采用纮康HY16F184芯片實(shí)現(xiàn)氣體傳感器測(cè)量應(yīng)用電路的設(shè)計(jì)

1. 內(nèi)容簡(jiǎn)介

近年來(lái)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(lái)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(lái)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(guò)I2C通訊來(lái)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(shuō)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(lái)控制PMOS NX2301做為電流開(kāi)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(guò)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(guò)Heater端，此時(shí)則開(kāi)始做Gas Sensor加熱動(dòng)作，當(dāng)Gas Sensor再加熱的時(shí)相對(duì)來(lái)說(shuō)也會(huì)比較耗電。 本文的電路應(yīng)用架構(gòu)即是利用PWM來(lái)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(kāi)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(kāi)關(guān)控制來(lái)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(lái)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(lái)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

3. 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1. 硬件說(shuō)明

使用HY16F184內(nèi)建ADC搭配CCS801 CMOS Sensor做Gas Sensor應(yīng)用電路。 HY16F184的ADC通道模擬腳位會(huì)使用到AIO0/AIO1/AIO2/AIO3。 AIO0與AIO3主要負(fù)責(zé)做流經(jīng)過(guò)RH電阻的RH_Current電流變化量測(cè)量，AIO1與AIO2負(fù)責(zé)做RS電阻的電壓變化量測(cè)量，因?yàn)镽S電阻本身為高阻抗（100k~2M奧姆），而ADC的輸入阻抗大約只有200k奧姆， 所以在AIO2的輸入腳位部份會(huì)先經(jīng)過(guò)HY16F184內(nèi)建R2ROP做一個(gè)Unit Gain buffer輸出，再由OPOI輸出到ADC當(dāng)作輸入?yún)⒖家_，這樣可以避免量測(cè)訊號(hào)時(shí)負(fù)載效應(yīng)的產(chǎn)生，詳細(xì)關(guān)于AIO1與AIO2的通道設(shè)置，可以參考下圖5。完整硬件線路圖可以參考下圖6。

圖5 HY16F184 ADC通道設(shè)置AIO2與AIO1

圖6 HY16F184 Gas Sensor硬件線路連接圖（TOP）

圖7 HY16F184 Gas Sensor硬件線路連接圖（Bottom）

主要組件介紹

（1）HY16F184 ： 數(shù)據(jù)處理與運(yùn)算核心，主要負(fù)責(zé)執(zhí)行PWM輸出與運(yùn)算CCS801 Gas Sensor的PPM， RS， RH_Current數(shù)據(jù)，并且透過(guò)I2C通訊做數(shù)據(jù)輸出。

（2）ADC：HY16F184內(nèi)建之模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器，能夠精確的將Gas sensor上的RS與RH_Current訊號(hào)，做模擬數(shù)字電壓訊號(hào)轉(zhuǎn)換。

（3）CCS801 Gas Sensor ：氣體傳感器，負(fù)責(zé)偵測(cè)環(huán)境中氣體變化量，內(nèi)部的RS電阻值會(huì)隨著氣體中可燃性氣體濃度的不同而產(chǎn)生變化量。

（4）NX2301 PMOS ： 在此主要當(dāng)作開(kāi)關(guān)使用，由HY16F184的PWM來(lái)做開(kāi)關(guān)控制使用。開(kāi)啟時(shí)候可對(duì)Heater做加熱動(dòng)作，關(guān)閉時(shí)候沒(méi)有電流經(jīng)過(guò)不做加熱動(dòng)作。

3.2. 軟件說(shuō)明

程序流程圖 ：

圖8 Gas Sensor程序流程圖

4. 數(shù)據(jù)規(guī)格與總結(jié)

4.1. 耗電流測(cè)量

在CPU頻率設(shè)定為2MHz與工作電壓VDD=3V， VDDA=2.4V， 使用PWM做PMOS開(kāi)關(guān)控制。 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，以500ms為一個(gè)控制周期不斷的循環(huán)控制PMOS，在此情況下所測(cè)得到的耗電流約0.89mA。

4.2. ADC Raw Data與I2C通訊格式說(shuō)明

I2C Slave Address:0x20

I2C Command:0x80

S+Addr+0x80+rS+（Addr+1）+CH1Data_L+CH1Data_M+CH1Data_H+CH2Data_L+CH2Data_M+CH2Data_H+CH3Data_L+CH3Data_M+CH3Data_H+CH4Data_L+CH4Data_M+CH4Data_H+P

S： Star; Addr： Slave address; rS： repeat start; P： stop.

