利用EDA設計的新型多功能燃氣爐報警器

引言

隨著人們生活水平的提高。城鎮(zhèn)管道和罐裝燃氣越來越普及?？旖?、低污染的燃氣已成為人們?nèi)粘Ｉ畈豢扇鄙俚闹饕茉粗?。在帶給人們舒適、方便的同時。由于其易燃易爆的特性及有害成分的存在。燃氣也在不同程度上威脅著我們的安全。就全國而言，每年都有相關事故的報道。事故的發(fā)生多因燃氣具使用不當或管道老化造成的燃氣意外泄漏而致。雖然已有新型燃氣灶具具有意外熄火報警及自動切斷氣源等功能，但并未普及：況且不能控制灶前閥;目前燃氣報警器發(fā)展很不平衡，由Pc機值守的大型集群監(jiān)控系統(tǒng)雖安全可靠，但因成本較高使得使用范圍受到很大限制;一般的燃氣報警器因功能單一、可靠性差等原因難以得到普及。據(jù)此現(xiàn)狀，我們設計了一種多功能燃氣爐報警器。具有燃氣泄漏、燃氣具意外熄火的報警及應急處理功能。傳感器損壞白查報警功能，針對燃氣爐使用中的常見問題而設置的定時報警切斷及對灶前閥的狀態(tài)監(jiān)控功能。該設計性能可靠、安裝方便，適合于一般家庭燃氣爐、燃氣熱水器等的使用。

本設計采用電子設計自動化(EDA)技術。用目前廣泛應用的VHDL(Very—High—Speed Integrated Circuit Hardware DescriptionLanguage)硬件電路描述語言描述電路。VHDL是IEEE工業(yè)標準硬件描述語言，是隨著可編程邏輯器件(PLD)的發(fā)展而發(fā)展起來的。且具有很強的行為描述能力，容易修改和保存;在Ahera公司的MAX+PLUS II集成開發(fā)環(huán)境下進行綜合、仿真。并下載到可編程邏輯器件EPFIOKl0TCl44-3中。以實現(xiàn)控制功能。

1 報警器功能概述

多功能燃氣爐報警器在以下情況下發(fā)出聲光報警：燃氣爐意外熄火、燃氣泄漏、燃氣檢測元件損壞、定時時間到或閥門開關不當。其中發(fā)生燃氣爐意外熄火時報警。報警的同時自動切斷氣源。當發(fā)生燃氣泄漏時還可以打開排氣扇或油煙機排出泄漏氣體。對氣源及排風的控制均與通常的手動控制結合，不影響正常使用?？刂剖疽鈭D如圖1所示。

圖1燃氣爐報警器控制示意圖

漏氣檢測包括燃氣泄漏檢測和氣敏元件損壞檢測兩部分。氣敏傳感器選用QM型“氣-電”轉(zhuǎn)換器件。當有燃氣泄漏時，其表面發(fā)生化學吸附使本身電阻下降，燃氣濃度越高，電阻值下降越多。利用該特性形成的開關信號傳給報警控制器，以判斷是否有燃氣泄漏。由于氣敏元件在使用中，熱絲可能燒斷而不易被發(fā)現(xiàn)。特增加了氣敏元件自檢環(huán)節(jié)，利用熱絲的通斷對自檢電路輸出電壓的不同產(chǎn)生用于判斷元件好壞的開關量傳給報警控制器。

意外熄火檢測分別由燃氣流量檢測和火焰檢測產(chǎn)生相應信號，由控制器根據(jù)兩個信號狀態(tài)判斷是否發(fā)生了意外熄火情況。

定時設置是為了防止用戶燒水或煮飯時，由于疏忽造成燃燒時間過長而引發(fā)事故。定時時間可在1-99分鐘之內(nèi)任意設置，若不做設置，顯示為“0，控制器默認為常開，即不限時工作。

由于用戶往往出現(xiàn)對燃氣閥門操作不當?shù)那闆r，如用完燃氣后只關一個閥門，或先關燃氣爐而后關管道閥門，這樣會產(chǎn)生不同程度的安全隱患。故而特別設置閥門狀態(tài)來監(jiān)控燃氣爐閥門和管道閥門(或室內(nèi)總氣閥)開關狀態(tài)，在用戶不當操作時發(fā)出報警信息。

報警信號分聲報警和不同顏色的光報警。為降低功耗，在主人未能及時處理故障時，聲警經(jīng)過一定延時(如3分鐘)后停止.而光警信息一直持續(xù)。復位按鍵用于排出故障后報警信息的清除。

2 模塊功能實現(xiàn)及仿真

設計中采用分層技術，即先實現(xiàn)某些功能模塊，即底層電路，再由頂層電路將這些功能模塊連接起來，構成完整的電路結構。此設計分意外熄火判斷、燃氣泄漏判斷、燃氣閥狀態(tài)監(jiān)控、定時設置、定時顯示及信息處理等六個模塊，其中定時設置及顯示模塊采用已有的成熟電路，此處不再贅述，定時時間到向信息處理模塊發(fā)出報警請求。下面就其余四個模塊的功能仿真加以介紹。

2.1 意外熄火判斷模塊

為避免湯水溢出或風吹等使嫩氣爐意外熄火造成燃氣泄漏，特設置燃氣流量檢測和火焰檢測，當然氣爐熄火而仍有嫩氣輸出時，則向信息處理模塊發(fā)出報警請求。圖z為意外熄火判斷仿真圖。

