一種通用的基于MCU的設(shè)計(jì)方法詳解

化學(xué)電阻式傳感器為工業(yè)控制、HVAC 系統(tǒng)以及健康和安全等應(yīng)用提供了測量各種氣體濃度的低成本方法。由于它們依靠加熱元件，因此開發(fā)人員面臨挑戰(zhàn)，在確保精確測量傳感器電阻的同時(shí)，還要控制加熱元件以保持適當(dāng)?shù)臏囟取?/p>

針對(duì)這兩項(xiàng)要求，開發(fā)人員可利用各種技術(shù)來平衡設(shè)計(jì)復(fù)雜度和測量精確度。

本文回顧了化學(xué)電阻式傳感器的特性及其在各種應(yīng)用中的作用。之后，本文介紹了Integrated Device Technology(IDT) 提供的化學(xué)電阻式氣體傳感器器件，然后著重討論了使用這些傳感器的要求，以及支持其操作的模擬設(shè)計(jì)替代方案。

最后，本文描述了一種通用的基于 MCU 的設(shè)計(jì)方法，并介紹了用于氣體傳感器設(shè)計(jì)評(píng)估和開發(fā)的相關(guān)電路板和軟件。

化學(xué)電阻式傳感器

定性檢測和定量測量在專業(yè)應(yīng)用和常見應(yīng)用中的地位都變得日益重要。甲烷檢測器在采礦作業(yè)中提供關(guān)鍵警告，氫氣測量可以提醒用戶電池存在問題，精確的氣體傳感器可以在醫(yī)療應(yīng)用中用作“電子鼻”。在住宅和商業(yè)建筑中，監(jiān)測各種氣體含量的功能可以警告住戶注意有毒煙霧，及早提供火災(zāi)預(yù)警。

在市售的氣體傳感器中，化學(xué)電阻式金屬氧化物傳感器提供了經(jīng)濟(jì)高效的解決方案，即使在條件惡劣的應(yīng)用中，也能夠提供可靠的結(jié)果。在這些傳感器中，空氣中的氣體分子濃度變化會(huì)導(dǎo)致傳感器電阻的變化。這種電阻變化可以在傳感器的工作范圍內(nèi)達(dá)到幾個(gè)數(shù)量級(jí)。傳感器電阻 (RS) 和氣體濃度 C 之間的這種關(guān)系可以用一個(gè)簡單的等式表示，它只包含兩個(gè)附加的常數(shù)因子：A 和 α。

或以等同形式寫成：

等式 2 顯示了氣體濃度對(duì)數(shù)與傳感器電阻對(duì)數(shù)之間的線性關(guān)系。實(shí)際上，該等式表明，這些傳感器在低濃度下將表現(xiàn)出電阻快速變化，但在高濃度下電阻變化要緩慢得多（圖 1）。

圖 1：化學(xué)電阻式傳感器（例如 IDT 的SGAS701氫氣傳感器）展現(xiàn)了傳感器電阻和氣體濃度之間的線性對(duì)數(shù) - 對(duì)數(shù)關(guān)系，但支持電路可能導(dǎo)致測量結(jié)果出現(xiàn)非線性。（圖片來源：Integrated Device Technology）

來自 IDT 的一系列化學(xué)電阻式傳感器可以準(zhǔn)確測量各種氣體，包括：

• 氫氣，使用 IDT SGAS701 傳感器

• 揮發(fā)性有機(jī)化合物 (VOC)，包括甲醛、甲苯、丙酮和酒精，使用SGAS707傳感器

• 易燃?xì)怏w，包括碳?xì)浠衔?、甲烷、丙烷、天然氣，使用SGAS711傳感器

除了傳感器元件以外，IDT 的四引腳器件還集成了一個(gè)電阻元件，以將傳感器加熱到最佳測量溫度。

對(duì)于開發(fā)人員來說，最大的挑戰(zhàn)在于確保精確測量傳感器電阻，同時(shí)將加熱元件保持在適當(dāng)溫度。針對(duì)這兩項(xiàng)要求，開發(fā)人員可利用各種技術(shù)來平衡設(shè)計(jì)復(fù)雜度和測量精確度。

模擬前端實(shí)施注意事項(xiàng)

作為電阻器件，化學(xué)電阻式傳感器需要適當(dāng)?shù)膭?lì)磁電源，以便測量由于氣體濃度變化引起的電阻變化。與任何此類器件一樣，開發(fā)人員可以使用不同的方法測量傳感器電阻 (RS)，包括：

