氣體傳感器的模擬前端

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(shí)，它還會(huì)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(huì)引發(fā)呼吸問題，而長期暴露在其中會(huì)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(shí)及時(shí)發(fā)出告警。

現(xiàn)代半導(dǎo)體技術(shù)的進(jìn)步讓我們能夠設(shè)計(jì)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(gè)部分：一個(gè)用于測量電阻、電容等一個(gè)或多個(gè)電氣參數(shù)的傳感元件，以及一個(gè)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(yùn)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(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)，然后對所收到的數(shù)據(jù)進(jìn)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(hào)。

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(gè)分壓電路中，我們使用一個(gè)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(gè)定值電阻進(jìn)行對比。在該電路中，定值電阻與傳感器的連接節(jié)點(diǎn)(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(gè)電壓由ADC測量，而ADC的數(shù)字輸出將會(huì)被微控制器進(jìn)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(jì)算出物理參數(shù)。

B. 利用一個(gè)已知電流

在這種方法中，一個(gè)已知電流通過一個(gè)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(jì)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(jì)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(gè)已知電流給電容器充電：

一個(gè)電流數(shù)模轉(zhuǎn)換器(IDAC)給可變電容器充電，當(dāng)電容器處的電壓超過輸入端處的電壓時(shí)，開關(guān)被打開，讓電容器放電，然后重復(fù)這個(gè)過程。在每個(gè)充電和放電周期內(nèi)，計(jì)數(shù)寄存器的值會(huì)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(jì)算出電容值。

B. 利用一個(gè)已知AC信號(hào)：

在這種方法中，一個(gè)已知AC波形通過一個(gè)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(jì)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(gè)已知電壓對一個(gè)已知參考電容器充電，將未知電容器連接至這個(gè)已知電容器。此時(shí)將會(huì)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(gè)壓降，我們就能使用以下等式計(jì)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(gè)基本的氣體傳感器(MQ系列)包含一個(gè)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(gè)額外的電阻創(chuàng)建一個(gè)電阻分壓器，其輸出被傳送到AFE，后者通常是一個(gè)ADC。

讓我們看一下如何實(shí)現(xiàn)一個(gè)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(gè)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(fèi)類產(chǎn)品、家用電器和醫(yī)療設(shè)備。

這個(gè)氣體傳感解決方案使用了兩個(gè)不同的傳感器：一個(gè)LPG傳感器和一個(gè)煙霧傳感器。這些傳感器的輸出被傳送到一個(gè)ADC，后者的輸出在固件中得到處理。PSoC 4中的ADC生成一個(gè)12 位結(jié)果，后者在ADC的專用硬件平均器的幫助下被進(jìn)一步平均。ADC的這個(gè)被平均的輸出在一個(gè)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(jìn)一步了解如何使用PSoC的IIR濾波器)。ADC的值與每個(gè)傳感器的獨(dú)立門限進(jìn)行對比，當(dāng)任何通道的ADC輸出超過這個(gè)門限時(shí)，LED指示燈開始閃爍，以警告用戶。與此同時(shí)，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(dòng)蜂鳴器，向用戶播放聲音告警。