česky english Vítejte, dnes je sobota 29. leden 2022

Co dýcháme, vidět není. Půjde to ale změřit?

DPS 2/2017 | Vývoj - články
Autor: Ing. Jan Robenek
01.jpg

„Chytrost“ zařízení nemusíme nutně spojovat s přenosem hromady dat odněkud ze světa. Hodně zajímavého se totiž odehrává přímo v naší bezprostřední blízkosti a bude určitě dobré o tom alespoň vědět. Týká se to i prostředí, ve kterém se každodenně pohybujeme.

Před tím, co je vidět, uhneme. Něco nám nevoní? Prosím, jdeme pryč. Jak to ale zařídit v případech, kdy již naše smysly nestačí? To pak ráda nastoupí moderní elektronika. V podobě svých čipů ji pouhým okem rozlišit sice nemusíme, ale je tu a má co nabídnout. Díky za její rozměry, se kterými již není žádná kapsa malá. A zoufat si nemusí ani vývojáři, které o svých přednostech, ale též možných kompromisech konkrétní součástky přesvědčit ještě nestačily. V podobě kitů se totiž s nimi pracuje mnohem lépe, stejně jako je tomu u senzorů od společnosti ams [1]. Některým z nich jsme se rozhodli věnovat i tento článek. Tak tedy nádech a...

Dýchat ano, ale ne všechno

Chytré telefony, nositelná elektronika, vybavení domácností i automatizace celých budov s termostaty nebo IP kamerami. Zde všude dostávají vývojáři prostor k vestavění kompaktních monitorovacích obvodů určených pro nízkopříkonové sledování vnitřní kvality vzduchu. A právě pro ně nyní společnost ams vytvořila dva nové vývojové kity, na které nedávno upozornily i webové stránky DPS Elektronika od A do Z [2]. Co na nich najdeme?

 

obr1
Obr. 1  Naměřené výsledky lze uživateli předložit srozumitelně a přehledně zároveň

 

CCS811-LG_EK_ST na obr. 2 a 3 [3] využívá dvojice čidel okolního prostředí, kdy SSoC (gas sensor system-on-chip) CCS811 detekuje těkavé organické látky v místnosti, zatímco ENS210 sleduje relativní vlhkost společně s teplotou. V případě CCS801-DF_EK_ST z obr. 4 pak dochází k výměně senzorů CCS811 za „analogové“ řešení obvodu CCS801 [3]

 

obr2
Obr. 2  Vývojový kit ams pracující s čidly CCS811 zahrnuje vzájemně propojené desky senzorů a převodníku mezi rozhraním I2C a USB pro přímé spojení s počítačem

 

obr3
Obr. 3  Desky CCS811-LG_EK_ST a jejich blokový diagram

 

obr4Obr. 4  Další verze kitu spolu s čidly CCS801 řešenými v analogové rovině

 

Prvně zmiňované obvody CCS811, viz také blokový diagram na obr. 5, přichází s vlastním mikrokontrolérem, na kterém poběží „inteligentní“ detekční algoritmy pro převod surových výstupů čidla na odpovídající úrovně celkového VOC v reálném prostředí a z lidských zdrojů (TVOC, 0–1 000 ppb), resp. ekvivalentního CO 2 s mírou v ppm (eCO 2 , 400–5 000 ppm). Známá relativní vlhkost a také teplota pak díky prvkům ENS210 umožňuje dostavit číslicový výstup CCS811 a kompenzovat přitom změny okolního prostředí.

S novými kity budeme schopni jednoduše konfigurovat a provozovat celý systém, zaznamenávat data a prohlížet si též naměřené výsledky. Vše totiž doplňuje volně dostupné GUI pod OS Windows.

S MCU i bez něj

Vše podstatné se bude v případě obvodů CCS811 [3] (Cambridge CMOS Sensors [4], člen skupiny ams, viz obr. 5) s vyhřívanými „mikroplotýnkami“ a pěti provozními režimy k tomu odehrávat uvnitř pouzdra typu LGA s 10 vývody o rozměrech 2,7 × 4,0 mm. Díky vestavěnému senzoru spolu s mikrokontrolérem a také A/D převodníkem zaznamenává nízkopříkonová struktura sledující kvalitu vzduchu uvnitř budov (IAQ, Indoor Air Quality) řadu těkavých organických látek VOC (Volatile Organic Compound), o nichž pak jako celek informuje přes rozhraní I2C a zjednodušuje tím celý návrh.