• 將傳感器置于簡單的分壓器中

• 用恒壓源驅(qū)動(dòng)器件

• 用恒流源驅(qū)動(dòng)器件

對(duì)于開發(fā)人員來說，每種方法的適用性取決于對(duì)設(shè)計(jì)簡單性和測量質(zhì)量的應(yīng)用要求。例如，通過將 RS作為簡單分壓器的一部分進(jìn)行測量，開發(fā)人員可以創(chuàng)建最簡單的解決方案（圖 2）。但是，根據(jù)具體的應(yīng)用要求，這種方法固有的測量限制可能過于嚴(yán)格。

圖 2：分壓器配置提供了最簡單的化學(xué)電阻式傳感器設(shè)計(jì)，但也存在一些限制，可能無法滿足需要精確測量氣體濃度的應(yīng)用要求。（圖片來源：Integrated Device Technology）

在任何分壓器中，測量輸出 VOUT永遠(yuǎn)不會(huì)達(dá)到電源值 Vbias（圖 2 中的 Vc）。電阻排根據(jù)以下等式，將 VOUT限制為 Vbias的一部分：

由于傳感器響應(yīng)項(xiàng) RFIXED/(RFIXED+Rs)，VOUT/Vbias永遠(yuǎn)達(dá)不到統(tǒng)一。但是，開發(fā)人員可以設(shè)置 RFIXED電阻值，以實(shí)現(xiàn)介于傳感器基線值（視為空氣中測量的值）和傳感器滿量程響應(yīng) 1000 百萬分率 (ppm)（圖 3）之間的有用電壓范圍。

圖 3：在使用 3.3 伏特電源（Vbias，如圖 2 中的 Vc所示）的設(shè)計(jì)中，使用不同的 RFIXED值，開發(fā)人員可以實(shí)現(xiàn)介于滿量程響應(yīng)和基線響應(yīng)（空氣中）之間的目標(biāo)響應(yīng)范圍。（圖片來源：Integrated Device Technology）

另一個(gè)限制來自這種方法的非線性。通過將等式 1 和 3 重構(gòu)為以下等式，這一點(diǎn)表現(xiàn)得非常明顯：

在 RS（即 A * C-α）遠(yuǎn)大于 RFIXED的低氣體濃度下，傳感器響應(yīng)和氣體濃度保持線性對(duì)數(shù) - 對(duì)數(shù)關(guān)系。在 RFIXED遠(yuǎn)大于 RS的較高氣體濃度下，隨著氣體濃度的增加（圖 4），這種線性關(guān)系逐漸損失，響應(yīng)的階躍變化變小。

圖 4：RFIXED開始在分壓器配置中占主導(dǎo)地位，導(dǎo)致傳感器響應(yīng)與氣體濃度之間的對(duì)數(shù) - 對(duì)數(shù)關(guān)系呈非線性。（圖片來源：Integrated Device Technology）

遺憾的是，開發(fā)人員在解決這種非線性方面沒有太多好的選擇，因?yàn)樵诮Y(jié)果中無法區(qū)分 RFIXED和 RS的作用。因此，這種方法更適合側(cè)重氣體檢測，而不是精確定量測量的應(yīng)用。對(duì)于這些檢測應(yīng)用，開發(fā)人員只需使用一個(gè)模擬比較器，并設(shè)為在達(dá)到特定氣體濃度對(duì)應(yīng)的固定電壓電平時(shí)執(zhí)行切換。

提高精確度

通過使用恒壓源或恒流源提供傳感器激勵(lì)，設(shè)計(jì)人員可以消除 RFIXED及其對(duì)線性度的影響。另一方面，這些方法提出了截然不同的設(shè)計(jì)要求，這些要求可影響總體系統(tǒng)要求。對(duì)于恒壓激勵(lì)，開發(fā)人員可以使用簡單的模擬前端，產(chǎn)生線性的對(duì)數(shù) - 對(duì)數(shù)響應(yīng)（圖 5）。在這里，輸出電壓與 RSENSOR具有簡單直接的關(guān)系：

圖 5：設(shè)計(jì)人員可以使用一個(gè)電路，提供具有偏置補(bǔ)償和放大的恒壓傳感器激勵(lì)，以提高設(shè)計(jì)復(fù)雜度為代價(jià)提高精確度。（圖片來源：Integrated Device Technology）

在恒流激勵(lì)下，VOUT成為 RSENSOR和通過它的電流的乘積，使得傳感器響應(yīng)與氣體濃度成正比。因此，在整個(gè)工作范圍內(nèi)，氣體濃度的對(duì)數(shù)與傳感器響應(yīng)的對(duì)數(shù)之間呈現(xiàn)完全線性關(guān)系。該方法有效地將電阻變化分散到量程范圍，從而使電阻與氣體濃度呈現(xiàn)更一致的階躍變化。

