利用EDA設(shè)計(jì)的新型多功能燃?xì)鉅t報(bào)警器

引言

隨著人們生活水平的提高。城鎮(zhèn)管道和罐裝燃?xì)庠絹碓狡占?。快捷、低污染的燃?xì)庖殉蔀槿藗內(nèi)粘Ｉ畈豢扇鄙俚闹饕茉粗弧Ｔ趲Ыo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?xì)庖苍诓煌潭壬贤{著我們的安全。就全國而言，每年都有相關(guān)事故的報(bào)道。事故的發(fā)生多因燃?xì)饩呤褂貌划?dāng)或管道老化造成的燃?xì)庖馔庑孤┒隆ｋm然已有新型燃?xì)庠罹呔哂幸馔庀ɑ饒?bào)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?xì)鈭?bào)警器發(fā)展很不平衡，由Pc機(jī)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?xì)鈭?bào)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?cè)O(shè)計(jì)了一種多功能燃?xì)鉅t報(bào)警器。具有燃?xì)庑孤⑷細(xì)饩咭馔庀ɑ鸬膱?bào)警及應(yīng)急處理功能。傳感器損壞白查報(bào)警功能，針對(duì)燃?xì)鉅t使用中的常見問題而設(shè)置的定時(shí)報(bào)警切斷及對(duì)灶前閥的狀態(tài)監(jiān)控功能。該設(shè)計(jì)性能可靠、安裝方便，適合于一般家庭燃?xì)鉅t、燃?xì)鉄崴鞯鹊氖褂谩?/p>

本設(shè)計(jì)采用電子設(shè)計(jì)自動(dòng)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(biāo)準(zhǔn)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(qiáng)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(jìn)行綜合、仿真。并下載到可編程邏輯器件EPFIOKl0TCl44-3中。以實(shí)現(xiàn)控制功能。

1 報(bào)警器功能概述

多功能燃?xì)鉅t報(bào)警器在以下情況下發(fā)出聲光報(bào)警：燃?xì)鉅t意外熄火、燃?xì)庑孤?、燃?xì)鈾z測(cè)元件損壞、定時(shí)時(shí)間到或閥門開關(guān)不當(dāng)。其中發(fā)生燃?xì)鉅t意外熄火時(shí)報(bào)警。報(bào)警的同時(shí)自動(dòng)切斷氣源。當(dāng)發(fā)生燃?xì)庑孤r(shí)還可以打開排氣扇或油煙機(jī)排出泄漏氣體。對(duì)氣源及排風(fēng)的控制均與通常的手動(dòng)控制結(jié)合，不影響正常使用。控制示意圖如圖1所示。

圖1燃?xì)鉅t報(bào)警器控制示意圖

漏氣檢測(cè)包括燃?xì)庑孤z測(cè)和氣敏元件損壞檢測(cè)兩部分。氣敏傳感器選用QM型“氣-電”轉(zhuǎn)換器件。當(dāng)有燃?xì)庑孤r(shí)，其表面發(fā)生化學(xué)吸附使本身電阻下降，燃?xì)鉂舛仍礁?，電阻值下降越多。利用該特性形成的開關(guān)信號(hào)傳給報(bào)警控制器，以判斷是否有燃?xì)庑孤?。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(duì)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(bào)警控制器。

意外熄火檢測(cè)分別由燃?xì)饬髁繖z測(cè)和火焰檢測(cè)產(chǎn)生相應(yīng)信號(hào)，由控制器根據(jù)兩個(gè)信號(hào)狀態(tài)判斷是否發(fā)生了意外熄火情況。

定時(shí)設(shè)置是為了防止用戶燒水或煮飯時(shí)，由于疏忽造成燃燒時(shí)間過長而引發(fā)事故。定時(shí)時(shí)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(rèn)為常開，即不限時(shí)工作。

由于用戶往往出現(xiàn)對(duì)燃?xì)忾y門操作不當(dāng)?shù)那闆r，如用完燃?xì)夂笾魂P(guān)一個(gè)閥門，或先關(guān)燃?xì)鉅t而后關(guān)管道閥門，這樣會(huì)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?xì)鉅t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(shí)發(fā)出報(bào)警信息。

報(bào)警信號(hào)分聲報(bào)警和不同顏色的光報(bào)警。為降低功耗，在主人未能及時(shí)處理故障時(shí)，聲警經(jīng)過一定延時(shí)(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(bào)警信息的清除。

2 模塊功能實(shí)現(xiàn)及仿真

設(shè)計(jì)中采用分層技術(shù)，即先實(shí)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(jì)分意外熄火判斷、燃?xì)庑孤┡袛唷⑷細(xì)忾y狀態(tài)監(jiān)控、定時(shí)設(shè)置、定時(shí)顯示及信息處理等六個(gè)模塊，其中定時(shí)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(shí)時(shí)間到向信息處理模塊發(fā)出報(bào)警請(qǐng)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?xì)庑孤?，特設(shè)置燃?xì)饬髁繖z測(cè)和火焰檢測(cè)，當(dāng)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(bào)警請(qǐng)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(xiàn)頻繁的報(bào)警，設(shè)置報(bào)警的條件是未切斷燃?xì)鉅顟B(tài)下((qliu高電平有效)，火焰從有到無(hyan檢測(cè)為1→0)。從仿真結(jié)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(bào)警請(qǐng)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?xì)庑孤┡袛嗄K

