利用EDA设计的新型多功能燃气炉报警器

引言

随着人们生活水平的提高。城镇管道和罐装燃气越来越普及。快捷、低污染的燃气已成为人们日常生活不可缺少的主要能源之一。在带给人们舒适、方便的同时。由于其易燃易爆的特性及有害成分的存在。燃气也在不同程度上威胁着我们的安全。就全国而言，每年都有相关事故的报道。事故的发生多因燃气具使用不当或管道老化造成的燃气意外泄漏而致。虽然已有新型燃气灶具具有意外熄火报警及自动切断气源等功能，但并未普及：况且不能控制灶前阀;目前燃气报警器发展很不平衡，由Pc机值守的大型集群监控系统虽安全可靠，但因成本较高使得使用范围受到很大限制;一般的燃气报警器因功能单一、可靠性差等原因难以得到普及。据此现状，我们设计了一种多功能燃气炉报警器。具有燃气泄漏、燃气具意外熄火的报警及应急处理功能。传感器损坏白查报警功能，针对燃气炉使用中的常见问题而设置的定时报警切断及对灶前阀的状态监控功能。该设计性能可靠、安装方便，适合于一般家庭燃气炉、燃气热水器等的使用。

本设计采用电子设计自动化(EDA)技术。用目前广泛应用的VHDL(Very—High—Speed Integrated Circuit Hardware DescriptionLanguage)硬件电路描述语言描述电路。VHDL是IEEE工业标准硬件描述语言，是随着可编程逻辑器件(PLD)的发展而发展起来的。且具有很强的行为描述能力，容易修改和保存;在Ahera公司的MAX+PLUS II集成开发环境下进行综合、仿真。并下载到可编程逻辑器件EPFIOKl0TCl44-3中。以实现控制功能。

1 报警器功能概述

多功能燃气炉报警器在以下情况下发出声光报警：燃气炉意外熄火、燃气泄漏、燃气检测元件损坏、定时时间到或阀门开关不当。其中发生燃气炉意外熄火时报警。报警的同时自动切断气源。当发生燃气泄漏时还可以打开排气扇或油烟机排出泄漏气体。对气源及排风的控制均与通常的手动控制结合，不影响正常使用。控制示意图如图1所示。

图1燃气炉报警器控制示意图

漏气检测包括燃气泄漏检测和气敏元件损坏检测两部分。气敏传感器选用QM型“气-电”转换器件。当有燃气泄漏时，其表面发生化学吸附使本身电阻下降，燃气浓度越高，电阻值下降越多。利用该特性形成的开关信号传给报警控制器，以判断是否有燃气泄漏。由于气敏元件在使用中，热丝可能烧断而不易被发现。特增加了气敏元件自检环节，利用热丝的通断对自检电路输出电压的不同产生用于判断元件好坏的开关量传给报警控制器。

意外熄火检测分别由燃气流量检测和火焰检测产生相应信号，由控制器根据两个信号状态判断是否发生了意外熄火情况。

定时设置是为了防止用户烧水或煮饭时，由于疏忽造成燃烧时间过长而引发事故。定时时间可在1-99分钟之内任意设置，若不做设置，显示为“0"，控制器默认为常开，即不限时工作。

由于用户往往出现对燃气阀门操作不当的情况，如用完燃气后只关一个阀门，或先关燃气炉而后关管道阀门，这样会产生不同程度的安全隐患。故而特别设置阀门状态来监控燃气炉阀门和管道阀门(或室内总气阀)开关状态，在用户不当操作时发出报警信息。

报警信号分声报警和不同颜色的光报警。为降低功耗，在主人未能及时处理故障时，声警经过一定延时(如3分钟)后停止.而光警信息一直持续。复位按键用于排出故障后报警信息的清除。

2 模块功能实现及仿真

设计中采用分层技术，即先实现某些功能模块，即底层电路，再由顶层电路将这些功能模块连接起来，构成完整的电路结构。此设计分意外熄火判断、燃气泄漏判断、燃气阀状态监控、定时设置、定时显示及信息处理等六个模块，其中定时设置及显示模块采用已有的成熟电路，此处不再赘述，定时时间到向信息处理模块发出报警请求。下面就其余四个模块的功能仿真加以介绍。

2.1 意外熄火判断模块

为避免汤水溢出或风吹等使嫩气炉意外熄火造成燃气泄漏，特设置燃气流量检测和火焰检测，当然气炉熄火而仍有嫩气输出时，则向信息处理模块发出报警请求。图z为意外熄火判断仿真图。

