Оцениваем качество воздуха с датчиком CCS811 от ams

В одной из предыдущих статей раздела Унитера мы уже рассказывали про датчики качества воздуха iAQ-core от ams. Данная статья будет посвящена еще одному датчику CCS811 от того же производителя. По сравнению с iAQ-core новые сенсоры CCS811 имеют расширенный диапазон измерений ЛОВ и CO₂, увеличенный диапазон рабочих температур, более гибкую систему потребления.

Рис. 1.	Оценка качества воздуха.

Окружающий нас воздух представляет собой смесь газов и состоит в основном из азота (около 78%) и кислорода (около 21%). Оставшийся процент приходится на долю различных примесей (инертные газы, углекислый газ, угарный газ, органические летучие вещества (ЛОВ) и т. д). Несмотря на то, что в процентном соотношении количества примесей мало, изменение их концентрации может оказаться очень неприятным и даже опасным для человека. Качество воздуха в офисных и бытовых помещениях чаще всего связывают с содержанием CO₂ и ЛОВ.

К органическим летучим веществам относятся более 5000 соединений. Образование большей части из них так или иначе связано с процессами жизнедеятельности человека. Например, при дыхании человек выделяет этанол, ацетон, изопрен и т. д., а при потении деканаль, нонаналь и т. д. Таким образом, даже простое присутствие человека в замкнутом помещении приводит к «загрязнению» воздуха и необходимости проветривания. Если этого не делать, то можно столкнуться с такими неприятными последствиями как головокружение, головная боль, слезливость и т. д. К сожалению, оценка концентрации ЛОВ в воздухе затруднена.

Раньше для оценки концентрации ЛОВ применяли датчики CO₂. При этом учитывался тот факт, что в нормальных условиях концентрации ЛОВ и CO₂ оказываются связанными. Зная процентное содержание CO₂, можно косвенно определить концентрацию ЛОВ. Если содержание углекислого газа в воздухе достигло некоторого предела – необходимо включать вентиляцию.

Доступность датчиков CO₂ привела к тому, что во всех стандартах, определяющих качество воздуха, именно концентрация углекислого газа является ключевым показателем. Тем не менее, у такого метода есть недостатки. Как показывает реальная жизнь, взаимосвязь между ЛОВ и CO₂ не всегда однозначна. Например, курение в помещении вызывает резкий скачок содержания ЛОВ, который датчики CO₂ попросту не видят, так концентрация углекислого газа при этом сильно не меняется (Рис. 2). Датчики углекислого газа также будут бессильны, если в помещении используется бытовая химия, чистящие средства, лакокрасочные материалы или обычная парфюмерия. Компания ams предлагает свое решение проблемы измерения концентрации ЛОВ в виде датчиков CCS811.

Рис. 2.	Датчики CO2 не всегда способны правильно оценить содержание ЛОВ.

CCS811 – малопотребляющий газовый датчик, выпускаемый в компактном 10-выводном LGA-корпусе размером 2.7 × 4.0 × 1.1 мм (Рис. 3). CCS811 позволяет измерять концентрацию ЛОВ в диапазоне 0…1187 ppb и концентрацию CO₂ в диапазоне 400…8192 ppm. Это удобно для систем вентиляции, которые теперь смогут учитывать содержание ЛОВ и автоматически проветривать помещение, например, когда в нем сильно накурено. С другой стороны, возможность измерения концентрации CO₂ позволяет учитывать требования стандартов к качеству воздуха, так как именно в них содержание углекислого газа является основным показателем.

Рис. 3.	Внешний вид датчиков качества воздуха CCS811 от ams.

Структурная схема CCS811 включает два основных блока: датчик MOX (Metal Oxide Semiconductor) и встроенный микроконтроллер (Рис. 4). Микроконтроллер обеспечивает опрос датчика, связь с внешним управляющим процессором по I²C и управление системой питания.

Рис. 4.	Внутренняя схема датчика CCS811.

Схема включения CCS811 оказывается достаточно простой. Она требует всего нескольких дополнительных подтягивающих резисторов и развязывающий конденсатор (Рис. 5). Для связи с внешним управляющим контроллером используется интерфейс I²C: линии SCL и SDA, а также линия адреса A0. Таким образом, на одной шине могут присутствовать сразу два датчика.

Рис. 5.	Типовая схема включения датчиков CCS811.