該模塊接收氣敏傳感器送來的檢測(cè)信號(hào)(xlou高電平有效)。為避免干擾或短時(shí)間少量的可控燃?xì)庑孤?如點(diǎn)火時(shí)的瞬間燃?xì)庑孤?造成誤報(bào)警，對(duì)燃?xì)庑孤┑膱?bào)警請(qǐng)求采用延時(shí)處理。在一段較短時(shí)間內(nèi)，由報(bào)警的可靠性及靈敏性要求綜合決定，若多次(由系統(tǒng)的時(shí)鐘周期與延時(shí)長短決定具體次數(shù))收到有效信號(hào)，則發(fā)出報(bào)警請(qǐng)求。如圖3所示：

圖3 燃?xì)庑孤┓抡娌ㄐ螆D

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(bào)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(bào)警請(qǐng)求。用戶可根據(jù)報(bào)警信息及時(shí)更換相應(yīng)元件，確保報(bào)警的可靠性。

2.3 燃?xì)忾y狀態(tài)監(jiān)控模塊

為保證用氣安全，對(duì)燃?xì)忾y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?xì)馊紵戤呑詣?dòng)熄火后再關(guān)閉燃?xì)鉅t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?xì)鉅t而忘記關(guān)管道閥門(或管道閥門關(guān)不到位)，或先關(guān)燃?xì)鉅t閥門后關(guān)管道閥門，造成停止用氣后軟管中長時(shí)間存有燃?xì)?。更有甚者，只關(guān)管道閥門，使下次用氣時(shí)打開管道閥門便有燃?xì)饨?jīng)爐具泄漏出來。對(duì)燃?xì)忾y開關(guān)狀態(tài)的監(jiān)控信號(hào)分別來自燃?xì)鉅t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(bào)警請(qǐng)求見如圖4所示的仿真波形。

圖4 燃?xì)忾y狀態(tài)監(jiān)控仿真波形圖

圖中kga和kgb分別表示燃?xì)鉅t和管道閥門狀態(tài)，不當(dāng)操作下產(chǎn)生報(bào)警請(qǐng)求信}, kgbjl和kghj2，信息處理模塊對(duì)兩種報(bào)警請(qǐng)求采取不同的延時(shí)后發(fā)出聲光報(bào)警：只關(guān)閉管道閥門后的較短延時(shí)(如3s)后發(fā)出報(bào)警，延時(shí)是為留給用戶對(duì)兩個(gè)閥門的操作時(shí)間差;而只關(guān)閉爐具閥門時(shí)，在較長延時(shí)時(shí)間內(nèi)(如90s)不進(jìn)行聲報(bào)警，以利于用戶間斷用氣，此時(shí)發(fā)出光報(bào)警信息，提示用戶及時(shí)關(guān)閉管道閥門，在此期間再次打開爐具則停止光報(bào)警，否則發(fā)出聲報(bào)警信息。參見圖5中0-3s的仿真，限于篇幅延時(shí)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(gè)模塊的報(bào)警請(qǐng)求，根據(jù)不同請(qǐng)求作出相應(yīng)聲、光報(bào)警及必要的應(yīng)急操作。一般情況下不會(huì)同時(shí)產(chǎn)生多種報(bào)警請(qǐng)求，此處就每種警情分別進(jìn)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(bào)警信息處理仿真波形圖

聲報(bào)警(蜂鳴器)起主要的警示作用，同時(shí)輔以光報(bào)警。光報(bào)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(xiàn))，黃光報(bào)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?xì)庑孤┗蚨〞r(shí)時(shí)間到的情況下，報(bào)警的同時(shí)切斷氣源}4}Y經(jīng)驅(qū)動(dòng)控制燃?xì)忾y門)。在有燃?xì)庑孤┣闆r下，還可以啟動(dòng)排風(fēng)裝置(排氣扇或油煙機(jī))，及時(shí)排出泄漏氣體。無警情時(shí)，燃?xì)忾y門和排風(fēng)裝置均可以正常手動(dòng)控制。

3 結(jié)語

該設(shè)計(jì)采用設(shè)計(jì)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(jì)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(jìng)爭(zhēng)力。本設(shè)計(jì)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(jìn)行修改。本設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的多功能燃?xì)鉅t報(bào)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?xì)鉅t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(jī)和現(xiàn)場(chǎng)執(zhí)行機(jī)。該報(bào)警器的應(yīng)用將提高燃?xì)馐褂玫陌踩?，為人們的生命?cái)產(chǎn)安全提供保障。與同類設(shè)備比較，本報(bào)警器功能多，使用更為方便，工作可靠，性價(jià)比更高，具有廣闊的應(yīng)用前景。

本文創(chuàng)新點(diǎn)：從灶上閥、管道閥門和火焰三點(diǎn)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(xiǎn)，定時(shí)功能方便用戶使用，集報(bào)警與應(yīng)急控制于一體，氣敏元件的自檢功能、檢測(cè)信號(hào)的延時(shí)確認(rèn)增加了報(bào)警的可靠性。