图2 意外熄火仿真波形图

日常使用中，在打火及正常关火时不希望出现频繁的报警，设置报警的条件是未切断燃气状态下((qliu高电平有效)，火焰从有到无(hyan检测为1→0)。从仿真结果可知，只有在火焰熄灭且有气流时，模块才会发出报警请求(xhuo,高电平有效)。这样打火(约1.57s)或正常关火(约460ms)时该模块不会有有效输出。

2.2 燃气泄漏判断模块

该模块接收气敏传感器送来的检测信号(xlou高电平有效)。为避免干扰或短时间少量的可控燃气泄漏(如点火时的瞬间燃气泄漏)造成误报警，对燃气泄漏的报警请求采用延时处理。在一段较短时间内，由报警的可靠性及灵敏性要求综合决定，若多次(由系统的时钟周期与延时长短决定具体次数)收到有效信号，则发出报警请求。如图3所示：

图3 燃气泄漏仿真波形图

为避免传感器损坏(热丝可能烧断而不易被发现)造成报警失效，特设置了气敏元件自检环节，一旦自检结果有效(yjan高电平)，就发出报警请求。用户可根据报警信息及时更换相应元件，确保报警的可靠性。

2.3 燃气阀状态监控模块

为保证用气安全，对燃气阀门的正确操作方式为用气前先打开管道阀门，用气后先关闭管道阀门，等软管中的燃气燃烧完毕自动熄火后再关闭燃气炉阀门。然而生活中经常出现操作不当的情况，如顺手关掉燃气炉而忘记关管道阀门(或管道阀门关不到位)，或先关燃气炉阀门后关管道阀门，造成停止用气后软管中长时间存有燃气。更有甚者，只关管道阀门，使下次用气时打开管道阀门便有燃气经炉具泄漏出来。对燃气阀开关状态的监控信号分别来自燃气炉阀门和管道阀门，高电平表示阀门打开或关闭不到位。不同状态下的报警请求见如图4所示的仿真波形。

图4 燃气阀状态监控仿真波形图

图中kga和kgb分别表示燃气炉和管道阀门状态，不当操作下产生报警请求信}, kgbjl和kghj2，信息处理模块对两种报警请求采取不同的延时后发出声光报警：只关闭管道阀门后的较短延时(如3s)后发出报警，延时是为留给用户对两个阀门的操作时间差;而只关闭炉具阀门时，在较长延时时间内(如90s)不进行声报警，以利于用户间断用气，此时发出光报警信息，提示用户及时关闭管道阀门，在此期间再次打开炉具则停止光报警，否则发出声报警信息。参见图5中0-3s的仿真，限于篇幅延时做了调整。

2.4 信息处理模块

信息处理模块接收前述各个模块的报警请求，根据不同请求作出相应声、光报警及必要的应急操作。一般情况下不会同时产生多种报警请求，此处就每种警情分别进行了仿真，为了节省篇幅，将各仿真结果集中在一副图中，借助于复位按键加以区分。如图5所示：

图5 报警信息处理仿真波形图

声报警(蜂鸣器)起主要的警示作用，同时辅以光报警。光报警分为两种：红光和黄光(分别由两个发光二极管实现)，黄光报警说明气敏元件损坏(约7，处)，其余警情辅以红光信息。在意外熄火、燃气泄漏或定时时间到的情况下，报警的同时切断气源}4}Y经驱动控制燃气阀门)。在有燃气泄漏情况下，还可以启动排风装置(排气扇或油烟机)，及时排出泄漏气体。无警情时，燃气阀门和排风装置均可以正常手动控制。

3 结语

该设计采用设计灵活、修改快捷、调试方便、研制周期短的EDA技术。该技术设计出的电子产品具有高可靠性和较高的性能价格比，极具市场竞争力。本设计中参数的改变、增多、调整等均不需要硬件电路的支持而可以方便地直接从VHDL代码描述中进行修改。本设计实现的多功能燃气炉报警器安装方便，不必破坏原管路的设置。采用承插式软连接于管道阀与燃气炉之间;如果增设通讯模块。还可作为集群监控系统中的下位机和现场执行机。该报警器的应用将提高燃气使用的安全性，为人们的生命财产安全提供保障。与同类设备比较，本报警器功能多，使用更为方便，工作可靠，性价比更高，具有广阔的应用前景。

本文创新点：从灶上阀、管道阀门和火焰三点取值，可以彻底避免由于开关操作不当产生的潜在危险，定时功能方便用户使用，集报警与应急控制于一体，气敏元件的自检功能、检测信号的延时确认增加了报警的可靠性。