圖2 意外熄火仿真波形圖

日常使用中，在打火及正常關火時不希望出現(xiàn)頻繁的報警，設置報警的條件是未切斷燃氣狀態(tài)下((qliu高電平有效)，火焰從有到無(hyan檢測為1→0)。從仿真結果可知，只有在火焰熄滅且有氣流時，模塊才會發(fā)出報警請求(xhuo,高電平有效)。這樣打火(約1.57s)或正常關火(約460ms)時該模塊不會有有效輸出。

2.2 燃氣泄漏判斷模塊

該模塊接收氣敏傳感器送來的檢測信號(xlou高電平有效)。為避免干擾或短時間少量的可控燃氣泄漏(如點火時的瞬間燃氣泄漏)造成誤報警，對燃氣泄漏的報警請求采用延時處理。在一段較短時間內(nèi)，由報警的可靠性及靈敏性要求綜合決定，若多次(由系統(tǒng)的時鐘周期與延時長短決定具體次數(shù))收到有效信號，則發(fā)出報警請求。如圖3所示：

圖3 燃氣泄漏仿真波形圖

為避免傳感器損壞(熱絲可能燒斷而不易被發(fā)現(xiàn))造成報警失效，特設置了氣敏元件自檢環(huán)節(jié)，一旦自檢結果有效(yjan高電平)，就發(fā)出報警請求。用戶可根據(jù)報警信息及時更換相應元件，確保報警的可靠性。

2.3 燃氣閥狀態(tài)監(jiān)控模塊

為保證用氣安全，對燃氣閥門的正確操作方式為用氣前先打開管道閥門，用氣后先關閉管道閥門，等軟管中的燃氣燃燒完畢自動熄火后再關閉燃氣爐閥門。然而生活中經(jīng)常出現(xiàn)操作不當?shù)那闆r，如順手關掉燃氣爐而忘記關管道閥門(或管道閥門關不到位)，或先關燃氣爐閥門后關管道閥門，造成停止用氣后軟管中長時間存有燃氣。更有甚者，只關管道閥門，使下次用氣時打開管道閥門便有燃氣經(jīng)爐具泄漏出來。對燃氣閥開關狀態(tài)的監(jiān)控信號分別來自燃氣爐閥門和管道閥門，高電平表示閥門打開或關閉不到位。不同狀態(tài)下的報警請求見如圖4所示的仿真波形。

圖4 燃氣閥狀態(tài)監(jiān)控仿真波形圖

圖中kga和kgb分別表示燃氣爐和管道閥門狀態(tài)，不當操作下產(chǎn)生報警請求信}, kgbjl和kghj2，信息處理模塊對兩種報警請求采取不同的延時后發(fā)出聲光報警：只關閉管道閥門后的較短延時(如3s)后發(fā)出報警，延時是為留給用戶對兩個閥門的操作時間差;而只關閉爐具閥門時，在較長延時時間內(nèi)(如90s)不進行聲報警，以利于用戶間斷用氣，此時發(fā)出光報警信息，提示用戶及時關閉管道閥門，在此期間再次打開爐具則停止光報警，否則發(fā)出聲報警信息。參見圖5中0-3s的仿真，限于篇幅延時做了調(diào)整。

2.4 信息處理模塊

信息處理模塊接收前述各個模塊的報警請求，根據(jù)不同請求作出相應聲、光報警及必要的應急操作。一般情況下不會同時產(chǎn)生多種報警請求，此處就每種警情分別進行了仿真，為了節(jié)省篇幅，將各仿真結果集中在一副圖中，借助于復位按鍵加以區(qū)分。如圖5所示：

圖5 報警信息處理仿真波形圖

聲報警(蜂鳴器)起主要的警示作用，同時輔以光報警。光報警分為兩種：紅光和黃光(分別由兩個發(fā)光二極管實現(xiàn))，黃光報警說明氣敏元件損壞(約7，處)，其余警情輔以紅光信息。在意外熄火、燃氣泄漏或定時時間到的情況下，報警的同時切斷氣源}4}Y經(jīng)驅(qū)動控制燃氣閥門)。在有燃氣泄漏情況下，還可以啟動排風裝置(排氣扇或油煙機)，及時排出泄漏氣體。無警情時，燃氣閥門和排風裝置均可以正常手動控制。

3 結語

該設計采用設計靈活、修改快捷、調(diào)試方便、研制周期短的EDA技術。該技術設計出的電子產(chǎn)品具有高可靠性和較高的性能價格比，極具市場競爭力。本設計中參數(shù)的改變、增多、調(diào)整等均不需要硬件電路的支持而可以方便地直接從VHDL代碼描述中進行修改。本設計實現(xiàn)的多功能燃氣爐報警器安裝方便，不必破壞原管路的設置。采用承插式軟連接于管道閥與燃氣爐之間;如果增設通訊模塊。還可作為集群監(jiān)控系統(tǒng)中的下位機和現(xiàn)場執(zhí)行機。該報警器的應用將提高燃氣使用的安全性，為人們的生命財產(chǎn)安全提供保障。與同類設備比較，本報警器功能多，使用更為方便，工作可靠，性價比更高，具有廣闊的應用前景。

本文創(chuàng)新點：從灶上閥、管道閥門和火焰三點取值，可以徹底避免由于開關操作不當產(chǎn)生的潛在危險，定時功能方便用戶使用，集報警與應急控制于一體，氣敏元件的自檢功能、檢測信號的延時確認增加了報警的可靠性。