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1. 內容簡介

近年來由于日趨嚴重的環(huán)境污染及工業(yè)上之需求，使得傳感器的發(fā)展倍受重視。在空氣污染防治日益復雜及工業(yè)上迫切需要的今日，高效能的氣體傳感器愈來愈受重視。以金屬氧化物半導體（MOS）為材料之氣體傳感器，由于其耐熱性及耐蝕性佳、應答速率快、組件制作容易，以及易與微處理器組合成氣體感測系統(tǒng)或攜帶式監(jiān)測器，因此被廣泛的使用在家庭、工廠環(huán)境中以偵測毒性氣體及燃燒爆炸性氣體。而本文將介紹以HY16F184內建高精密Sigma-Delta 24 Bit ADC搭配CCS801 CMOS Sensor來實現(xiàn)一個Gas Sensor應用電路。在本文中的Gas Sensor應用電路上，主要的組件有：氣體傳感器（CCS801 Gas Sensor）、ADC和MCU 控制芯片。而纮康HY16F184控制芯片內建高精密Sigma-delta 24 Bit ADC、可程序放大PGA和多段式穩(wěn)壓輸出等功能，可以很大幅簡化PCB周邊線路，精準完成由模擬到數(shù)字的訊號轉換。

本文Gas Sensor應用電路是由纮康HY16F184芯片之內建ADC精確的量測到CCS801 CMOS Sensor內的RS 電阻變化量，并且透搭配CCS801 CMOS Sensor所提供的C Library算法，可以換算出相對應的PPM濃度數(shù)值。而在加熱驅動器（Heater）回路上的微小電流變化量（RH_Current），同樣也可使用HY16F184內建ADC精準的量測到。本文內也提供了GUI軟件接口，透過I2C通訊來輸出實時的PPM與RS和RH_Current數(shù)據(jù)變化量。使用I2C轉USB網橋與計算機連接，由計算機端GUI做實時三個信道的數(shù)據(jù)變化量顯示。

2. 原理說明

2.1. 量測原理

CCS801 Gas sensor半導體氣體感測材料在偵測氣體時，RS電阻會產生變化，如下圖1。此情況主要導因于偵測可燃性氣體如一氧化碳（CO）及多種揮發(fā)性有機化合物（VOC）與吸附在半導體氧化物且?guī)ж撾姾傻难蹼x子產生反應。當空氣偵測到可燃性氣體時候，RS電阻會產生變化，此時可測量到RS兩端的電壓會有所改變。典型的RS電阻值范圍在100k~2M奧姆之間。 RH電阻則是可當溫度反應電阻，當Gas Sensor有一電流回路流經Heater+與Heater GND，則可視為加熱現(xiàn)象，隨著Heater溫度的變化，RH端的電阻也會有所改變，典型的RH電阻值范圍在20~100奧姆之間。

采用纮康HY16F184芯片實現(xiàn)氣體傳感器測量應用電路的設計

圖1 CCS801 CMOS Sensor

2.2. Gas Sesnor應用電路基本架構

本文Gas Sensor的基本架構如下圖2所示，包含一個氣體傳感器（CCS801 Gas Sensor）、PMOS NX2301、ADC和MCU單芯片。HY16F184可輸出PWM來控制PMOS NX2301做為電流開關控制。當PWM輸出為High時候，則是關閉PMOS，此時較為省電，不會有電流流經過Heater端。而當PWM輸出為Low時候，則是導通PMOS，會有電流流經過Heater端，此時則開始做Gas Sensor加熱動作，當Gas Sensor再加熱的時相對來說也會比較耗電。本文的電路應用架構即是利用PWM來做整體消耗電流功耗控制，設定PWM輸出周期為97us，PWM輸出Low的時間為比57us而PWM輸出High的時間為40us。PWM On的輸出持續(xù)時間是100ms，此時為CCS801的加熱時間，之后PWM Off的時間為持續(xù)400ms，當PWM Off時候，此時會輸出保持High，以500ms為一個控制周期不斷的循環(huán)控制PMOS NX2301開關，做為加驅動器（Heater）的控制。詳細的PWM控制時間圖，可以參考以下圖3。 HY16F184除了使用PWM做PMOS開關控制來達到功耗控制與省電的設計效果，還使用了高精度ADC來做RS與RH_Current變化量測量，而擷取到的數(shù)據(jù)可以由I2C來做數(shù)據(jù)的輸出與讀取，詳細HY16F184 ADC規(guī)格可以參考下圖4。

