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氣體傳感器的模擬前端

作者: 時間:2017-10-27 來源:網(wǎng)絡(luò) 收藏

  液化石油氣(LPG)是我們在家中最常用的氣體。液化石油氣的泄漏有可能給生命帶來威脅。即使?jié)舛容^低,它也能讓人窒息;而濃度足夠高時,它還會引起火災(zāi)或爆炸。因此,監(jiān)測環(huán)境中液化石油氣的濃度非常重要。

本文引用地址:http://m.butianyuan.cn/article/201710/368880.htm

  另一種應(yīng)該持續(xù)監(jiān)測并將其濃度保持在一定范圍內(nèi)的氣體是二氧化碳(CO2)。濃度較高的二氧化碳會引發(fā)呼吸問題,而長期暴露在其中會導(dǎo)致死亡。

  我們可以通過記錄和維持環(huán)境中的氣體濃度防止氣體泄露事故的發(fā)生。在這方面能夠發(fā)揮重要作用,在氣體濃度超出預(yù)先設(shè)置的安全限值時及時發(fā)出告警。

  現(xiàn)代半導(dǎo)體技術(shù)的進步讓我們能夠設(shè)計出各種低成本、低功耗的傳感解決方案,通過監(jiān)測環(huán)境中的氣體濃度來提升家居、辦公和人身安全。

  所有的傳感系統(tǒng)都包含這兩個部分:一個用于測量電阻、電容等一個或多個電氣參數(shù)的傳感元件,以及一個用于測量這些參數(shù)的變化的電路。大多數(shù)此類傳感器可以使用電池工作,因此,可以連續(xù)不間斷工作數(shù)年。因此,降低它們的運行功耗是大勢所趨。

  為了將傳感器感測到的信息傳遞給控制器,我們需要使用模擬前端(AFE)。AFE將模擬信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號,然后對所收到的數(shù)據(jù)進行后期處理,從而使微控制器理解傳感器發(fā)來的模擬信號。

  傳感器測量的參數(shù)

  1. 電阻

  測量電阻變化有兩種常用方法。

  A. 分壓電路

  在一個分壓電路中,我們使用一個電阻隨溫度、壓力等參數(shù)的變化而變化的傳感器,將傳感器的變化值與一個定值電阻進行對比。在該電路中,定值電阻與傳感器的連接節(jié)點(ADC)處的電壓取決于傳感器的電阻,因此也取決于所測量的物理參數(shù)。

  

  這個電壓由ADC測量,而ADC的數(shù)字輸出將會被微控制器進行處理。微控制器內(nèi)置一種算法,它利用傳感器電阻的變化與所測量的物理參數(shù)之間的已知關(guān)系計算出物理參數(shù)。

  B. 利用一個已知電流

  在這種方法中,一個已知電流通過一個換能器,后者的電阻隨所測量的物理參數(shù)的變化而變化。根據(jù)歐姆定律:

  V=IR

  

  換能器兩端的電壓隨所測量的參數(shù)的變化而變化。電壓可以由ADC測出,然后使用ADC的測量結(jié)果計算出該參數(shù)。

  2. 電容

  某些傳感器本質(zhì)上就是電容,我們可以通過測量這些傳感器的有效電容計算出相關(guān)參數(shù)的值。測量電容器有多種方法。

  A. 使用一個已知電流給電容器充電:

  一個電流數(shù)模轉(zhuǎn)換器(IDAC)給可變電容器充電,當電容器處的電壓超過輸入端處的電壓時,開關(guān)被打開,讓電容器放電,然后重復(fù)這個過程。在每個充電和放電周期內(nèi),計數(shù)寄存器的值會被記錄下來,并在固件中得到處理,使用相關(guān)數(shù)學(xué)方程式計算出電容值。

  

  B. 利用一個已知AC信號:

  在這種方法中,一個已知AC波形通過一個可變電容器,然后測量電容器引入的相位差。電路中的相位差可以由以下等式計算出:

  

  其中,Xc = 給定頻率下電容器的容抗。

  

  C. 電容器之間的電荷共享:

  在這種方法中,使用一個已知電壓對一個已知參考電容器充電,將未知電容器連接至這個已知電容器。此時將會形成電荷共享效應(yīng),電容器兩端的電壓下降。通過測量這個壓降,我們就能使用以下等式計算出未知電容器的電容值:

