В одній з попередніх статей розділу Унітере ми вже розповідали про датчики якості повітря iAQ-core від ams. Дана стаття буде присвячена ще одному датчику CCS811 від того ж виробника. У порівнянні з iAQ-core нові сенсори CCS811 мають розширений діапазон вимірювань ЛОВ і CO2, збільшений діапазон робочих температур, більш гнучку систему споживання.
Мал. 1. Оцінка якості повітря
Навколишній нас повітря являє собою суміш газів і складається в основному з азоту (близько 78%) і кисню (близько 21%). Відсоток, доводиться на частку різних домішок (інертні гази, вуглекислий газ, чадний газ, органічні леткі речовини (ЛОВ) і т. Д). Незважаючи на те, що в процентному співвідношенні кількості домішок мало, зміна їх концентрації може виявитися дуже неприємним і навіть небезпечним для людини. Якість повітря в офісних та побутових приміщеннях найчастіше пов'язують з вмістом CO2 і ЛОВ.
До органічних летючим речовин відносяться більше 5000 сполук. Освіта здебільшого з них так чи інакше пов'язане з процесами життєдіяльності людини. Наприклад, при диханні людина виділяє етанол, ацетон, ізопрен і т. Д., А при потінні деканаль, нонаналь і т. Д. Таким чином, навіть просте присутність людини в замкнутому приміщенні призводить до «забруднення» повітря і необхідності провітрювання. Якщо цього не робити, то можна зіткнутися з такими неприємними наслідками як запаморочення, головний біль, сльозливість і т. Д. На жаль, оцінка концентрації ЛОВ в повітрі утруднена.
Раніше для оцінки концентрації ЛОВ застосовували датчики CO2. При цьому враховувався той факт, що в нормальних умовах концентрації ЛОВ і CO2 виявляються пов'язаними. Знаючи процентний вміст CO2, можна побічно визначити концентрацію ЛОВ. Якщо вміст вуглекислого газу в повітрі досягла певної межі - необхідно включати вентиляцію.
Доступність датчиків CO2 привела до того, що у всіх стандартах, що визначають якість повітря, саме концентрація вуглекислого газу є ключовим показником. Проте, у такого методу є недоліки. Як показує реальне життя, взаємозв'язок між ЛОВ і CO2 не завжди однозначна. Наприклад, куріння в приміщенні викликає різкий стрибок вмісту ЛОВ, який датчики CO2 просто не бачать, так концентрація вуглекислого газу при цьому сильно не змінюється (рис. 2). Датчики вуглекислого газу також будуть безсилі, якщо в приміщенні використовується побутова хімія, засоби для чищення, лакофарбові матеріали або звичайна парфумерія. Компанія ams пропонує своє вирішення проблеми вимірювання концентрації ЛОВ у вигляді датчиків CCS811.
Мал. 2. Датчики CO2 не завжди здатні правильно оцінити зміст ЛОВ
CCS811 - малопотребляющій газовий датчик, що випускається в компактному 10-вивідному LGA-корпусі розміром 2,7 x 4,0 x 1,1 мм (рис. 3). CCS811 дозволяє вимірювати концентрацію ЛОВ в діапазоні 0 ... 1187 ppb і концентрацію CO2 в діапазоні 400 ... 8192 ppm. Це зручно для систем вентиляції, які тепер зможуть враховувати зміст ЛОВ і автоматично провітрювати приміщення, наприклад, коли в ньому сильно накурено. З іншого боку, можливість вимірювання концентрації CO2 дозволяє враховувати вимоги стандартів до якості повітря, так як саме в них вміст вуглекислого газу є основним показником.
Мал. 3. Зовнішній вигляд датчиків якості повітря CCS811 від ams
Структурна схема CCS811 включає два основні блоки: датчик MOX (Metal Oxide Semiconductor) і вбудований мікроконтролер (рис. 4). Мікроконтролер забезпечує опитування датчика, зв'язок із зовнішнім керуючим процесором по I2C і управління системою харчування.
Мал. 4. Внутрішня схема датчика CCS811
Схема включення CCS811 виявляється досить простий. Вона вимагає всього декількох додаткових підтягують резисторів і розв'язує конденсатор (рис. 5). Для зв'язку із зовнішнім контроллером використовується інтерфейс I2C: лінії SCL і SDA, а також лінія адреси A0. Таким чином, на одній шині можуть бути присутніми відразу пару датчиків.
Мал. 5. Типова схема включення датчиків CCS811
Відмінною рисою CCS811 є низький рівень споживання, якого можна досягти за рахунок використання мінімального робочого напруги живлення 1,8 В, а також за допомогою вбудованих робочих режимів з різним рівнем споживання:
- Mode 0, Idle: режим глибокого сну зі споживанням всього 0,034 мВт;
- Mode 1: режим з проведенням вимірів раз в секунду із середнім споживанням 46 мВт;
- Mode 2: режим з проведенням вимірів раз в 10 секунд із середнім споживанням 7 мВт;
- Mode 3: режим з проведенням вимірів раз в 60 секунд із середнім споживанням 1,2 мВт;
- Mode 4: режим з проведенням вимірів з періодом 250 мс із середнім споживанням 46 мВт.