圖2 HY16F184 Gas Sensor基本架構圖

圖3 HY16F184 PWM輸出控制時序圖

2.3. 控制芯片

單片機簡介：HY16F系列32位高性能Flash單片機（HY16F184）

圖4 纮康HY16F系列32位高性能Flash單片機（HY16F184）

（1）采用最新Andes 32位CPU核心N801處理器。

（2）電壓操作范圍2.4~3.6V，以及-40℃~85℃工作溫度范圍。

（3）支持外部16MHz石英震蕩器或內部20MHz高精度RC震蕩器，

擁有多種CPU工作頻率切換選擇，可讓使用者達到最佳省電規(guī)劃。

（3.1）運行模式 350uA@2MHz/2（3.2）待機模式 10uA@32KHz/2（3.3）休眠模式 2.5uA

（4）程序內存64KBytes Flash ROM

（5）數(shù)據(jù)存儲器8KBytes SRAM。

（6）擁有BOR and WDT功能，可防止CPU死機。

（7）24-bit高精準度ΣΔADC模擬數(shù)字轉換器

（7.1）內置PGA （Programmable Gain Amplifier）最高可達128倍放大。

（7.2）內置溫度傳感器TPS。

（8）超低輸入噪聲運算放大器OPAMP。

（9）16-bit Timer A

（10）16-bit Timer B模塊具PWM波形產生功能

（11）16-bit Timer C 模塊具數(shù)字Capture/Compare 功能

（12）硬件串行通訊SPI模塊

（13）硬件串行通訊I2C模塊

（14）硬件串行通訊UART模塊

（15）硬件RTC時鐘功能模塊

（16）硬件Touch KEY功能模塊

（17）Sigma-delta 24 Bit ADC ENOB & RMS Noise

3. 系統(tǒng)設計

3.1. 硬件說明

使用HY16F184內建ADC搭配CCS801 CMOS Sensor做Gas Sensor應用電路。 HY16F184的ADC通道模擬腳位會使用到AIO0/AIO1/AIO2/AIO3。 AIO0與AIO3主要負責做流經過RH電阻的RH_Current電流變化量測量，AIO1與AIO2負責做RS電阻的電壓變化量測量，因為RS電阻本身為高阻抗（100k~2M奧姆），而ADC的輸入阻抗大約只有200k奧姆，所以在AIO2的輸入腳位部份會先經過HY16F184內建R2ROP做一個Unit Gain buffer輸出，再由OPOI輸出到ADC當作輸入?yún)⒖家_，這樣可以避免量測訊號時負載效應的產生，詳細關于AIO1與AIO2的通道設置，可以參考下圖5。完整硬件線路圖可以參考下圖6。

圖5 HY16F184 ADC通道設置AIO2與AIO1

圖6 HY16F184 Gas Sensor硬件線路連接圖（TOP）

圖7 HY16F184 Gas Sensor硬件線路連接圖（Bottom）

主要組件介紹

（1）HY16F184 ：數(shù)據(jù)處理與運算核心，主要負責執(zhí)行PWM輸出與運算CCS801 Gas Sensor的PPM， RS， RH_Current數(shù)據(jù)，并且透過I2C通訊做數(shù)據(jù)輸出。

（2）ADC：HY16F184內建之模擬數(shù)字轉換器，能夠精確的將Gas sensor上的RS與RH_Current訊號，做模擬數(shù)字電壓訊號轉換。

（3）CCS801 Gas Sensor ：氣體傳感器，負責偵測環(huán)境中氣體變化量，內部的RS電阻值會隨著氣體中可燃性氣體濃度的不同而產生變化量。

（4）NX2301 PMOS ：在此主要當作開關使用，由HY16F184的PWM來做開關控制使用。開啟時候可對Heater做加熱動作，關閉時候沒有電流經過不做加熱動作。