  

  其中,V’是將未知電容器連接至已知電容器之后的電壓;

  VKnown Cap是連接未知電容器之前的已知電容器兩端的電壓;

  VUnknown Cap是連接至已知電容器之前的未知電容器兩端的電壓。

  

  基礎(chǔ)

  

  一個基本的(MQ系列)包含一個由5V左右的AC或DC電源加熱的加熱器。被加熱后,它就能提供傳感器內(nèi)置的化學(xué)傳感器所需的環(huán)境條件。傳感器的電阻隨所測量的氣體濃度而變化。使用一個額外的電阻創(chuàng)建一個電阻分壓器,其輸出被傳送到AFE,后者通常是一個ADC。

  讓我們看一下如何實現(xiàn)一個氣體傳感器AFE。在本例中,我們將使用賽普拉斯半導(dǎo)體公司出品的一個PSoC4。憑借極高的靈活性,PSoC適用于一系列廣泛的應(yīng)用,其中包括工業(yè)設(shè)備、物聯(lián)網(wǎng)、消費類產(chǎn)品、家用電器和醫(yī)療設(shè)備。

  

  這個氣體傳感解決方案使用了兩個不同的傳感器:一個LPG傳感器和一個煙霧傳感器。這些傳感器的輸出被傳送到一個ADC,后者的輸出在固件中得到處理。PSoC 4中的ADC生成一個12 位結(jié)果,后者在ADC的專用硬件平均器的幫助下被進一步平均。ADC的這個被平均的輸出在一個配備IIR濾波器的固件中得到處理(請閱讀賽普拉斯的應(yīng)用AN2099,進一步了解如何使用PSoC的IIR濾波器)。ADC的值與每個傳感器的獨立門限進行對比,當任何通道的ADC輸出超過這個門限時,LED指示燈開始閃爍,以警告用戶。與此同時,蜂鳴器的引腳電壓升高,將晶體管Q1置于工作模式。該晶體管然后開始驅(qū)動蜂鳴器,向用戶播放聲音告警。

  液化石油氣(LPG)是我們在家中最常用的氣體。液化石油氣的泄漏有可能給生命帶來威脅。即使?jié)舛容^低,它也能讓人窒息;而濃度足夠高時,它還會引起火災(zāi)或爆炸。因此,監(jiān)測環(huán)境中液化石油氣的濃度非常重要。

  另一種應(yīng)該持續(xù)監(jiān)測并將其濃度保持在一定范圍內(nèi)的氣體是二氧化碳(CO2)。濃度較高的二氧化碳會引發(fā)呼吸問題,而長期暴露在其中會導(dǎo)致死亡。

  我們可以通過記錄和維持環(huán)境中的氣體濃度防止氣體泄露事故的發(fā)生。氣體傳感器在這方面能夠發(fā)揮重要作用,在氣體濃度超出預(yù)先設(shè)置的安全限值時及時發(fā)出告警。

  現(xiàn)代半導(dǎo)體技術(shù)的進步讓我們能夠設(shè)計出各種低成本、低功耗的傳感解決方案,通過監(jiān)測環(huán)境中的氣體濃度來提升家居、辦公和人身安全。

  所有的傳感系統(tǒng)都包含這兩個部分:一個用于測量電阻、電容等一個或多個電氣參數(shù)的傳感元件,以及一個用于測量這些參數(shù)的變化的電路。大多數(shù)此類傳感器可以使用電池工作,因此,可以連續(xù)不間斷工作數(shù)年。因此,降低它們的運行功耗是大勢所趨。

  為了將傳感器感測到的信息傳遞給控制器,我們需要使用模擬前端(AFE)。AFE將模擬信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號,然后對所收到的數(shù)據(jù)進行后期處理,從而使微控制器理解傳感器發(fā)來的模擬信號。

  傳感器測量的參數(shù)

