利用EDA設計的新型多功能燃氣爐報警器

引言

隨著(zhù)人們生活水平的提高。城鎮管道和罐裝燃氣越來(lái)越普及?？旖?、低污染的燃氣已成為人們日常生活不可缺少的主要能源之一。在帶給人們舒適、方便的同時(shí)。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(zhù)我們的安全。就全國而言，每年都有相關(guān)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(dòng)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控系統雖安全可靠，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。據此現狀，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(jiàn)問(wèn)題而設置的定時(shí)報警切斷及對灶前閥的狀態(tài)監控功能。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(dòng)化(EDA)技術(shù)。用目前廣泛應用的VHDL(Very—High—Speed Integrated Circuit Hardware DescriptionLanguage)硬件電路描述語(yǔ)言描述電路。VHDL是IEEE工業(yè)標準硬件描述語(yǔ)言，是隨著(zhù)可編程邏輯器件(PLD)的發(fā)展而發(fā)展起來(lái)的。且具有很強的行為描述能力，容易修改和保存;在A(yíng)hera公司的MAX+PLUS II集成開(kāi)發(fā)環(huán)境下進(jìn)行綜合、仿真。并下載到可編程邏輯器件EPFIOKl0TCl44-3中。以實(shí)現控制功能。

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(shí)時(shí)間到或閥門(mén)開(kāi)關(guān)不當。其中發(fā)生燃氣爐意外熄火時(shí)報警。報警的同時(shí)自動(dòng)切斷氣源。當發(fā)生燃氣泄漏時(shí)還可以打開(kāi)排氣扇或油煙機排出泄漏氣體。對氣源及排風(fēng)的控制均與通常的手動(dòng)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”轉換器件。當有燃氣泄漏時(shí)，其表面發(fā)生化學(xué)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(kāi)關(guān)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。特增加了氣敏元件自檢環(huán)節，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(kāi)關(guān)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，由控制器根據兩個(gè)信號狀態(tài)判斷是否發(fā)生了意外熄火情況。

定時(shí)設置是為了防止用戶(hù)燒水或煮飯時(shí)，由于疏忽造成燃燒時(shí)間過(guò)長(cháng)而引發(fā)事故。定時(shí)時(shí)間可在1-99分鐘之內任意設置，若不做設置，顯示為“0，控制器默認為常開(kāi)，即不限時(shí)工作。

由于用戶(hù)往往出現對燃氣閥門(mén)操作不當的情況，如用完燃氣后只關(guān)一個(gè)閥門(mén)，或先關(guān)燃氣爐而后關(guān)管道閥門(mén)，這樣會(huì )產(chǎn)生不同程度的安全隱患。故而特別設置閥門(mén)狀態(tài)來(lái)監控燃氣爐閥門(mén)和管道閥門(mén)(或室內總氣閥)開(kāi)關(guān)狀態(tài)，在用戶(hù)不當操作時(shí)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(shí)處理故障時(shí)，聲警經(jīng)過(guò)一定延時(shí)(如3分鐘)后停止.而光警信息一直持續。復位按鍵用于排出故障后報警信息的清除。

2 模塊功能實(shí)現及仿真

設計中采用分層技術(shù)，即先實(shí)現某些功能模塊，即底層電路，再由頂層電路將這些功能模塊連接起來(lái)，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)監控、定時(shí)設置、定時(shí)顯示及信息處理等六個(gè)模塊，其中定時(shí)設置及顯示模塊采用已有的成熟電路，此處不再贅述，定時(shí)時(shí)間到向信息處理模塊發(fā)出報警請求。下面就其余四個(gè)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(fēng)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(shí)，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(guān)火時(shí)不希望出現頻繁的報警，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(wú)(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(shí)，模塊才會(huì )發(fā)出報警請求(xhuo,高電平有效)。這樣打火(約1.57s)或正常關(guān)火(約460ms)時(shí)該模塊不會(huì )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(lái)的檢測信號(xlou高電平有效)。為避免干擾或短時(shí)間少量的可控燃氣泄漏(如點(diǎn)火時(shí)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(shí)處理。在一段較短時(shí)間內，由報警的可靠性及靈敏性要求綜合決定，若多次(由系統的時(shí)鐘周期與延時(shí)長(cháng)短決定具體次數)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)造成報警失效，特設置了氣敏元件自檢環(huán)節，一旦自檢結果有效(yjan高電平)，就發(fā)出報警請求。用戶(hù)可根據報警信息及時(shí)更換相應元件，確保報警的可靠性。

