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(guān)事故的報道。事故的發(fā)生多因燃氣具使用不當(dāng)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(shè)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(yīng)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(shè)置的定時報警切斷及對灶前閥的狀態(tài)監(jiān)控功能。該設(shè)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(shè)計采用電子設(shè)計自動化(EDA)技術(shù)。用目前廣泛應(yīng)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(guān)不當(dāng)。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(dāng)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(fēng)的控制均與通常的手動控制結(jié)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(dāng)有燃氣泄漏時，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(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(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(yīng)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(shè)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(shè)置，若不做設(shè)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(dāng)?shù)那闆r，如用完燃氣后只關(guān)一個閥門，或先關(guān)燃氣爐而后關(guān)管道閥門，這樣會產(chǎn)生不同程度的安全隱患。故而特別設(shè)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(guān)狀態(tài)，在用戶不當(dāng)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(fù)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(shè)計中采用分層技術(shù)，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(gòu)成完整的電路結(jié)構(gòu)。此設(shè)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(shè)置、定時顯示及信息處理等六個模塊，其中定時設(shè)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(fēng)吹等使嫩氣爐意外熄火造成燃氣泄漏，特設(shè)置燃氣流量檢測和火焰檢測，當(dāng)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(guān)火時不希望出現(xiàn)頻繁的報警，設(shè)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(jié)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(guān)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(shè)置了氣敏元件自檢環(huán)節(jié)，一旦自檢結(jié)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(yīng)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(guān)閉管道閥門，等軟管中的燃氣燃燒完畢自動熄火后再關(guān)閉燃氣爐閥門。然而生活中經(jīng)常出現(xiàn)操作不當(dāng)?shù)那闆r，如順手關(guān)掉燃氣爐而忘記關(guān)管道閥門(或管道閥門關(guān)不到位)，或先關(guān)燃氣爐閥門后關(guān)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(guān)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(guān)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(guān)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(dāng)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(guān)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(guān)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(guān)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(yīng)聲、光報警及必要的應(yīng)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(jié)果集中在一副圖中，借助于復(fù)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(fēng)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(fēng)裝置均可以正常手動控制。

3 結(jié)語

該設(shè)計采用設(shè)計靈活、修改快捷、調(diào)試方便、研制周期短的EDA技術(shù)。該技術(shù)設(shè)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(shè)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(shè)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(shè)置。采用承插式軟連接于管道閥與燃氣爐之間;如果增設(shè)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(yīng)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(shè)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(yīng)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(guān)操作不當(dāng)產(chǎn)生的潛在危險，定時功能方便用戶使用，集報警與應(yīng)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。