Gas Sensor測(cè)量應(yīng)用設(shè)計(jì)

近年來由于日趨嚴(yán)重的環(huán)境污染及工業(yè)上之需求，使得傳感器的發(fā)展倍受重視。在空氣污染防治日益復(fù)雜及工業(yè)上迫切需要的今日，高效能的氣體傳感器愈來愈受重視。以金屬氧化物半導(dǎo)體(MOS)為材料之氣體傳感器，由于其耐熱性及耐蝕性佳、應(yīng)答速率快、組件制作容易，以及易與微處理器組合成氣體感測(cè)系統(tǒng)或攜帶式監(jiān)測(cè)器，因此被廣泛的使用在家庭、工廠環(huán)境中以偵測(cè)毒性氣體及燃燒爆炸性氣體。而本文將介紹以HY16F184內(nèi)建高精密Sigma-Delta 24 Bit ADC搭配CCS801 CMOS Sensor來實(shí)現(xiàn)一個(gè)Gas Sensor應(yīng)用電路。 在本文中的Gas Sensor應(yīng)用電路上，主要的組件有：氣體傳感器(CCS801 Gas Sensor)、ADC和MCU控制芯片。 而纮康HY16F184控制芯片內(nèi)建高精密Sigma-delta 24 Bit ADC、可程序放大PGA和多段式穩(wěn)壓輸出等功能，可以很大幅簡(jiǎn)化PCB周邊線路，精準(zhǔn)完成由模擬到數(shù)字的訊號(hào)轉(zhuǎn)換。

本文Gas Sensor應(yīng)用電路是由纮康HY16F184芯片之內(nèi)建ADC精確的量測(cè)到CCS801 CMOS Sensor內(nèi)的RS電阻變化量，并且透搭配CCS801 CMOS Sensor所提供的C Library算法，可以換算出相對(duì)應(yīng)的PPM濃度數(shù)值。而在加熱驅(qū)動(dòng)器(Heater)回路上的微小電流變化量(RH_Current)，同樣也可使用HY16F184內(nèi)建ADC精準(zhǔn)的量測(cè)到。本文內(nèi)也提供了GUI軟件接口，透過I2C通訊來輸出實(shí)時(shí)的PPM與RS和RH_Current數(shù)據(jù)變化量。使用I2C轉(zhuǎn)USB網(wǎng)橋與計(jì)算機(jī)連接，由計(jì)算機(jī)端GUI做實(shí)時(shí)三個(gè)信道的數(shù)據(jù)變化量顯示。

2. 原理說明

2.1. 量測(cè)原理

CCS801 Gas sensor半導(dǎo)體氣體感測(cè)材料在偵測(cè)氣體時(shí)，RS電阻會(huì)產(chǎn)生變化，如下圖1。此情況主要導(dǎo)因于偵測(cè)可燃性氣體如一氧化碳(CO)及多種揮發(fā)性有機(jī)化合物(VOC)與吸附在半導(dǎo)體氧化物且?guī)ж?fù)電荷的氧離子產(chǎn)生反應(yīng)。當(dāng)空氣偵測(cè)到可燃性氣體時(shí)候，RS電阻會(huì)產(chǎn)生變化，此時(shí)可測(cè)量到RS兩端的電壓會(huì)有所改變。典型的RS電阻值范圍在100k~2M奧姆之間. RH電阻則是可當(dāng)溫度反應(yīng)電阻，當(dāng)Gas Sensor有一電流回路流經(jīng)Heater+與Heater GND，則可視為加熱現(xiàn)象，隨著Heater溫度的變化，RH端的電阻也會(huì)有所改變，典型的RH電阻值范圍在20~100奧姆之間。

圖1 CCS801 CMOS Sensor

2.2. Gas Sesnor應(yīng)用電路基本架構(gòu)

本文Gas Sensor的基本架構(gòu)如下圖2所示，包含一個(gè)氣體傳感器(CCS801 Gas Sensor)、PMOS NX2301、ADC和MCU單芯片。HY16F184可輸出PWM來控制PMOS NX2301做為電流開關(guān)控制。當(dāng)PWM輸出為High時(shí)候，則是關(guān)閉PMOS，此時(shí)較為省電，不會(huì)有電流流經(jīng)過Heater端。而當(dāng)PWM輸出為L(zhǎng)ow時(shí)候，則是導(dǎo)通PMOS，會(huì)有電流流經(jīng)過Heater端，此時(shí)則開始做Gas Sensor加熱動(dòng)作，當(dāng)Gas Sensor再加熱的時(shí)相對(duì)來說也會(huì)比較耗電。 本文的電路應(yīng)用架構(gòu)即是利用PWM來做整體消耗電流功耗控制，設(shè)定PWM輸出周期為97us，PWM輸出Low的時(shí)間為比57us而PWM輸出High的時(shí)間為40us。PWM On的輸出持續(xù)時(shí)間是100ms，此時(shí)為CCS801的加熱時(shí)間，之后PWM Off的時(shí)間為持續(xù)400ms，當(dāng)PWM Off時(shí)候，此時(shí)會(huì)輸出保持High，以500ms為一個(gè)控制周期不斷的循環(huán)控制PMOS NX2301開關(guān)，做為加驅(qū)動(dòng)器(Heater)的控制。詳細(xì)的PWM控制時(shí)間圖，可以參考以下圖3。 HY16F184除了使用PWM做PMOS開關(guān)控制來達(dá)到功耗控制與省電的設(shè)計(jì)效果，還使用了高精度ADC來做RS與RH_Current變化量測(cè)量，而擷取到的數(shù)據(jù)可以由I2C來做數(shù)據(jù)的輸出與讀取，詳細(xì)HY16F184 ADC規(guī)格可以參考下圖4。

圖2 HY16F184 Gas Sensor基本架構(gòu)圖

圖3 HY16F184 PWM輸出控制時(shí)序圖

2.3. 控制芯片

單片機(jī)簡(jiǎn)介：HY16F系列32位高性能Flash單片機(jī)(HY16F184)

圖4 纮康HY16F系列32位高性能Flash單片機(jī)(HY16F184)

(1)采用最新Andes 32位CPU核心N801處理器。

(2)電壓操作范圍2.4~3.6V，以及-40℃~85℃工作溫度范圍。

(3)支持外部16MHz石英震蕩器或內(nèi)部20MHz高精度RC震蕩器，

擁有多種CPU工作頻率切換選擇，可讓使用者達(dá)到最佳省電規(guī)劃。

(3.1)運(yùn)行模式 350uA@2MHz/2(3.2)待機(jī)模式 10uA@32KHz/2(3.3)休眠模式 2.5uA

(4)程序內(nèi)存64KBytes Flash ROM

(5)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器8KBytes SRAM。

(6)擁有BOR and WDT功能，可防止CPU死機(jī)。

(7)24-bit高精準(zhǔn)度ΣΔADC模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器

(7.1)內(nèi)置PGA (Programmable Gain Amplifier)最高可達(dá)128倍放大。

(7.2)內(nèi)置溫度傳感器TPS。

(8)超低輸入噪聲運(yùn)算放大器OPAMP。

(9)16-bit Timer A

(10)16-bit Timer B模塊具PWM波形產(chǎn)生功能

(11)16-bit Timer C 模塊具數(shù)字Capture/Compare 功能

(12)硬件串行通訊SPI模塊

(13)硬件串行通訊I2C模塊

(14)硬件串行通訊UART模塊

(15)硬件RTC時(shí)鐘功能模塊

(16)硬件Touch KEY功能模塊

(17)Sigma-delta 24 Bit ADC ENOB & RMS Noise