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基于Microchip平台的气体检测参考设计方案

作者:世健时间:2018-03-29来源:电子产品世界收藏
编者按:目前市场上的气体探测器按原理可分为催化燃烧式、电化学、半导体式以及红外四种。其中红外探测器反应灵敏,精度高,寿命长,优势显著。为此,世健公司推出基于Microchip平台,采用Axetris的红外光源和Pyreos的传感器所组成的红外气体检测参考设计方案,使客户可以快速地评估MCU、光源以及传感器的性能,缩短气体检测项目的设计周期。

作者 / 世健供稿

本文引用地址:http://www.eepw.com.cn/article/201803/377640.htm

摘要:目前市场上的探测器按原理可分为催化燃烧式、电化学、半导体式以及四种。其中探测器反应灵敏,精度高,寿命长,优势显著。为此,世健公司推出基于Microchip平台,采用Axetris的光源和Pyreos的传感器所组成的红外参考设计方案,使客户可以快速地评估MCU、光源以及传感器的性能,缩短项目的设计周期。

  气体与人类生活息息相关,例如:石化厂、煤气站、油库等场所对可燃气体的监测;汽车尾气、工业废气、城市雾霾的监控;还有家用煤气、天然气的泄漏爆炸的监测;以及针对装修后有毒气体(苯和甲醛)残留浓度的检测等。从工业到民用,针对各种可燃有毒气体的检测无一不会用到气体探测器。并且随着智能物联网的蓬勃发展,气体探测器也被广泛应用在功能强大的物联网上实时监控前天环境,为人类的安全保驾护航。

  然而目前市场上的气体探测器按原理可分为催化燃烧式、电化学、半导体式以及红外四种。催化燃烧式探测器易中毒,电化学探测器寿命有限,半导体式探测器一致性较差。而红外探测器反应灵敏、精度高、寿命长,优势显著。世健公司作为技术分销商和解决方案商,时刻关注市场需求,近期正式推出基于Microchip平台,采用Axetris的红外光源和Pyreos的传感器所组成的红外气体检测参考设计方案。通过此方案,客户可以快速地评估MCU、光源以及传感器的性能,缩短气体检测项目的设计周期。

  该参考设计方案的原理是:红外光源发射出2~14 μm的红外光,通过一定长度的气室吸收后,由带4.26 μm 波长的窄带滤光片的红外气体传感器进行探测,传感器内置15 位ADC,通过I2C进行数据采集,经过Microchip的Cortex® M0+ SAM D20进行数据分析处理,分析出的采样数据通过通讯接口传输到上位机,然后通过配套软件观察不同探测器采集的数据及波形。方案框图如图1。

  整个方案的硬件连接方式是micro USB转USB线连接评估板和PC,选用12 V直流电源适配器。作为一个参考设计,该方案选用了Microchip公司的系列产品,包括基于Cortex M0+核的ATSAM D20作为主控芯片,轨到轨放大器MCP6H02用于驱动红外光源,低噪声电源芯片MIC5253提供系统电源,及接口芯片MCP2200。

  本方案所使用的Pyreos公司ezPyro是较小的拥有数字接口、超低功耗的热释电红外传感器。ezPyro系列数字接口型传感器内部集成了传感器、模拟前端、15位Δ-Σ模数转换、数字滤波器、FIFO以及中断唤醒控制等部分,同时5.65 mm×3.7 mm×1.55 mm的封装也大幅减小了设计整体体积。ezPyro热释电红外传感器的响应时间在毫秒级,相比竞争对手几秒钟的响应时间,可谓是不可同日而语。

  此方案中使用的红外光源EMIRS 50是通过紧凑的TO-46封装,它可以提供带保护帽或者带反射面,这些结构可以配置蓝宝石或氟化钙、氟化钡和锗等材料的滤光片。Axetris红外光源是紧凑型气体检测模块的理想选择。所有Axetris红外光源都是基于微机械加工,电调制技术的热辐射红外光源。此专利的设计提供了从2~14 μm真实黑体的辐射特性,高辐射率和一个很长的使用寿命,它还具备极其快速的调制和低功耗的特性。Axetris红外光源在这些年已经成功地集成在各种医疗、工业和安全应用上。典型的目标气体是CO、CO2、制冷剂、CH4、Nox、呼吸性酒精气体以及其他更多气体。

  当然,要确保方案整体的性能、提升系统测量精度,只有传感器是不够的。世健在配套芯片的选择上也下了一番功夫。从方案的BOM(物料清单)中我们可以看到,世健的工程师特意选择了Microchip的电源芯片MIC5253以及运算放大器MCP6H02等性能优异的外围电子元器件,使得传感器的特性最大限度地发挥出来。

  除了硬件方面,世健的设计工程师也开发出了配套的软件,开发者可以观测到方案中不同传感器通道的测试和分析数据。采样数据由串口传输到上位机,通过软件显示测量谱图,如图2,软件的左侧可以观察参考通道和CO2通道所测量的数据,其中白色曲线(注:曲线1)是参考信号,红色曲线(注:曲线2)是CO2检测信号。经过双通道的校准算法可以测量出气体浓度值等,软件还可以保存采集数据。

  运行NDIR.exe软件时,请确保已经安装NDIR驱动或者安装Labview2014运行引擎和Labview visa 驱动(visa540_full.exe),步骤如下:

  1.配置串口;

  2.打开软件,选择对应的串口号,并选择如下设置: 波特率:115200,数据位:8,校验位:None,停止位:1;

  3.最后点击“打开串口”按钮,切换到“显示数据”。

  世健公司的现场应用总监仇嘉洋表示:“通过采用Microchip公司高性能的基于Cortex-M0+的MCU及电源和接口产品,结合MEMS技术的红外光源和传感器,世健公司为客户提供了完整的红外气体检测解决方案,可广泛应用于工业气体排放、煤矿可燃有毒气体泄漏监测、环境监测、医疗安全、智能楼宇、机车尾气排放检测等应用场景。”

  本文来源于《电子产品世界》2018年第4期第77页,欢迎您写论文时引用,并注明出处。



关键词: 气体 检测 红外 201804

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