Gas Sensor测量应用设计

1. 内容简介

近年来由于日趋严重的环境污染及工业上之需求，使得传感器的发展倍受重视。在空气污染防治日益复杂及工业上迫切需要的今日，高效能的气体传感器愈来愈受重视。以金属氧化物半导体(MOS)为材料之气体传感器，由于其耐热性及耐蚀性佳、应答速率快、组件制作容易，以及易与微处理器组合成气体感测系统或携带式监测器，因此被广泛的使用在家庭、工厂环境中以侦测毒性气体及燃烧爆炸性气体。而本文将介绍以HY16F184内建高精密Sigma-Delta 24 Bit ADC搭配CCS801 CMOS Sensor来实现一个Gas Sensor应用电路。 在本文中的Gas Sensor应用电路上，主要的组件有：气体传感器(CCS801 Gas Sensor)、ADC和MCU控制芯片。 而纮康HY16F184控制芯片内建高精密Sigma-delta 24 Bit ADC、可程序放大PGA和多段式稳压输出等功能，可以很大幅简化PCB周边线路，精准完成由模拟到数字的讯号转换。

本文Gas Sensor应用电路是由纮康HY16F184芯片之内建ADC精确的量测到CCS801 CMOS Sensor内的RS电阻变化量，并且透搭配CCS801 CMOS Sensor所提供的C Library算法，可以换算出相对应的PPM浓度数值。而在加热驱动器(Heater)回路上的微小电流变化量(RH_Current)，同样也可使用HY16F184内建ADC精准的量测到。本文内也提供了GUI软件接口，透过I2C通讯来输出实时的PPM与RS和RH_Current数据变化量。使用I2C转USB网桥与计算机连接，由计算机端GUI做实时三个信道的数据变化量显示。

2. 原理说明

2.1. 量测原理

CCS801 Gas sensor半导体气体感测材料在侦测气体时，RS电阻会产生变化，如下图1。此情况主要导因于侦测可燃性气体如一氧化碳(CO)及多种挥发性有机化合物(VOC)与吸附在半导体氧化物且带负电荷的氧离子产生反应。当空气侦测到可燃性气体时候，RS电阻会产生变化，此时可测量到RS两端的电压会有所改变。典型的RS电阻值范围在100k~2M奥姆之间. RH电阻则是可当温度反应电阻，当Gas Sensor有一电流回路流经Heater+与Heater GND，则可视为加热现象，随着Heater温度的变化，RH端的电阻也会有所改变，典型的RH电阻值范围在20~100奥姆之间。

图1 CCS801 CMOS Sensor

2.2. Gas Sesnor应用电路基本架构

本文Gas Sensor的基本架构如下图2所示，包含一个气体传感器(CCS801 Gas Sensor)、PMOS NX2301、ADC和MCU单芯片。HY16F184可输出PWM来控制PMOS NX2301做为电流开关控制。当PWM输出为High时候，则是关闭PMOS，此时较为省电，不会有电流流经过Heater端。而当PWM输出为Low时候，则是导通PMOS，会有电流流经过Heater端，此时则开始做Gas Sensor加热动作，当Gas Sensor再加热的时相对来说也会比较耗电。 本文的电路应用架构即是利用PWM来做整体消耗电流功耗控制，设定PWM输出周期为97us，PWM输出Low的时间为比57us而PWM输出High的时间为40us。PWM On的输出持续时间是100ms，此时为CCS801的加热时间，之后PWM Off的时间为持续400ms，当PWM Off时候，此时会输出保持High，以500ms为一个控制周期不断的循环控制PMOS NX2301开关，做为加驱动器(Heater)的控制。详细的PWM控制时间图，可以参考以下图3。 HY16F184除了使用PWM做PMOS开关控制来达到功耗控制与省电的设计效果，还使用了高精度ADC来做RS与RH_Current变化量测量，而撷取到的数据可以由I2C来做数据的输出与读取，详细HY16F184 ADC规格可以参考下图4。

图2 HY16F184 Gas Sensor基本架构图

图3 HY16F184 PWM输出控制时序图

2.3. 控制芯片

单片机简介：HY16F系列32位高性能Flash单片机(HY16F184)

图4 纮康HY16F系列32位高性能Flash单片机(HY16F184)

(1)采用最新Andes 32位CPU核心N801处理器。

(2)电压操作范围2.4~3.6V，以及-40℃~85℃工作温度范围。

(3)支持外部16MHz石英震荡器或内部20MHz高精度RC震荡器，

拥有多种CPU工作频率切换选择，可让使用者达到最佳省电规划。

(3.1)运行模式 350uA@2MHz/2(3.2)待机模式 10uA@32KHz/2(3.3)休眠模式 2.5uA

(4)程序内存64KBytes Flash ROM

(5)数据存储器8KBytes SRAM。

(6)拥有BOR and WDT功能，可防止CPU死机。

(7)24-bit高精准度ΣΔADC模拟数字转换器

(7.1)内置PGA (Programmable Gain Amplifier)最高可达128倍放大。

(7.2)内置温度传感器TPS。

(8)超低输入噪声运算放大器OPAMP。

(9)16-bit Timer A

(10)16-bit Timer B模块具PWM波形产生功能

(11)16-bit Timer C 模块具数字Capture/Compare 功能

(12)硬件串行通讯SPI模块

(13)硬件串行通讯I2C模块

(14)硬件串行通讯UART模块

(15)硬件RTC时钟功能模块

(16)硬件Touch KEY功能模块

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