压差，其线圈得电，常开触点吸合，M 断电、停止运转；VD 和SP 得电，分别发出灯光示警与声音示警。当人离开M 工作区域时，R1受到的光照增加，阻值降低，T1的基极电位升高，集电极电位降低，T2基极电位降低，集电极电位升高，KA 两端没有电压差，其线圈掉电，返回常闭触点，M 正常运转；SP 停止警示。以上实现的是电机的自动控制。

由上述2 个方案的分析可知，与图1 电路相比，图2 电路加入基本RS 触发器后，能够同时实现自动控制与手动控制，而且在自动控制方面其可靠性更高，电路整体结构更灵活，因此本文采用新型RS触发器安全保护电路。

1.3 应用场景及参数

图2 中主要元器件及其参数值如表1 所示。

当危险区域安全保护装置动作时，R1阻值由原来的2.5 kΩ 变为68.4 kΩ（实验测得），此时R1端电压U1为4.4 V（实验测得）；R2端电压U2与UBE相等，为0.7 V（已知）；R2阻值为20 kΩ，R3阻值为1.5 kΩ（表1）；T1的电流放大倍数β 为100（已知）。计算公式为

表1 主要元器件及其参数值

由计算可得：流过R1的电流I1为0.064 mA;流过R2的电流I2为0.035 mA；T1的基极电流IB为0.029 mA，集电极电流IC为2.933 mA；R3的端电压U3为4.4 V；UD为5.1 V，与稳压二极管D 通过实验测得的稳压值相吻合（表1）。随后，新型RS 触发器实现置“1”功能，T2的集电极电流使KA 的常开触点吸合，常闭触点断开，M 停止运转，VD 和SP 示警。

综上可知，实验测量数据与理论分析结果相吻合（误差在合理范围内），因此能够合理解释此装置工作时，各个器件的状态变化以及电流、电压值的变化。图3、图4 分别为电机正常运行和安全保护装置启动的场景。

图3 电机正常运行

图4 安全保护装置启动

2 RS 触发器的改进

触发器有多种分类方式，其中按逻辑功能可分为基本RS 触发器、同步触发器、维持阻塞型触发器、从触发器和边沿触发器等[5]。触发器的触发方式也有很多种，其根据电路结构的不同而发生改变。本文主要说明基本电平控制的触发器。对于此类触发器，通常根据所给的高、低电平来改变其输入信号，输入信号直接控制触发方式，进而控制触发器的工作状态。

基本RS 触发器的电路结构如图5 所示。正常情况下，触发器的2 个输出端Q 和为相反状态，一般将Q 端的状态作为触发器的状态。S 与R 不同的输入组合会导致Q 端不同的状态，如表2 所示。

图5 基本RS 触发器电路结构

表2 基本RS 触发器功能表

由于本次设计只需用到基本RS 触发器的置“0”、置“1”和保持功能，为了让安全保护装置能够稳定有效地开启和关闭，避免不确定状态，需要对原来的RS 触发器进行改进，具体方案如下[6-8]。

（1）方案一。该方案如图6 所示，将基本RS 触发器的5 号端接地，使其保持低电平状态，此时不会出现不确定状态。将触发器的输入与输出端直接相连，实现自动控制。当无人闯入危险区域时，R1阻值小，T1基极电位高、集电极电位低，T2基极电位低、集电极电位高，KA 不工作，M 正常运转；当有人闯入危险区域时，R1阻值增大，T1基极电位降低、集电极电位升高，T2基极电位升高、集电极电位降低，KA工作，M 停止运转（图2）。该方案虽然能够有效避免不确定状态的发生，实现自动控制，但由于输入端的电流、电压与输出端的电流、电压不同，两者直接相连会影响电路的稳定性，并且存在不能手动控制电机启、停的缺点[9]。

图6 基本RS 触发器改进方案一

（2）方案二。为了增加电机的手动控制环节，提高危险保护装置的稳定性，区分触发器输入端与输出端的电流、电压，本文在方案一的基础上，提出以下改进措施，如图7 所示。在2，5 号端子之间增加1个单刀双掷开关K1。若闭合K1，且将拨动开关K2断开，使5 号端子置于接地处，整个触发器相当于1个与非门，此时危险区域安全保护装置处于自动保护状态[10]。若断开K1，且将K2闭合，使5 号端子置于稳压管D 的正极，此时RS 触发器正常工作且避免了不确定状态，从而可实现危险区域安全保护装置的手动控制。此方法的优点在于不仅可以实现电机的自动控制，同时也能实现其手动控制，提高了电路的稳定性，并且更加符合实际应用需求。

图7 基本RS 触发器改进方案二

3 结论

本文设计的危险区域安全保护装置是基于74LS00 集成块构成的RS 触发器。系统增加了1 个单刀双掷开关，并且利用光敏电阻的阻值变化特性，实现高、低电平的转换，从而控制电机的启、停。当工作人员靠近危险区域时，电机能够停止转动；当工作人员离开危险区域时，电机又能够恢复运转，解决了区域的安全保护问题。该装置易于制作、成本低，并且可以进一步实现模块化，还可与其他安全防护设施相结合，实现联合动作，在经济性和可升级性上能体现其独特的优势。