应用于火灾报警控制系统的过流检测保护电路及实现方法

本发明涉及消防技术领域，具体涉及的是一种应用于火灾报警控制系统的过流检 测保护电路及实现方法。

现有的火灾报警控制系统电路在发生过流后的自我保护方式，基本是依靠硬件来 实现，例如采用自恢复保险丝结合外围电路布置。现有的这种自我保护方式，主要缺陷在 于：

(1)驱动能力不足。现有的火灾报警控制系统，因其在电路中存在着自恢复保险丝 (其具有一定的阻值)，并且无实现电流放大的功能，所以驱动能力不强(约500mA左右)，无 法负载较大的设备。

(2)检测过流及保护耗费的时间较长。自恢复保险丝的动作原理是一种能量的动 态平衡，流过自恢复保险丝的电流因电流热效应的关系会产生一定程度的热量，当自恢复 保险丝处于低阻状态时，自恢复保险丝不动作；当流过自恢复保险丝元件的电流增加时，自 恢复保险丝会达到较高的温度，此时，自恢复保险丝会处于高阻保护状态，阻抗的增加限制 了电流，使得电流在很短时间内急剧下降，从而起到电路设备保护的作用。不难看出，当系 统电路发生过流时，自恢复保险丝阻起到断阻电流作用需要耗费一定的时间(约需要1～2 秒)，从而，增加了故障切除响应的时间。

因此，有必要设计一种软硬件结合的过流检测及保护电路，以便增强火灾报警控 制系统驱动能力的同时，缩短过流后的保护响应时间。

针对上述技术的不足，本发明提供了一种应用于火灾报警控制系统的过流检测保 护电路及实现方法，可在增强火灾报警控制系统驱动能力的同时，缩短系统发生过流后的 保护响应时间。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

应用于火灾报警控制系统的过流检测保护电路，包括单片机，具有电流输入引脚、 电源引脚、模拟电压输出引脚、滤波引脚的电流检测芯片D5，以及比较器D4、第一光耦电路 D9、第二光耦电路D10和半桥驱动集成电路；

所述电流检测芯片D5的电流输入引脚接Ucc+；电流检测芯片D5的电源引脚和滤波 引脚均接VDD；模拟电压输出引脚接比较器D4的IN-端，并且在模拟电压输出引脚与比较器 D4的IN-端之间接有电容C16，该电容C16通过引线接入单片机，由单片机采集该电容C16处 的电压信号；

所述比较器D4的IN+端经电阻R15接VDD，同时还经电阻R16接地；比较器D4输出端 接入单片机的外部中断；

所述第一光耦电路D9同时接半桥驱动集成电路的脉冲输入端和单片机，并接12V+ 和VDD；

所述第二光耦电路D10接单片机，并通过三极管V11接半桥驱动集成电路的SD信号 输入端，并接12V+和VDD；三极管V11发射极接Ucc-；

所述半桥驱动集成电路接电流检测芯片D5的电流输入引脚。

具体地说，所述第一光耦电路D9和第二光耦电路D10均包括一个发光二极管、一个 光敏二极管和一个NPN型三极管，发光二极管与光敏二极管互相匹配，并且光敏二极管与 NPN型三极管的基极连接，其中，发光二极管正极接VDD，负极接单片机；光敏二极管正极接 12V+，负极接NPN型三极管的基极；第一光耦电路D9中的NPN型三极管的集电极接半桥驱动 集成电路的激励脉冲输入端，发射极接Ucc-；第二光耦电路D10中的NPN型三极管的集电极 接12V+，发射极接三极管V11的基极。