2.3 燃氣閥狀態(tài)監控模塊

為保證用氣安全，對燃氣閥門(mén)的正確操作方式為用氣前先打開(kāi)管道閥門(mén)，用氣后先關(guān)閉管道閥門(mén)，等軟管中的燃氣燃燒完畢自動(dòng)熄火后再關(guān)閉燃氣爐閥門(mén)。然而生活中經(jīng)常出現操作不當的情況，如順手關(guān)掉燃氣爐而忘記關(guān)管道閥門(mén)(或管道閥門(mén)關(guān)不到位)，或先關(guān)燃氣爐閥門(mén)后關(guān)管道閥門(mén)，造成停止用氣后軟管中長(cháng)時(shí)間存有燃氣。更有甚者，只關(guān)管道閥門(mén)，使下次用氣時(shí)打開(kāi)管道閥門(mén)便有燃氣經(jīng)爐具泄漏出來(lái)。對燃氣閥開(kāi)關(guān)狀態(tài)的監控信號分別來(lái)自燃氣爐閥門(mén)和管道閥門(mén)，高電平表示閥門(mén)打開(kāi)或關(guān)閉不到位。不同狀態(tài)下的報警請求見(jiàn)如圖4所示的仿真波形。

圖4 燃氣閥狀態(tài)監控仿真波形圖

圖中kga和kgb分別表示燃氣爐和管道閥門(mén)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(shí)后發(fā)出聲光報警：只關(guān)閉管道閥門(mén)后的較短延時(shí)(如3s)后發(fā)出報警，延時(shí)是為留給用戶(hù)對兩個(gè)閥門(mén)的操作時(shí)間差;而只關(guān)閉爐具閥門(mén)時(shí)，在較長(cháng)延時(shí)時(shí)間內(如90s)不進(jìn)行聲報警，以利于用戶(hù)間斷用氣，此時(shí)發(fā)出光報警信息，提示用戶(hù)及時(shí)關(guān)閉管道閥門(mén)，在此期間再次打開(kāi)爐具則停止光報警，否則發(fā)出聲報警信息。參見(jiàn)圖5中0-3s的仿真，限于篇幅延時(shí)做了調整。

2.4 信息處理模塊

信息處理模塊接收前述各個(gè)模塊的報警請求，根據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(huì )同時(shí)產(chǎn)生多種報警請求，此處就每種警情分別進(jìn)行了仿真，為了節省篇幅，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(shí)輔以光報警。光報警分為兩種：紅光和黃光(分別由兩個(gè)發(fā)光二極管實(shí)現)，黃光報警說(shuō)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(shí)時(shí)間到的情況下，報警的同時(shí)切斷氣源}4}Y經(jīng)驅動(dòng)控制燃氣閥門(mén))。在有燃氣泄漏情況下，還可以啟動(dòng)排風(fēng)裝置(排氣扇或油煙機)，及時(shí)排出泄漏氣體。無(wú)警情時(shí)，燃氣閥門(mén)和排風(fēng)裝置均可以正常手動(dòng)控制。

3 結語(yǔ)

該設計采用設計靈活、修改快捷、調試方便、研制周期短的EDA技術(shù)。該技術(shù)設計出的電子產(chǎn)品具有高可靠性和較高的性能價(jià)格比，極具市場(chǎng)競爭力。本設計中參數的改變、增多、調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(jìn)行修改。本設計實(shí)現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。還可作為集群監控系統中的下位機和現場(chǎng)執行機。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(lèi)設備比較，本報警器功能多，使用更為方便，工作可靠，性?xún)r(jià)比更高，具有廣闊的應用前景。

本文創(chuàng )新點(diǎn)：從灶上閥、管道閥門(mén)和火焰三點(diǎn)取值，可以徹底避免由于開(kāi)關(guān)操作不當產(chǎn)生的潛在危險，定時(shí)功能方便用戶(hù)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(shí)確認增加了報警的可靠性。