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气体传感器的模拟前端

文章出处:EDN China电子技术设计 发布时间: 2016/01/07 | 1423 次阅读

     液化石油气(LPG)是我们在家中最常用的气体。液化石油气的泄漏有可能给生命带来威胁。即使浓度较低,它也能让人窒息;而浓度足够高时,它还会引起火灾或爆炸。因此,监测环境中液化石油气的浓度非常重要。

    

    另一种应该持续监测并将其浓度保持在一定范围内的气体是二氧化碳(CO2)。浓度较高的二氧化碳会引发呼吸问题,而长期暴露在其中会导致死亡。

    

    我们可以通过记录和维持环境中的气体浓度防止气体泄露事故的发生。气体传感器在这方面能够发挥重要作用,在气体浓度超出预先设置的安全限值时及时发出告警。

    

    现代半导体技术的进步让我们能够设计出各种低成本、低功耗的传感解决方案,通过监测环境中的气体浓度来提升家居、办公和人身安全。

    

    所有的传感系统都包含这两个部分:一个用于测量电阻电容等一个或多个电气参数的传感元件,以及一个用于测量这些参数的变化的电路。大多数此类传感器可以使用电池工作,因此,可以连续不间断工作数年。因此,降低它们的运行功耗是大势所趋。

    

    为了将传感器感测到的信息传递给控制器,我们需要使用模拟前端(AFE)。AFE将模拟信号转化为数字信号,然后对所收到的数据进行后期处理,从而使微控制器理解传感器发来的模拟信号。

    

    传感器测量的参数

    1. 电阻

    测量电阻变化有两种常用方法。

    

    A. 分压电路

    在一个分压电路中,我们使用一个电阻随温度、压力等参数的变化而变化的传感器,将传感器的变化值与一个定值电阻进行对比。在该电路中,定值电阻与传感器的连接节点(ADC)处的电压取决于传感器的电阻,因此也取决于所测量的物理参数。

    

    

    

    

    图1

    

    

    这个电压由ADC测量,而ADC的数字输出将会被微控制器进行处理。微控制器内置一种算法,它利用传感器电阻的变化与所测量的物理参数之间的已知关系计算出物理参数。

    

    B. 利用一个已知电流

    在这种方法中,一个已知电流通过一个换能器,后者的电阻随所测量的物理参数的变化而变化。根据欧姆定律:

    V=IR

    

    

    图2

    

    换能器两端的电压随所测量的参数的变化而变化。电压可以由ADC测出,然后使用ADC的测量结果计算出该参数。

    

    2. 电容

    某些传感器本质上就是电容,我们可以通过测量这些传感器的有效电容计算出相关参数的值。测量电容器有多种方法。

    

    

    A. 使用一个已知电流给电容器充电:

    一个电流数模转换器(IDAC)给可变电容器充电,当电容器处的电压超过输入端处的电压时,开关被打开,让电容器放电,然后重复这个过程。在每个充电和放电周期内,计数寄存器的值会被记录下来,并在固件中得到处理,使用相关数学方程式计算出电容值。

    

    图3

    

    B. 利用一个已知AC信号:

    在这种方法中,一个已知AC波形通过一个可变电容器,然后测量电容器引入的相位差。电路中的相位差可以由以下等式计算出:

    

    图4

    

    其中,Xc = 给定频率下电容器的容抗。

    

    

    图5

    

    C. 电容器之间的电荷共享:

    在这种方法中,使用一个已知电压对一个已知参考电容器充电,将未知电容器连接至这个已知电容器。此时将会形成电荷共享效应,电容器两端的电压下降。通过测量这个压降,我们就能使用以下等式计算出未知电容器的电容值:

    

    图6

    

    其中,V’是将未知电容器连接至已知电容器之后的电压;

    VKnown Cap是连接未知电容器之前的已知电容器两端的电压;

    VUnknown Cap是连接至已知电容器之前的未知电容器两端的电压。

    

    

    图7

    

    气体传感器基础

    

    图8

    

    一个基本的气体传感器(MQ系列)包含一个由5V左右的AC或DC电源加热的加热器。被加热后,它就能提供传感器内置的化学传感器所需的环境条件。传感器的电阻随所测量的气体浓度而变化。使用一个额外的电阻创建一个电阻分压器,其输出被传送到AFE,后者通常是一个ADC。

    

    让我们看一下如何实现一个气体传感器AFE。在本例中,我们将使用赛普拉斯半导体公司出品的一个PSoC4。凭借极高的灵活性,PSoC适用于一系列广泛的应用,其中包括工业设备、物联网、消费类产品、家用电器和医疗设备。

    

    

    图9

    

    这个气体传感解决方案使用了两个不同的传感器:一个LPG传感器和一个烟雾传感器。这些传感器的输出被传送到一个ADC,后者的输出在固件中得到处理。PSoC 4中的ADC生成一个12 位结果,后者在ADC的专用硬件平均器的帮助下被进一步平均。ADC的这个被平均的输出在一个配备IIR滤波器的固件中得到处理(请阅读赛普拉斯的应用AN2099,进一步了解如何使用PSoC的IIR滤波器)。ADC的值与每个传感器的独立门限进行对比,当任何通道的ADC输出超过这个门限时,LED指示灯开始闪烁,以警告用户。与此同时,蜂鸣器的引脚电压升高,将晶体管Q1置于工作模式。该晶体管然后开始驱动蜂鸣器,向用户播放声音告警。

