基于Microchip平台的完整红外气体检测解决方案

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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。

气体检测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跟解决方案商,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:红外光源发射出2-14μm的红外光,通过一定长度的气室吸收后,由带4.26μm 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IIC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。方案框图如下:

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图1 方案框图

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12V直流电源适配器。作为一个参考设计,这个方案选用了Microchip公司的系列产品,包括基于Cortex M0+核的ATSAM D20作为的主控芯片,轨到轨的放大器MCP6H02用于驱动A红外光源,和低噪声的电源芯片MIC5253提供系统电源及接口芯片MCP2200。

而使用Pyreos公司的ezPyro是世界上最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。这个专利的设计提供了真实黑体的辐射特性从2-14μm,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,软件的左侧可以观察参考通道和CO2通道所测量的数据,其中白色曲线是参考信号,红色曲线是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:
3.波特率:115200
4.数据位:8
5.校验位:None
6.停止位:1
7.最后点击“打开串口”按钮,切换到“显示数据”

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图2 软件界面

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。”

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