进一步地，所述半桥驱动集成电路包括驱动芯片D8、二极管V5、电容C22、高压mos 管V6、高压mos管V9；所述第一光耦电路D9中的NPN型三极管的集电极接驱动芯片D8的激励 脉冲输入端，所述驱动芯片D8的SD信号输入端同时接三极管V11的集电极和12V+，高端输出 端接高压mos管V6的栅极，低端输出端接高压mos管V9的栅极，反馈输入端同时接高压mos管 V6的源极、高压mos管V9的漏极，公共接地端接Ucc-，VCC端口则接12V+，并经由电容C21接 Ucc-；所述的二极管V5正极接电容C21，负极接驱动芯片D8的自举电压输入端，并且该二极 管V5负极还经电容C22接驱动芯片D8的反馈输入端；所述高压mos管V6的漏极接电流检测芯 片D5的电流输入引脚；所述高压mos管V9的源极接Ucc-。

基于上述电路，本发明还提供了其实现方法，包括以下步骤：

(1)单片机输出高电平并接通第一光耦电路D9，驱动芯片D8的高端输出端置高电 平，驱动高压mos管V6导通；

(2)电流检测芯片D5采集电流信号；

(3)比较器D4比较IN+端与IN-端的电压值，当IN+端的电压值小于IN-端的电压值 时，比较器D4输出电平翻转；

(4)单片机根据比较器D4的IN-端的电压信号，判定此时系统故障的类型，并接通 第二光耦电路D10；

(5)第二光耦电路D10触发三极管V11的集电极与发射极导通，驱动芯片D8的高端 输出端置低电平，高压mos管V6截止，实现过流保护。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

(1)本发明通过设计电流检测芯片、比较器、第一光耦电路、第二光耦电路和半桥 驱动集成电路，比较器输出电平的性质取决于电流检测芯片流经的电流值大小，通过单片 机控制第一光耦电路、第二光耦电路的导通与断开状态，从而，驱动控制半桥驱动集成电路 的高压mos管导通或断开，当系统发生过载或短路故障时，保护的响应时间极短(约10us)， 很好地保护了设备，消除了安全隐患。如此一来，本发明通过软硬件的有效结合，不仅确保 了火灾报警控制系统的正常工作，而且，利用高压mos管输入电流极小、温度稳定性能良好、 抗辐射能力强、放大能力强等优点，驱动芯片只需输出较小的信号便能驱动高压mos管，实 现信号的放大，从而大幅提高了整个系统的驱动能力(可达到10A左右)，可谓一举两得。

(2)本发明根据系统故障时电流电压变化情况巧妙地设置电流检测芯片，实时采 集系统运行电流，并利用比较器进行电流变化判定。通过在比较器D4的IN-端并接电容C16 进行充放电，一方面，作为比较器的输入电压，为高压mos管准确响应提供了保障，避免发生 故障(例如过载或短路)时，比较器D4向单片机输出高电平信号，导致半桥驱动集成电路与 电流检测芯片导通；另一方面，在保证保护响应时间的同时，也能防止系统电流波动造成的 高压mos管误动作，使保护动作更准确。

(3)本发明的比较器与单片机外部中断连接，仅系统发生故障时，单片机才执行中 断程序，用于判断此时故障的类型，为后期维护处理提供依据。本发明通过软硬件的结合， 驱动控制第一光耦电路、第二光耦电路导通或截止，实现系统快速自我保护响应。

(4)本发明各个环节环环相扣、相辅相成，其通过整体的电路结构设计，结合软件 的逻辑判断，巧妙地实现了“大电流-小电压”(即：未过流时输出大电流，发生过载或短路时 自我保护)，从而更好地满足了火灾报警控制系统的实际工作需要。

图1为本发明的电路原理图。

下面结合附图说明和实施例对本发明作进一步说明，本发明的方式包括但不仅限 于以下实施例。

实施例

如图1所示，本发明提供了一种过流检测保护电路，可应用于火灾报警控制系统 中，其主要由单片机、电流检测芯片D5、比较器D4、第一光耦电路D9、第二光耦电路D10和半 桥驱动集成电路组成。

所述的电流检测芯片D5具有电流输入引脚(IP+和IP-)、电源引脚(VCC)、模拟电压 输出引脚(VIOUT)、滤波引脚(FILTER)，其中，电流输入引脚(IP+)接Ucc+；电流检测芯片D5 的电源引脚和滤波引脚均接VDD；模拟电压输出引脚接比较器D4的IN-端，并且在模拟电压 输出引脚与比较器D4的IN-端之间接有电容C16，该电容C16通过引线接入单片机。