    

    

    

    

   液化石油气(LPG)是我们在家中最常用的气体。液化石油气的泄漏有可能给生命带来威胁。即使浓度较低,它也能让人窒息;而浓度足够高时,它还会引起火灾或爆炸。因此,监测环境中液化石油气的浓度非常重要。

    

    另一种应该持续监测并将其浓度保持在一定范围内的气体是二氧化碳(CO2)。浓度较高的二氧化碳会引发呼吸问题,而长期暴露在其中会导致死亡。

    

    我们可以通过记录和维持环境中的气体浓度防止气体泄露事故的发生。气体传感器在这方面能够发挥重要作用,在气体浓度超出预先设置的安全限值时及时发出告警。

    

    现代半导体技术的进步让我们能够设计出各种低成本、低功耗的传感解决方案,通过监测环境中的气体浓度来提升家居、办公和人身安全。

    

    所有的传感系统都包含这两个部分:一个用于测量电阻、电容等一个或多个电气参数的传感元件,以及一个用于测量这些参数的变化的电路。大多数此类传感器可以使用电池工作,因此,可以连续不间断工作数年。因此,降低它们的运行功耗是大势所趋。

    

    为了将传感器感测到的信息传递给控制器,我们需要使用模拟前端(AFE)。AFE将模拟信号转化为数字信号,然后对所收到的数据进行后期处理,从而使微控制器理解传感器发来的模拟信号。

    

    传感器测量的参数

    1. 电阻

    测量电阻变化有两种常用方法。

    

    A. 分压电路

    在一个分压电路中,我们使用一个电阻随温度、压力等参数的变化而变化的传感器,将传感器的变化值与一个定值电阻进行对比。在该电路中,定值电阻与传感器的连接节点(ADC)处的电压取决于传感器的电阻,因此也取决于所测量的物理参数。

    

    

    

    

    图1

    

    

    这个电压由ADC测量,而ADC的数字输出将会被微控制器进行处理。微控制器内置一种算法,它利用传感器电阻的变化与所测量的物理参数之间的已知关系计算出物理参数。

    

    B. 利用一个已知电流

    在这种方法中,一个已知电流通过一个换能器,后者的电阻随所测量的物理参数的变化而变化。根据欧姆定律:

    V=IR

    

    

    图2

    

    换能器两端的电压随所测量的参数的变化而变化。电压可以由ADC测出,然后使用ADC的测量结果计算出该参数。

    

    2. 电容

    某些传感器本质上就是电容,我们可以通过测量这些传感器的有效电容计算出相关参数的值。测量电容器有多种方法。

    

    

    A. 使用一个已知电流给电容器充电:

    一个电流数模转换器(IDAC)给可变电容器充电,当电容器处的电压超过输入端处的电压时,开关被打开,让电容器放电,然后重复这个过程。在每个充电和放电周期内,计数寄存器的值会被记录下来,并在固件中得到处理,使用相关数学方程式计算出电容值。

    

    图3

    

    B. 利用一个已知AC信号:

    在这种方法中,一个已知AC波形通过一个可变电容器,然后测量电容器引入的相位差。电路中的相位差可以由以下等式计算出:

    

    图4

    

    其中,Xc = 给定频率下电容器的容抗。

    

    

    图5

    

    C. 电容器之间的电荷共享:

    在这种方法中,使用一个已知电压对一个已知参考电容器充电,将未知电容器连接至这个已知电容器。此时将会形成电荷共享效应,电容器两端的电压下降。通过测量这个压降,我们就能使用以下等式计算出未知电容器的电容值:

    

    图6

    

    其中,V’是将未知电容器连接至已知电容器之后的电压;

    VKnown Cap是连接未知电容器之前的已知电容器两端的电压;

    VUnknown Cap是连接至已知电容器之前的未知电容器两端的电压。

    

    

    图7

    

    气体传感器基础

    

    图8

    

    一个基本的气体传感器(MQ系列)包含一个由5V左右的AC或DC电源加热的加热器。被加热后,它就能提供传感器内置的化学传感器所需的环境条件。传感器的电阻随所测量的气体浓度而变化。使用一个额外的电阻创建一个电阻分压器,其输出被传送到AFE,后者通常是一个ADC。

    

    让我们看一下如何实现一个气体传感器AFE。在本例中,我们将使用赛普拉斯半导体公司出品的一个PSoC4。凭借极高的灵活性,PSoC适用于一系列广泛的应用,其中包括工业设备、物联网、消费类产品、家用电器和医疗设备。

    

    

    图9

    

    这个气体传感解决方案使用了两个不同的传感器:一个LPG传感器和一个烟雾传感器。这些传感器的输出被传送到一个ADC,后者的输出在固件中得到处理。PSoC 4中的ADC生成一个12 位结果,后者在ADC的专用硬件平均器的帮助下被进一步平均。ADC的这个被平均的输出在一个配备IIR滤波器的固件中得到处理(请阅读赛普拉斯的应用AN2099,进一步了解如何使用PSoC的IIR滤波器)。ADC的值与每个传感器的独立门限进行对比,当任何通道的ADC输出超过这个门限时,LED指示灯开始闪烁,以警告用户。与此同时,蜂鸣器的引脚电压升高,将晶体管Q1置于工作模式。该晶体管然后开始驱动蜂鸣器,向用户播放声音告警。

    

    

    

    

    

    

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