基于Microchip平臺(tái)的氣體檢測參考設(shè)計(jì)方案

作者 / 世健供稿

摘要：目前市場上的氣體探測器按原理可分為催化燃燒式、電化學(xué)、半導(dǎo)體式以及紅外四種。其中紅外探測器反應(yīng)靈敏，精度高，壽命長，優(yōu)勢(shì)顯著。為此，世健公司推出基于Microchip平臺(tái)，采用Axetris的紅外光源和Pyreos的傳感器所組成的紅外氣體檢測參考設(shè)計(jì)方案，使客戶可以快速地評(píng)估MCU、光源以及傳感器的性能，縮短氣體檢測項(xiàng)目的設(shè)計(jì)周期。

　　氣體檢測與人類生活息息相關(guān)，例如：石化廠、煤氣站、油庫等場所對(duì)可燃?xì)怏w的監(jiān)測;汽車尾氣、工業(yè)廢氣、城市霧霾的監(jiān)控;還有家用煤氣、天然氣的泄漏爆炸的監(jiān)測;以及針對(duì)裝修后有毒氣體(苯和甲醛)殘留濃度的檢測等。從工業(yè)到民用，針對(duì)各種可燃有毒氣體的檢測無一不會(huì)用到氣體探測器。并且隨著智能物聯(lián)網(wǎng)的蓬勃發(fā)展，氣體探測器也被廣泛應(yīng)用在功能強(qiáng)大的物聯(lián)網(wǎng)上實(shí)時(shí)監(jiān)控前天環(huán)境，為人類的安全保駕護(hù)航。

　　然而目前市場上的氣體探測器按原理可分為催化燃燒式、電化學(xué)、半導(dǎo)體式以及紅外四種。催化燃燒式探測器易中毒，電化學(xué)探測器壽命有限，半導(dǎo)體式探測器一致性較差。而紅外探測器反應(yīng)靈敏、精度高、壽命長，優(yōu)勢(shì)顯著。世健公司作為技術(shù)分銷商和解決方案商，時(shí)刻關(guān)注市場需求，近期正式推出基于Microchip平臺(tái)，采用Axetris的紅外光源和Pyreos的傳感器所組成的紅外氣體檢測參考設(shè)計(jì)方案。通過此方案，客戶可以快速地評(píng)估MCU、光源以及傳感器的性能，縮短氣體檢測項(xiàng)目的設(shè)計(jì)周期。

　　該參考設(shè)計(jì)方案的原理是：紅外光源發(fā)射出2~14 μm的紅外光，通過一定長度的氣室吸收后，由帶4.26 μm 波長的窄帶濾光片的紅外氣體傳感器進(jìn)行探測，傳感器內(nèi)置15 位ADC，通過I2C進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，經(jīng)過Microchip的Cortex? M0+ SAM D20進(jìn)行數(shù)據(jù)分析處理，分析出的采樣數(shù)據(jù)通過通訊接口傳輸?shù)缴衔粰C(jī)，然后通過配套軟件觀察不同探測器采集的數(shù)據(jù)及波形。方案框圖如圖1。

　　整個(gè)方案的硬件連接方式是micro USB轉(zhuǎn)USB線連接評(píng)估板和PC，選用12 V直流電源適配器。作為一個(gè)參考設(shè)計(jì)，該方案選用了Microchip公司的系列產(chǎn)品，包括基于Cortex M0+核的ATSAM D20作為主控芯片，軌到軌放大器MCP6H02用于驅(qū)動(dòng)紅外光源，低噪聲電源芯片MIC5253提供系統(tǒng)電源，及接口芯片MCP2200。