Режим Mode 3 необхідний для самих економічних програм, в той час як Mode 4 підійде для найбільш продуктивних систем, в яких керуючий процесор сам здатний обробляти «сирі» дані і вимагає максимальної частоти виконання вимірювань.
Вибираючи той чи інший режим роботи можна змінювати рівень споживання в десятки разів. На додаток до цього варто відзначити можливість загальної оптимізації споживання всієї системи: сигнал nWAKE дозволяє зовнішнього контролера пробуджувати датчик з режиму сну, а сигнал nINT, навпаки, дає можливість датчику повідомляти про закінчення вимірювань контролера.
На жаль, перемикання між робочими режимами мають деякі особливості. Наприклад, якщо потрібно перейти з більш продуктивного режиму в режим з меншою частотою опитування (наприклад, з Mode 1 в Mode 3), то спочатку необхідно перевести CCS811 в Mode 0 (Idle), як мінімум на 10 хвилин, і тільки потім переключитися на потрібний режим. Зворотний перехід виконується безпосередньо без циклів очікування (наприклад, з Mode 3 в Mode 1).
У CCS811 використовується MOX-датчик (Metal Oxide), опір якого залежить від концентрації ЛОВ. При повній відсутності ЛОВ опір мінімально. З першого погляду здається, що принцип вимірювання досить простий - визначаємо опір і обчислюємо зміст ЛОВ. Однак, на жаль, опір MOX залежить не тільки від концентрації ЛОВ, але і від трьох основних чинників:
- терміну служби;
- тривалості «розігріву» датчика;
- параметрів середовища: температури і вологості.
Крім того опір датчика змінюється від приладу до приладу.
Щоб усунути вплив похибок, реальне виміряне значення опору ділиться вбудованим контролером на калібровану величину Ra. При цьому користувачеві пропонується два механізму установки Ra: автоматичне калібрування базової лінії і ручна калібрування.
При використанні автоматичного калібрування значення Ra автоматично змінюється і встановлюється протягом декількох днів. З цієї причини новий датчик має гігантську початкову похибка і повинен відпрацювати як мінімум добу до отримання більш-менш пристойних результатів (рис. 6).
Мал. 6. Зміна показників датчиків CCS811 на початку терміну служби
Користувачеві також необхідно пам'ятати, що кожен раз після включення датчик CCS811 повинен «прогріватися». Час такого «прогріву» становить понад 30 хвилин, протягом яких похибка виявляється неприпустимо великий (рис. 7). Цю особливість CCS811 вкрай важливо враховувати.
Мал. 7. Початковий вихід на режим датчиків CCS811 при включенні харчування
Також необхідно враховувати вплив параметрів середовища, зокрема вологості і температури, на свідчення CCS811. Зробити це можна за допомогою зовнішнього датчика вологості і температури. Саме таке рішення пропонується в оціночному наборі CCS811-LG_EK_ST.
Оціночний набір CCS811-LG_EK_ST включає в себе дві плати (рис. 8):
- ENS-USB-I2CIO - міст USB-I2C;
- ENS-CCS811-SB- плата датчиків.
Мал. 8. Зовнішній вигляд плат ENS-USB-I2CIO і ENS-CCS811-SB з оціночного набору CCS811-LG_EK_ST
На платі ENS-CCS811-SB крім датчика CCS811 розташований датчик температури і вологості ENS210. Ці сенсори використовують загальну шину I2C для зв'язку з мерії мікросхемою CP2112 (рис. 9). Використовуючи дані від ENS210, користувач завжди зможе компенсувати температурну похибку CCS811.
Мал. 9. Блок схема і підключення плат ENS-USB-I2CIO і ENS-CCS811-SB
Для роботи з оцінним набором CCS811-LG_EK_ST компанія ams пропонує спеціальну утиліту WINDASHBOARD, яка доступна для скачування з сайту виробника:
https://download.ams.com/ENVIRONMENTAL-SENSORS/WINDASHBOARD
На думку компанії ams датчики CCS811 знайдуть своє застосування не тільки в стаціонарних системах кондиціонування, але і в портативній електроніці (планшетах, смартфонах і т. Д.).
Характеристики датчиків якості повітря CCS811B-JOPR5K:
- діапазон вимірюваної концентрації CO2: 400 ... 8192 ppm;
- діапазон вимірюваних величин TVOC: 0 ... 1187 ppb;
- комунікаційний інтерфейс: 400 кГц I2C;
- період опитування: 0,25 / 1/10/60 с;
- споживана потужність (1,8 В): 0,034 мВт (Mode 0); 46 мВт (Mode 1 і 4); 7 мВт (Mode 2); 1,2 мВт (Mode 3);
- напруга живлення: 1,8 ... 3,3 В;
- діапазон робочих температур: -40 ... + 85 ° C;
- корпус: 10-вивідний LGA2,7 x 4,0 x 1,1 мм.
