Gas Sensor測量應用設計--康HY16F184實現方案解析

1. 內容簡介

近年來由于日趨嚴重的環境污染及工業上之需求，使得傳感器的發展倍受重視。在空氣污染防治日益復雜及工業上迫切需要的今日，高效能的氣體傳感器愈來愈受重視。以金屬氧化物半導體(MOS)為材料之氣體傳感器，由于其耐熱性及耐蝕性佳、應答速率快、組件制作容易，以及易與微處理器組合成氣體感測系統或攜帶式監測器，因此被廣泛的使用在家庭、工廠環境中以偵測毒性氣體及燃燒爆炸性氣體。而本文將介紹以HY16F184內建高精密Sigma-Delta 24 Bit ADC搭配CCS801 CMOS Sensor來實現一個Gas Sensor應用電路。 在本文中的Gas Sensor應用電路上，主要的組件有：氣體傳感器(CCS801 Gas Sensor)、ADC和MCU控制芯片。 而康HY16F184控制芯片內建高精密Sigma-delta 24 Bit ADC、可程序放大PGA和多段式穩壓輸出等功能，可以很大幅簡化PCB周邊線路，精準完成由模擬到數字的訊號轉換。

本文Gas Sensor應用電路是由康HY16F184芯片之內建ADC精確的量測到CCS801 CMOS Sensor內的RS電阻變化量，并且透搭配CCS801 CMOS Sensor所提供的C Library算法，可以換算出相對應的PPM濃度數值。而在加熱驅動器(Heater)回路上的微小電流變化量(RH_Current)，同樣也可使用HY16F184內建ADC精準的量測到。本文內也提供了GUI軟件接口，透過I2C通訊來輸出實時的PPM與RS和RH_Current數據變化量。使用I2C轉USB網橋與計算機連接，由計算機端GUI做實時三個信道的數據變化量顯示。

2. 原理說明

2.1. 量測原理

CCS801 Gas sensor半導體氣體感測材料在偵測氣體時，RS電阻會產生變化，如下圖1。此情況主要導因于偵測可燃性氣體如一氧化碳(CO)及多種揮發性有機化合物(VOC)與吸附在半導體氧化物且帶負電荷的氧離子產生反應。當空氣偵測到可燃性氣體時候，RS電阻會產生變化，此時可測量到RS兩端的電壓會有所改變。典型的RS電阻值范圍在100k~2M奧姆之間. RH電阻則是可當溫度反應電阻，當Gas Sensor有一電流回路流經Heater+與Heater GND，則可視為加熱現象，隨著Heater溫度的變化，RH端的電阻也會有所改變，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應用電路基本架構

本文Gas Sensor的基本架構如下圖2所示，包含一個氣體傳感器(CCS801 Gas Sensor)、PMOS NX2301、ADC和MCU單芯片。HY16F184可輸出PWM來控制PMOS NX2301做為電流開關控制。當PWM輸出為High時候，則是關閉PMOS，此時較為省電，不會有電流流經過Heater端。而當PWM輸出為Low時候，則是導通PMOS，會有電流流經過Heater端，此時則開始做Gas Sensor加熱動作，當Gas Sensor再加熱的時相對來說也會比較耗電。 本文的電路應用架構即是利用PWM來做整體消耗電流功耗控制，設定PWM輸出周期為97us，PWM輸出Low的時間為比57us而PWM輸出High的時間為40us。PWM On的輸出持續時間是100ms，此時為CCS801的加熱時間，之后PWM Off的時間為持續400ms，當PWM Off時候，此時會輸出保持High，以500ms為一個控制周期不斷的循環控制PMOS NX2301開關，做為加驅動器(Heater)的控制。詳細的PWM控制時間圖，可以參考以下圖3。 HY16F184除了使用PWM做PMOS開關控制來達到功耗控制與省電的設計效果，還使用了高精度ADC來做RS與RH_Current變化量測量，而擷取到的數據可以由I2C來做數據的輸出與讀取，詳細HY16F184 ADC規格可以參考下圖4。

圖2 HY16F184 Gas Sensor基本架構圖

圖3 HY16F184 PWM輸出控制時序圖

2.3. 控制芯片

單片機簡介：HY16F系列32位高性能Flash單片機(HY16F184)

圖4 康HY16F系列32位高性能Flash單片機(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，可讓使用者達到最佳省電規劃。

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

(4)程序內存64KBytes Flash ROM

(5)數據存儲器8KBytes SRAM。

(6)擁有BOR and WDT功能，可防止CPU死機。

(7)24-bit高精準度ΣΔADC模擬數字轉換器

(7.1)內置PGA (Programmable Gain Amplifier)最高可達128倍放大。

(7.2)內置溫度傳感器TPS。

(8)超低輸入噪聲運算放大器OPAMP。

(9)16-bit Timer A

(10)16-bit Timer B模塊具PWM波形產生功能

(11)16-bit Timer C 模塊具數字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時鐘功能模塊

(16)硬件Touch KEY功能模塊

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