所述比较器D4的IN+端经电阻R15接VDD，同时还经电阻R16接地；比较器D4输出端 则接入单片机的外部中断。

所述的第一光耦电路D9和第二光耦电路D10用于控制半桥驱动集成电路与电流检 测芯片D5的连通或断开。

具体地说，所述的第一光耦电路D9和第二光耦电路D10均包括一个发光二极管、一 个光敏二极管和一个NPN型三极管，其中，发光二极管正极接VDD，负极接单片机；光敏二极 管正极接12V+，负极接NPN型三极管的基极；第一光耦电路D9中的发射极接Ucc-；第二光耦电 路D10中的NPN型三极管的集电极接12V+，发射极接三极管V11的基极。

所述的半桥驱动集成电路则包括驱动芯片D8、二极管V5、电容C22、高压mos管V6、V9。所述的第一光耦电路D9中的NPN型三极管的集电极接驱动芯片D8的激励脉冲输入端(IN)，驱动芯片D8的SD信号输入端同时接三极管V11的集电极和12V⁺，高端输出端(HO)接高压mos管V6的栅极(两者串联有一个驱动电阻R26)，低端输出端(LO)接高压mos管V9的栅极(两者串联有一个驱动电阻R31)，反馈输入端(VS)同时接高压mos管V6的源极、高压mos管V9的漏极，公共接地端(COM)接Ucc^-，VCC端口则接12V⁺，并经由电容C21接Ucc^-。所述的二极管V5正极接电容C21，负极接驱动芯片D8的自举电压输入端(VB)，并且该二极管V5负极还经电容C22接驱动芯片D8的反馈输入端；所述高压mos管V6的漏极接电流检测芯片D5的电流输入引脚(IP-)；所述高压mos管V9的源极接Ucc^-。其中，Ucc^-和Ucc⁺为火灾报警控制系电源，VDD为保护电路内部供电电源。

本发明可实现系统电流增大及过流后的自我保护，其具体实现过程如下：

初始时，单片机输出高电平信号驱动第一光耦电路D9，第一光耦电路D9内的三极 管的发射极与集电极导通，从而驱动高压mos管V6导通，使得火灾报警控制系统的电源回路 接通，并且系统驱动能力可达到10A左右，与此同时，单片机采集电容C16处的电压信号。

电流检测芯片D5采集电流信号，并将该电流信号传输至电容C16处，由比较器D4进 行IN+端电压与IN-端电压对比，比较器D4的IN-端电压值大小由流过电流检测芯片D5的电流 值决定。如果IN+端电压大于IN-端电压，则说明此时系统为正常运行状态，比较器输出高电 平。

如果IN+端电压小于IN-端电压，则比较器D4输出电平翻转并作为单片机的外部中 断信号，单片机接收外部中断信号后采集电容C16处的电压信号，然后将该电压信号进行AD 转换，判定此时系统故障的类型。若AD转换的电压值大于预设值，则该系统故障为过载；若 AD转换的电压值小于预设值，则该系统故障为短路。

确认系统故障的同时，单片机驱动第二光耦电路D10工作，触发三极管V11的集电 极与发射极导通，此时，高压mos管V6截止，从而断开火灾报警控制系统的电源回路。

本发明通过合理的电路结构及流程设计，很好地实现了系统驱动能力增强及发生 过流后的自我保护。相比现有技术来说，本发明有效地实现了对系统过载或短路检测以及 “大电流-小电压”的目的，更好地满足了火灾报警控制系统的实际工作需要。因此，本发明 适于在火灾消防技术领域中大规模推广应用。

上述实施例仅为本发明的优选实施方式之一，不应当用于限制本发明的保护范 围，但凡在本发明的主体设计思想和精神上作出的毫无实质意义的改动或润，其所解决 的技术问题仍然与本发明一致的，均应当包含在本发明的保护范围之内。