3.2. 軟件說明

程序流程圖：

圖8 Gas Sensor程序流程圖

4. 數(shù)據(jù)規(guī)格與總結

4.1. 耗電流測量

在CPU頻率設定為2MHz與工作電壓VDD=3V， VDDA=2.4V，使用PWM做PMOS開關控制。 PWM On的輸出持續(xù)時間是100ms，此時為CCS801的加熱時間，之后PWM Off的時間為持續(xù)400ms，以500ms為一個控制周期不斷的循環(huán)控制PMOS，在此情況下所測得到的耗電流約0.89mA。

4.2. ADC Raw Data與I2C通訊格式說明

I2C Slave Address:0x20

I2C Command:0x80

S+Addr+0x80+rS+（Addr+1）+CH1Data_L+CH1Data_M+CH1Data_H+CH2Data_L+CH2Data_M+CH2Data_H+CH3Data_L+CH3Data_M+CH3Data_H+CH4Data_L+CH4Data_M+CH4Data_H+P

S： Star; Addr： Slave address; rS： repeat start; P： stop.

CH1： RS 的ADC RawData經過ccsmox_set_data_iaq計算后所得PPM

CH2： RS端的ADC RawData

CH3： RH_Current端的ADC RawData

CH4： NC

L： ADC Low byte; M： ADC Middle byte; H： ADC High byte;

每個信道數(shù)據(jù)（Chx）共8*3=24bit

Bit0，統(tǒng)一為旗標，Bit0=0b，代表為舊資料; Bit0=1b，代表為新資料;

使用者應該在Bit0=1b時，取得數(shù)據(jù)才有效。

Bit23，統(tǒng)一為Sign bit，

Bit23=0b，代表正數(shù); Bit23=1b，代表負數(shù)

4.3. ADC Raw Data數(shù)據(jù)顯示界面介紹

掃描Gas Sensor所輸出的ADC Raw Data可透過I2C接口來做數(shù)據(jù)的傳輸與讀取，搭配纮康設計的I2C轉USB的網橋配合PC端的GUI，可以做為實時的ADC Raw Data數(shù)據(jù)顯示。詳細數(shù)據(jù)畫面顯示GUI操作說明，可以參考如下：

1.Connect ： USB連接狀態(tài)，如果有正常連接會顯示 Connect，如果連接不正常，會顯示control board connect fail

2.I2C Slave addr：預設為0x20.

3.Chart：顯示四個信道的Gas sensor掃描數(shù)據(jù)。

4.Scan：開始讀取四個信道的Gas sensor掃描數(shù)據(jù)。

5.Save：存取四個信道的Gas sensor掃描數(shù)據(jù)。

圖9 HY16F184 Gas Sensor與USB轉I2C Board硬件接線圖

圖10 ADC Raw Data數(shù)據(jù)顯示界面

連上GUI觀察CH1~CH3的數(shù)據(jù)顯示畫面如下圖，因為PWM On與PWM Off的周期為500ms，所以換算頻率約每2秒在GUI畫面做一次數(shù)據(jù)的更新。CH1的數(shù)據(jù)為氣體濃度PPM，當Gas Sensor沒有偵測到任何的可燃性氣體時候，可以看到都為平穩(wěn)數(shù)值不會跳動，CH2的數(shù)據(jù)為RS，一開始的ADC Raw Data會呈現(xiàn)平穩(wěn)的上升，CH3則為RH_Current數(shù)據(jù)，一開始的ADC Raw data會呈現(xiàn)平穩(wěn)的下降。

圖11 Gas Sensor無偵測到任何可燃性氣體時候的ADC Raw Data變化量

當有揮發(fā)性有機化合物接近Gas Sensor時候，在此是拿奇異筆接近Gas Sesnor，可以看到CH1的PPM數(shù)據(jù)會透過算法算出變化量，同時CH2的RS ADC Raw data會呈現(xiàn)明顯下降狀態(tài)，CH3的RH_Current ADC Raw data也會呈現(xiàn)明顯下降狀態(tài)，在奇異筆離開Gas Sensor之后才會慢慢回復平穩(wěn)狀態(tài)。