與恒壓法相比，實(shí)現(xiàn)這些優(yōu)勢的代價(jià)是復(fù)雜度越來越高。與恒壓法一樣，恒流法使用運(yùn)算放大器級(jí)來實(shí)現(xiàn)基本的驅(qū)動(dòng)器電路。但在這種情況下，運(yùn)算放大器級(jí)要調(diào)節(jié)添加的 MOSFET 柵極，以產(chǎn)生所需的激勵(lì)電流水平。即便它會(huì)提高設(shè)計(jì)復(fù)雜度，恒流電路也能在基于 MCU 的設(shè)計(jì)中提供優(yōu)勢，如下所述。

加熱器驅(qū)動(dòng)器

無論使用何種方法提供傳感器激勵(lì)，都需要將金屬氧化物材料加熱到特定溫度，以獲得最佳結(jié)果。對(duì)于 IDT 傳感器，SGAS707 VOC 傳感器的工作溫度為 150°C，SGAS701 氫氣傳感器的工作溫度為 240°C，SGAS711 易燃?xì)怏w傳感器的工作溫度為 300°C。

與傳感器相同，加熱器是一個(gè)電阻元件，需要恒壓或恒流源將其保持在所需的溫度。開發(fā)人員必須確保加熱器驅(qū)動(dòng)電路調(diào)節(jié)其輸出，以防止可能改變傳感器靈敏度的變化。

對(duì)于恒壓源，設(shè)計(jì)人員可以簡單地使用傳統(tǒng)的線性穩(wěn)壓器，以滿足電壓和功率要求。例如，Texas Instruments的LM317提供了合適的解決方案，能夠提供每個(gè) IDT 傳感器所需的特定調(diào)節(jié)輸出水平：SGAS707 為 3.5 伏，SGAS701 為 5.4 伏，SGAS711 為 7.0 伏。

只需少量附加元件，開發(fā)人員就可以使用 LM317 創(chuàng)建能夠滿足大多數(shù)氣體傳感器應(yīng)用要求的恒壓源（圖 6）。開發(fā)人員可以通過適當(dāng)?shù)剡x擇 R2，將 VHEATER設(shè)置為所需的電壓水平。

圖 6：設(shè)計(jì)人員可以使用傳統(tǒng)的線性穩(wěn)壓器（例如 Texas Instruments 的 LM317），為氣體傳感器加熱器創(chuàng)建合適的恒壓源。（圖片來源：Integrated Device Technology）

雖然該解決方案相對(duì)簡單，但由于環(huán)境溫度的變化或電路組件的變化，導(dǎo)致應(yīng)用容易出現(xiàn)測量不精確的情況。

例如，上文提到的目標(biāo)加熱器電壓水平對(duì)應(yīng)于在 0°C 環(huán)境溫度下工作的傳感器所需的電壓水平。所需的加熱器電壓與溫度成反比關(guān)系，如圖 7 所示。如果無法調(diào)節(jié)加熱器電壓以補(bǔ)償環(huán)境溫度的變化，將會(huì)影響傳感器靈敏度和氣體測量精確度。

圖 7：對(duì)于每個(gè) IDT 氣體傳感器，所需的傳感器加熱器電壓隨著環(huán)境溫度的變化以相同的速率變化，但是每種傳感器類型都需要特定的偏移量：此處所示的 SGAS707 為 5.5 伏特，SGAS701 為 3.8 伏特，SGAS711 為 7.2 伏特。（圖片來源：Integrated Device Technology）

開發(fā)人員可以基于圖 6 所示的簡單線性穩(wěn)壓器電路進(jìn)行設(shè)計(jì)，通過增加反饋來跟蹤加熱器功率和溫度。不過，設(shè)計(jì)師可以選擇使用恒流源實(shí)現(xiàn)更簡單的解決方案，而無需處理相關(guān)的復(fù)雜問題。

與恒流傳感器激勵(lì)相同，恒流加熱器電路提供了更靈活的解決方案。IDT 提供了原理圖，演示使用恒流電路來實(shí)現(xiàn)傳感器激勵(lì)和加熱器控制（圖 8）。

圖 8：IDT 演示使用與SMOD7xx評(píng)估板中相同的模擬設(shè)計(jì)，為傳感器和加熱器提供恒流源的電路。（圖片來源：Integrated Device Technology）

對(duì)于恒流傳感器激勵(lì)（圖 8，頂部），IDT 組合了一對(duì)Linear TechnologyLTC6081精密運(yùn)算放大器，每個(gè)放大器驅(qū)動(dòng)一個(gè)Diodes IncorporatedDMC2700高效 MOSFET，最終使用 TIOPA2376AIDGKR低噪聲運(yùn)算放大器提供傳感器電壓。

傳感器加熱器電路采用類似的方法，但使用 Texas Instruments 的LPV511運(yùn)算放大器，可以適應(yīng)電路的 9 伏電源（圖 8，底部）。