  1. 電阻

  測量電阻變化有兩種常用方法。

  A. 分壓電路

  在一個分壓電路中,我們使用一個電阻隨溫度、壓力等參數(shù)的變化而變化的傳感器,將傳感器的變化值與一個定值電阻進行對比。在該電路中,定值電阻與傳感器的連接節(jié)點(ADC)處的電壓取決于傳感器的電阻,因此也取決于所測量的物理參數(shù)。

  

  這個電壓由ADC測量,而ADC的數(shù)字輸出將會被微控制器進行處理。微控制器內(nèi)置一種算法,它利用傳感器電阻的變化與所測量的物理參數(shù)之間的已知關(guān)系計算出物理參數(shù)。

  B. 利用一個已知電流

  在這種方法中,一個已知電流通過一個換能器,后者的電阻隨所測量的物理參數(shù)的變化而變化。根據(jù)歐姆定律:

  V=IR

  

  換能器兩端的電壓隨所測量的參數(shù)的變化而變化。電壓可以由ADC測出,然后使用ADC的測量結(jié)果計算出該參數(shù)。

  2. 電容

  某些傳感器本質(zhì)上就是電容,我們可以通過測量這些傳感器的有效電容計算出相關(guān)參數(shù)的值。測量電容器有多種方法。

  A. 使用一個已知電流給電容器充電:

  一個電流數(shù)模轉(zhuǎn)換器(IDAC)給可變電容器充電,當電容器處的電壓超過輸入端處的電壓時,開關(guān)被打開,讓電容器放電,然后重復(fù)這個過程。在每個充電和放電周期內(nèi),計數(shù)寄存器的值會被記錄下來,并在固件中得到處理,使用相關(guān)數(shù)學(xué)方程式計算出電容值。

  

  B. 利用一個已知AC信號:

  在這種方法中,一個已知AC波形通過一個可變電容器,然后測量電容器引入的相位差。電路中的相位差可以由以下等式計算出:

  

  其中,Xc = 給定頻率下電容器的容抗。

  

  C. 電容器之間的電荷共享:

  在這種方法中,使用一個已知電壓對一個已知參考電容器充電,將未知電容器連接至這個已知電容器。此時將會形成電荷共享效應(yīng),電容器兩端的電壓下降。通過測量這個壓降,我們就能使用以下等式計算出未知電容器的電容值:

  

  其中,V’是將未知電容器連接至已知電容器之后的電壓;

  VKnown Cap是連接未知電容器之前的已知電容器兩端的電壓;

  VUnknown Cap是連接至已知電容器之前的未知電容器兩端的電壓。

  

  氣體傳感器基礎(chǔ)

  

  一個基本的氣體傳感器(MQ系列)包含一個由5V左右的AC或DC電源加熱的加熱器。被加熱后,它就能提供傳感器內(nèi)置的化學(xué)傳感器所需的環(huán)境條件。傳感器的電阻隨所測量的氣體濃度而變化。使用一個額外的電阻創(chuàng)建一個電阻分壓器,其輸出被傳送到AFE,后者通常是一個ADC。

  讓我們看一下如何實現(xiàn)一個氣體傳感器AFE。在本例中,我們將使用賽普拉斯半導(dǎo)體公司出品的一個PSoC4。憑借極高的靈活性,PSoC適用于一系列廣泛的應(yīng)用,其中包括工業(yè)設(shè)備、物聯(lián)網(wǎng)、消費類產(chǎn)品、家用電器和醫(yī)療設(shè)備。

  

  這個氣體傳感解決方案使用了兩個不同的傳感器:一個LPG傳感器和一個煙霧傳感器。這些傳感器的輸出被傳送到一個ADC,后者的輸出在固件中得到處理。PSoC 4中的ADC生成一個12 位結(jié)果,后者在ADC的專用硬件平均器的幫助下被進一步平均。ADC的這個被平均的輸出在一個配備IIR濾波器的固件中得到處理(請閱讀賽普拉斯的應(yīng)用AN2099,進一步了解如何使用PSoC的IIR濾波器)。ADC的值與每個傳感器的獨立門限進行對比,當任何通道的ADC輸出超過這個門限時,LED指示燈開始閃爍,以警告用戶。與此同時,蜂鳴器的引腳電壓升高,將晶體管Q1置于工作模式。該晶體管然后開始驅(qū)動蜂鳴器,向用戶播放聲音告警。



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