　　本方案所使用的Pyreos公司ezPyro是較小的擁有數(shù)字接口、超低功耗的熱釋電紅外傳感器。ezPyro系列數(shù)字接口型傳感器內(nèi)部集成了傳感器、模擬前端、15位Δ-Σ模數(shù)轉(zhuǎn)換、數(shù)字濾波器、FIFO以及中斷喚醒控制等部分，同時(shí)5.65 mm×3.7 mm×1.55 mm的封裝也大幅減小了設(shè)計(jì)整體體積。ezPyro熱釋電紅外傳感器的響應(yīng)時(shí)間在毫秒級(jí)，相比競爭對(duì)手幾秒鐘的響應(yīng)時(shí)間，可謂是不可同日而語。

　　此方案中使用的紅外光源EMIRS 50是通過緊湊的TO-46封裝，它可以提供帶保護(hù)帽或者帶反射面，這些結(jié)構(gòu)可以配置藍(lán)寶石或氟化鈣、氟化鋇和鍺等材料的濾光片。Axetris紅外光源是緊湊型氣體檢測模塊的理想選擇。所有Axetris紅外光源都是基于微機(jī)械加工，電調(diào)制技術(shù)的熱輻射紅外光源。此專利的設(shè)計(jì)提供了從2~14 μm真實(shí)黑體的輻射特性，高輻射率和一個(gè)很長的使用壽命，它還具備極其快速的調(diào)制和低功耗的特性。Axetris紅外光源在這些年已經(jīng)成功地集成在各種醫(yī)療、工業(yè)和安全應(yīng)用上。典型的目標(biāo)氣體是CO、CO2、制冷劑、CH4、Nox、呼吸性酒精氣體以及其他更多氣體。

　　當(dāng)然，要確保方案整體的性能、提升系統(tǒng)測量精度，只有傳感器是不夠的。世健在配套芯片的選擇上也下了一番功夫。從方案的BOM(物料清單)中我們可以看到，世健的工程師特意選擇了Microchip的電源芯片MIC5253以及運(yùn)算放大器MCP6H02等性能優(yōu)異的外圍電子元器件，使得傳感器的特性最大限度地發(fā)揮出來。

　　除了硬件方面，世健的設(shè)計(jì)工程師也開發(fā)出了配套的軟件，開發(fā)者可以觀測到方案中不同傳感器通道的測試和分析數(shù)據(jù)。采樣數(shù)據(jù)由串口傳輸?shù)缴衔粰C(jī)，通過軟件顯示測量譜圖，如圖2，軟件的左側(cè)可以觀察參考通道和CO2通道所測量的數(shù)據(jù)，其中白色曲線(注：曲線1)是參考信號(hào)，紅色曲線(注：曲線2)是CO2檢測信號(hào)。經(jīng)過雙通道的校準(zhǔn)算法可以測量出氣體濃度值等，軟件還可以保存采集數(shù)據(jù)。

　　運(yùn)行NDIR.exe軟件時(shí)，請(qǐng)確保已經(jīng)安裝NDIR驅(qū)動(dòng)或者安裝Labview2014運(yùn)行引擎和Labview visa 驅(qū)動(dòng)(visa540_full.exe)，步驟如下：

　　1.配置串口;

　　2.打開軟件，選擇對(duì)應(yīng)的串口號(hào)，并選擇如下設(shè)置: 波特率:115200，數(shù)據(jù)位:8，校驗(yàn)位:None，停止位:1;

　　3.最后點(diǎn)擊“打開串口”按鈕，切換到“顯示數(shù)據(jù)”。

　　世健公司的現(xiàn)場應(yīng)用總監(jiān)仇嘉洋表示：“通過采用Microchip公司高性能的基于Cortex-M0+的MCU及電源和接口產(chǎn)品，結(jié)合MEMS技術(shù)的紅外光源和傳感器，世健公司為客戶提供了完整的紅外氣體檢測解決方案，可廣泛應(yīng)用于工業(yè)氣體排放、煤礦可燃有毒氣體泄漏監(jiān)測、環(huán)境監(jiān)測、醫(yī)療安全、智能樓宇、機(jī)車尾氣排放檢測等應(yīng)用場景?！?/p>

　　本文來源于《電子產(chǎn)品世界》2018年第4期第77頁，歡迎您寫論文時(shí)引用，并注明出處。