兩個(gè)電路都依賴輸入電壓來設(shè)置電流水平，這在典型的基于 MCU 的傳感器系統(tǒng)中提供了顯著優(yōu)勢（圖 9）。

圖 9：恒流電路對(duì)基于 MCU 的傳感器系統(tǒng)特別有效。MCU 可以使用數(shù)模轉(zhuǎn)換器 (DAC)，通過編程方式控制傳感器和加熱器電壓，還可以使用模數(shù)轉(zhuǎn)換器 (ADC) 來監(jiān)視加熱器電壓和測量傳感器輸出電壓。（圖片來源：Integrated Device Technology）

通過使用 MCU 來控制數(shù)模轉(zhuǎn)換器 (DAC)，開發(fā)人員可運(yùn)用編程方式設(shè)置傳感器和加熱器所需的控制電流水平，以響應(yīng)不斷變化的條件。同樣，開發(fā)人員可以搭配使用 MCU 與模數(shù)轉(zhuǎn)換器 (ADC) 讀取傳感器輸出，執(zhí)行任何所需的調(diào)節(jié)或補(bǔ)償，并將結(jié)果傳遞給應(yīng)用。

對(duì)于加熱器，開發(fā)人員可以測量加熱器電壓輸出，并將結(jié)果用于軟件反饋回路中，以便將加熱器溫度保持在適合特定傳感器和環(huán)境溫度的水平。

IDT 在適用于 SGAS701 (SMOD701KITV1)、SGAS707 (SMOD707KITV1) 和 SGAS711 (SMOD711KITV1) 的 SMOD7xx 演示套件中使用了相同的雙恒流電路設(shè)計(jì)。SMOD7xx 電路板將恒流電路與相應(yīng)的傳感器、TIMSP430I2021MCU 和支持電路相結(jié)合，旨在支持 SGAS7xx 傳感器的評(píng)估。

獨(dú)立的SMOD 應(yīng)用軟件程序可與 SMODxx 電路板配合使用（需要注冊），讓開發(fā)人員能夠立即開始探索氣體傳感應(yīng)用場景。通過將 SMODxx 電路板的傳感器暴露在所需的氣體濃度下，開發(fā)人員可以使用 SMOD 軟件程序直接查看傳感器電阻的變化，并關(guān)注應(yīng)用對(duì)不同氣體和濃度的響應(yīng)（圖 10）。

圖 10：與 SMOD7xx 電路板配合使用時(shí)，IDT SMOD 應(yīng)用軟件程序讓開發(fā)人員能夠查看傳感器電阻的變化，以便對(duì)不同的使用場景做出響應(yīng)。（圖片來源：Integrated Device Technology）

SMOD7xx 套件與 SMOD 軟件包配合使用，為了解氣體傳感器在實(shí)際應(yīng)用中的性能提供了重要工具。在工業(yè)環(huán)境中，可能存在很多種氣體，對(duì)于那些粗心大意的開發(fā)人員，氣體傳感器可能給出意想不到的結(jié)果。雖然每種化學(xué)電阻式傳感器都能對(duì)特定類型氣體做出最佳響應(yīng)，但不同氣體的存在可能會(huì)影響結(jié)果。

例如，雖然針對(duì)氫氣進(jìn)行了優(yōu)化，但 SGAS701 傳感器也會(huì)對(duì)其他類型的氣體做出響應(yīng)，包括使用 SGAS707 VOC 傳感器和 SGAS711 易燃?xì)怏w傳感器檢測效果最佳的氣體（圖 11）。另外，濕度和其他環(huán)境條件也可能導(dǎo)致傳感器響應(yīng)出現(xiàn)系統(tǒng)性變化。使用 IDT 開發(fā)工具，開發(fā)人員可以在氣體傳感器系統(tǒng)的最終設(shè)計(jì)之前，發(fā)現(xiàn)可能影響其應(yīng)用的因素。

圖 11：正如圖中所示的 SGAS701 氫氣傳感器那樣，氣體傳感器對(duì)其他類型的氣體通常會(huì)表現(xiàn)出某種程度的靈敏度，因此，在暴露于此類環(huán)境中的氣體傳感器設(shè)計(jì)中需要進(jìn)行適當(dāng)?shù)难a(bǔ)償或校正。（圖片來源：Integrated Device Technology）

總結(jié)

測量不同氣體濃度的功能在很多應(yīng)用中變得日益重要。來自 IDT 等公司的低成本化學(xué)感應(yīng)傳感器提供了現(xiàn)成的解決方案，但需要精心設(shè)計(jì)電路，才能滿足這些器件的獨(dú)特要求。

設(shè)計(jì)人員可以使用各種技術(shù)，創(chuàng)建氣體感測設(shè)計(jì)，并在電路復(fù)雜度和測量精確度之間達(dá)到平衡，以滿足自身應(yīng)用的獨(dú)特要求。