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(lái)威脅。即使濃度較低，它也能讓人窒息；而濃度足夠高時(shí)，它還會(huì )引起火災或爆炸。因此，監測環(huán)境中液化石油氣的濃度非常重要。

　　另一種應該持續監測并將其濃度保持在一定范圍內的氣體是二氧化碳（CO2）。濃度較高的二氧化碳會(huì )引發(fā)呼吸問(wèn)題，而長(cháng)期暴露在其中會(huì )導致死亡。

　　我們可以通過(guò)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，在氣體濃度超出預先設置的安全限值時(shí)及時(shí)發(fā)出告警。

　　現代半導體技術(shù)的進(jìn)步讓我們能夠設計出各種低成本、低功耗的傳感解決方案，通過(guò)監測環(huán)境中的氣體濃度來(lái)提升家居、辦公和人身安全。

　　所有的傳感系統都包含這兩個(gè)部分：一個(gè)用于測量電阻、電容等一個(gè)或多個(gè)電氣參數的傳感元件，以及一個(gè)用于測量這些參數的變化的電路。大多數此類(lèi)傳感器可以使用電池工作，因此，可以連續不間斷工作數年。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將模擬信號轉化為數字信號，然后對所收到的數據進(jìn)行后期處理，從而使微控制器理解傳感器發(fā)來(lái)的模擬信號。

　　傳感器測量的參數

　　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。

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

　　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(guò)一個(gè)換能器，后者的電阻隨所測量的物理參數的變化而變化。根據歐姆定律：

　　V=IR

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

　　2. 電容

　　某些傳感器本質(zhì)上就是電容，我們可以通過(guò)測量這些傳感器的有效電容計算出相關(guān)參數的值。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)電流數模轉換器（IDAC）給可變電容器充電，當電容器處的電壓超過(guò)輸入端處的電壓時(shí)，開(kāi)關(guān)被打開(kāi)，讓電容器放電，然后重復這個(gè)過(guò)程。在每個(gè)充電和放電周期內，計數寄存器的值會(huì )被記錄下來(lái)，并在固件中得到處理，使用相關(guān)數學(xué)方程式計算出電容值。

　　B. 利用一個(gè)已知AC信號：

　　在這種方法中，一個(gè)已知AC波形通過(guò)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，電容器兩端的電壓下降。通過(guò)測量這個(gè)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

　　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)現一個(gè)氣體傳感器AFE。在本例中，我們將使用賽普拉斯半導體公司出品的一個(gè)PSoC4。憑借極高的靈活性，PSoC適用于一系列廣泛的應用，其中包括工業(yè)設備、物聯(lián)網(wǎng)、消費類(lèi)產(chǎn)品、家用電器和醫療設備。

　　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 位結果，后者在A(yíng)DC的專(zhuān)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)傳感器的獨立門(mén)限進(jìn)行對比，當任何通道的ADC輸出超過(guò)這個(gè)門(mén)限時(shí)，LED指示燈開(kāi)始閃爍，以警告用戶(hù)。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(kāi)始驅動(dòng)蜂鳴器，向用戶(hù)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(lái)威脅。即使濃度較低，它也能讓人窒息；而濃度足夠高時(shí)，它還會(huì )引起火災或爆炸。因此，監測環(huán)境中液化石油氣的濃度非常重要。

　　另一種應該持續監測并將其濃度保持在一定范圍內的氣體是二氧化碳（CO2）。濃度較高的二氧化碳會(huì )引發(fā)呼吸問(wèn)題，而長(cháng)期暴露在其中會(huì )導致死亡。

　　我們可以通過(guò)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，在氣體濃度超出預先設置的安全限值時(shí)及時(shí)發(fā)出告警。

　　現代半導體技術(shù)的進(jìn)步讓我們能夠設計出各種低成本、低功耗的傳感解決方案，通過(guò)監測環(huán)境中的氣體濃度來(lái)提升家居、辦公和人身安全。

　　所有的傳感系統都包含這兩個(gè)部分：一個(gè)用于測量電阻、電容等一個(gè)或多個(gè)電氣參數的傳感元件，以及一個(gè)用于測量這些參數的變化的電路。大多數此類(lèi)傳感器可以使用電池工作，因此，可以連續不間斷工作數年。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將模擬信號轉化為數字信號，然后對所收到的數據進(jìn)行后期處理，從而使微控制器理解傳感器發(fā)來(lái)的模擬信號。

　　傳感器測量的參數

　　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。

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

　　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(guò)一個(gè)換能器，后者的電阻隨所測量的物理參數的變化而變化。根據歐姆定律：

　　V=IR

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

　　2. 電容

　　某些傳感器本質(zhì)上就是電容，我們可以通過(guò)測量這些傳感器的有效電容計算出相關(guān)參數的值。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)電流數模轉換器（IDAC）給可變電容器充電，當電容器處的電壓超過(guò)輸入端處的電壓時(shí)，開(kāi)關(guān)被打開(kāi)，讓電容器放電，然后重復這個(gè)過(guò)程。在每個(gè)充電和放電周期內，計數寄存器的值會(huì )被記錄下來(lái)，并在固件中得到處理，使用相關(guān)數學(xué)方程式計算出電容值。

　　B. 利用一個(gè)已知AC信號：

　　在這種方法中，一個(gè)已知AC波形通過(guò)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，電容器兩端的電壓下降。通過(guò)測量這個(gè)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

　　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)現一個(gè)氣體傳感器AFE。在本例中，我們將使用賽普拉斯半導體公司出品的一個(gè)PSoC4。憑借極高的靈活性，PSoC適用于一系列廣泛的應用，其中包括工業(yè)設備、物聯(lián)網(wǎng)、消費類(lèi)產(chǎn)品、家用電器和醫療設備。

　　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 位結果，后者在A(yíng)DC的專(zhuān)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)傳感器的獨立門(mén)限進(jìn)行對比，當任何通道的ADC輸出超過(guò)這個(gè)門(mén)限時(shí)，LED指示燈開(kāi)始閃爍，以警告用戶(hù)。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(kāi)始驅動(dòng)蜂鳴器，向用戶(hù)播放聲音告警。