 

obr5
Obr. 5  Spotřeba obvodů CCS811 se pohybuje v závislosti na zvoleném režimu od 1,2 do 46 mW. Pro mód Idle pak dokumentace stanovuje 34 µW

 

Jako dva odpory

Pro všechny, kdo se pak rozhodnou řešit převod mezi analogovou a číslicovou oblastí včetně dalšího zpracování výsledků vlastním způsobem, výrobce připravil variantu čidla s označením CCS801 [3] – na stránkách DPS viz také [5]. Struktura ukrytá v pouzdru typu DFN o rozměrech 2 × 3 mm vyžaduje a také řeší rychlý provozní ohřev do 15 ms, který jinak může dosahovat až 500 °C. Na základě monitorování změny elektrického odporu pak znovu dochází k požadované detekci látek přítomných ve vzduchu, CO, etanolu, toluenu apod. Oč složitěji to zní, o to jednodušeji vypadá.

Součástka totiž bude mít jen čtyři vývody, dva pro buzení mikrovyhřívání napětím 1,4–1,6 V, které může šetřit energii prací v pulzním režimu s PWM, a další dvojici zajišťující výstup – zjednodušeně tedy dva rezistory. Snímací rezistor pak zapojíme do série s pomocným vnějším rezistorem a takto vzniklý dělič připojíme ke zdroji referenčního napětí. Změnu napětí výstupního pak už dokážeme snadno zpracovat, např. dle návodu na obr. 6. Typický odpor vyhřívacího prvku zde činí 58 Ω a počítat musíme též se životností převyšující pět let, stejně jako v případě předchozích senzorů CCS811.

 

obr6
Obr. 6  Doporučené zapojení senzorů CCS801 využívá A/D převodu spolu s dalším zpracováním již mimo čip

 

Přidej teplotu a vlhkost

Jak jsme již uvedli výše, dostavit číslicový výstup senzorů a kompenzovat přitom změny okolního prostředí umožní znalost relativní vlhkosti a také teploty. Např. s předkalibrovaným čipem ENS210 [6], který společnost ams nabízí jak pro řadu kapesních, tak i propojených zařízení v chytré domácnosti. Představen byl na veletrhu electronica 2016 a na stránkách DPS hned krátce poté [7].

 

obr7
Obr. 7  Precizní měření relativní vlhkosti a také teploty okolí vyřešíme např. s novými obvody ENS210 od ams [6]

 

Číslicový výstup bude pracovat s jednotkou Kelvin a v rámci teplotního rozsahu od 0 °C až do +70 °C nabídne přesnost ±0,2 °C. V případě relativní vlhkosti pak musíme počítat s maximem ±3,5 %. Díky kalibraci již z výroby senzory nevyžadují další dostavování parametrů a z principu rozhraní I2C pak ani tradiční zpracování signálu, třeba s mikrokontrolérem. Plastové pouzdro o rozměrech 2 × 2 × 0,75 mm určené pro povrchovou montáž bude navíc dost malé na to, aby se bez potíží vešlo i do chytrých telefonů nebo nositelné elektroniky, např. fitness náramků.

 

obr8
Obr. 8  S vývojovými nástroji můžeme počítat i v případě obvodů ENS210 [6]

 

S malými rozměry se pojí ještě menší spotřeba. Ta v režimu standby činí jen 40 nA, a pokud začneme aktivně vzorkovat jednou za vteřinu, dostáváme se na 7,1 µA. Systém pracuje se vstupním napěťovým rozsahem od 1,71 až do 3,6 V.

Jako v lese?

Kvalita vzduchu, který uvnitř budov dýcháme, je velmi důležitá už jen proto, že doma, v práci, ve škole nebo i dopravních prostředcích trávíme většinu svého času. Ještě nedávno nám přitom k popisu určitého komfortu stačila teplota, vlhkost nebo úroveň CO2 , zatímco naši předkové se bez takovýchto ukazatelů obešli úplně.

Kouř, nejrůznější zápachy a další těkavé organické látky však mohou mít na naši pohodu, produktivitu a ve výsledku i zdraví mnohem větší dopad. A spotřebitelé si takový vliv začínají konečně uvědomovat. Dobře pro ně a stejně tak i pro vývojáře, kteří jim mají co nabídnout.

Pod nálepku internetu věcí se dá schovat ledaco, klidně i alkoholtester s obvody CCS803 [8].

Odkazy:
[1] Stránky firmy ams
[2] Co dýcháme, ukáží nové kity ams. Názorně a jasně
[3] Gas Sensors
[4] Stránky firmy Cambridge CMOS Sensors
[5] Senzory řady CCS80x. Malými rozměry předcházíme velkým problémům
[6] Čidla ENS210
[7] Malé, přesné, úsporné. Měření teploty a vlhkosti s novými čidly ams
[8] Senzory CCS803

(robenek) @dps-az.cz

Partneři

eipc
epci
imaps
ryston-logo-RGB-web
mikrozone
mcu
projectik