CH1： RS 的ADC RawData經(jīng)過(guò)ccsmox_set_data_iaq計(jì)算后所得PPM

CH2： RS端的ADC RawData

CH3： RH_Current端的ADC RawData

CH4： NC

L： ADC Low byte; M： ADC Middle byte; H： ADC High byte;

每個(gè)信道數(shù)據(jù)（Chx）共8*3=24bit

Bit0，統(tǒng)一為旗標(biāo)，Bit0=0b，代表為舊資料; Bit0=1b，代表為新資料;

使用者應(yīng)該在Bit0=1b時(shí)，取得數(shù)據(jù)才有效。

Bit23，統(tǒng)一為Sign bit，

Bit23=0b，代表正數(shù); Bit23=1b， 代表負(fù)數(shù)

4.3. ADC Raw Data數(shù)據(jù)顯示界面介紹

掃描Gas Sensor所輸出的ADC Raw Data可透過(guò)I2C接口來(lái)做數(shù)據(jù)的傳輸與讀取，搭配纮康設(shè)計(jì)的I2C轉(zhuǎn)USB的網(wǎng)橋配合PC端的GUI，可以做為實(shí)時(shí)的ADC Raw Data數(shù)據(jù)顯示。詳細(xì)數(shù)據(jù)畫(huà)面顯示GUI操作說(shuō)明，可以參考如下 ：

1.Connect ： USB連接狀態(tài)，如果有正常連接會(huì)顯示 Connect，如果連接不正常，會(huì)顯示control board connect fail

2.I2C Slave addr： 預(yù)設(shè)為0x20.

3.Chart： 顯示四個(gè)信道的Gas sensor掃描數(shù)據(jù)。

4.Scan： 開(kāi)始讀取四個(gè)信道的Gas sensor掃描數(shù)據(jù)。

5.Save： 存取四個(gè)信道的Gas sensor掃描數(shù)據(jù)。

圖9 HY16F184 Gas Sensor與USB轉(zhuǎn)I2C Board硬件接線圖

圖10 ADC Raw Data數(shù)據(jù)顯示界面

連上GUI觀察CH1~CH3的數(shù)據(jù)顯示畫(huà)面如下圖，因?yàn)镻WM On與PWM Off的周期為500ms， 所以換算頻率約每2秒在GUI畫(huà)面做一次數(shù)據(jù)的更新。CH1的數(shù)據(jù)為氣體濃度PPM，當(dāng)Gas Sensor沒(méi)有偵測(cè)到任何的可燃性氣體時(shí)候，可以看到都為平穩(wěn)數(shù)值不會(huì)跳動(dòng)，CH2的數(shù)據(jù)為RS，一開(kāi)始的ADC Raw Data會(huì)呈現(xiàn)平穩(wěn)的上升，CH3則為RH_Current數(shù)據(jù)，一開(kāi)始的ADC Raw data會(huì)呈現(xiàn)平穩(wěn)的下降。

圖11 Gas Sensor無(wú)偵測(cè)到任何可燃性氣體時(shí)候的ADC Raw Data變化量

當(dāng)有揮發(fā)性有機(jī)化合物接近Gas Sensor時(shí)候，在此是拿奇異筆接近Gas Sesnor，可以看到CH1的PPM數(shù)據(jù)會(huì)透過(guò)算法算出變化量，同時(shí)CH2的RS ADC Raw data會(huì)呈現(xiàn)明顯下降狀態(tài)，CH3的RH_Current ADC Raw data也會(huì)呈現(xiàn)明顯下降狀態(tài)，在奇異筆離開(kāi)Gas Sensor之后才會(huì)慢慢回復(fù)平穩(wěn)狀態(tài)。

圖12 Gas Sensor偵測(cè)到可燃性氣體時(shí)候的ADC Raw Data變化量

4.4. 總結(jié)

在本文中，提供了完整的Gas Sensor相關(guān)應(yīng)用與開(kāi)發(fā)工具供使用者參考，用戶可以依據(jù)三個(gè)通道PPM， RS， RH_Current的ADC Raw Data變化量，來(lái)做后續(xù)功能設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)。

責(zé)任編輯：gt