Отличительной чертой CCS811 является низкий уровень потребления, которого можно достичь за счет использования минимального рабочего напряжения питания 1.8 В, а также с помощью встроенных рабочих режимов с различным уровнем потребления:

• Mode 0. Idle: режим глубокого сна с потреблением всего 0.034 мВт;
• Mode 1: режим с проведением измерений раз в секунду со средним потреблением 46 мВт;
• Mode 2: режим с проведением измерений раз в 10 секунд со средним потреблением 7 мВт;
• Mode 3: режим с проведением измерений раз в 60 секунд со средним потреблением 1.2 мВт;
• Mode 4: режим с проведением измерений с периодом 250 мс со средним потреблением 46 мВт.

Режим Mode 3 необходим для самых экономичных приложений, в то время как Mode 4 подойдет для наиболее производительных систем, в которых управляющий процессор сам способен обрабатывать «сырые» данные и требует максимальной частоты выполнения измерений.

Выбирая тот или иной режим работы, можно менять уровень потребления в десятки раз. В дополнение к этому стоит отметить возможность общей оптимизации потребления всей системы: сигнал nWAKE позволяет внешнему контроллеру пробуждать датчик из режима сна, а сигнал nINT, наоборот, дает возможность датчику сообщать об окончании измерений контроллеру.

К сожалению, переключения между рабочими режимами имеют некоторые особенности. Например, если требуется перейти из более производительного режима в режим с меньшей частотой опроса (например, из Mode 1 в Mode 3), то вначале необходимо перевести CCS811 в Mode 0 (Idle), как минимум на 10 минут, и только потом переключиться на нужный режим. Обратный переход выполняется напрямую без циклов ожидания (например, из Mode 3 в Mode 1).

В CCS811 используется MOX-датчик (Metal Oxide), сопротивление которого зависит от концентрации ЛОВ. При полном отсутствии ЛОВ сопротивление минимально. С первого взгляда кажется, что принцип измерения достаточно прост – определяем сопротивление и вычисляем содержание ЛОВ. Однако, к сожалению, сопротивление MOX зависит не только от концентрации ЛОВ, но и от трех основных факторов:

• срока службы;
• длительности «разогрева» датчика;
• параметров среды: температуры и влажности.

Кроме того, сопротивление датчика меняется от прибора к прибору.

Чтобы устранить влияние погрешностей, реальное измеренное значение сопротивления делится встроенным контроллером на калибровочную величину Ra. При этом пользователю предлагается два механизма установки Ra: автоматическая калибровка базовой линии и ручная калибровка.

При использовании автоматической калибровки значение Ra автоматически изменяется и устанавливается в течение нескольких дней. По этой причине новый датчик имеет гигантскую начальную погрешность и должен отработать как минимум сутки до получения более-менее приличных результатов (Рис. 6).

Рис. 6.	Изменение показаний датчиков CCS811 в начале срока службы.

Пользователю также необходимо помнить, что каждый раз после включения датчик CCS811 должен «прогреваться». Время такого «прогрева» составляет более 30 минут, в течение которых погрешность оказывается недопустимо большой (Рис. 7). Эту особенность CCS811 крайне важно учитывать.

Рис. 7.	Начальный выход на режим датчиков CCS811 при включении питания.

Также необходимо учитывать влияние параметров среды, в частности влажности и температуры, на показания CCS811. Сделать это можно с помощью внешнего датчика влажности и температуры. Именно такое решение предлагается в оценочном наборе CCS811-LG_EK_ST.

Оценочный набор CCS811-LG_EK_ST включает в себя две платы (Рис. 8):

• ENS-USB-I2CIO – мост USB-I²C;
• ENS-CCS811-SB– плата датчиков.

Рис. 8.	Внешний вид плат ENS-USB-I2CIO и ENS-CCS811-SB из оценочного набора CCS811-LG_EK_ST.

На плате ENS-CCS811-SB кроме датчика CCS811 расположен датчик температуры и влажности ENS210. Эти сенсоры используют общую шину I²C для связи с мостовой микросхемой CP2112 (Рис. 9). Используя данные от ENS210, пользователь всегда сможет компенсировать температурную погрешность CCS811.

Рис. 9.	Блок схема и подключение плат ENS-USB-I2CIO и ENS-CCS811-SB.

Для работы с оценочным набором CCS811-LG_EK_ST компания ams предлагает специальную утилиту WINDASHBOARD, которая доступна для скачивания с сайта производителя

https://download.ams.com/ENVIRONMENTAL-SENSORS/WINDASHBOARD

По мнению компании ams датчики CCS811 найдут свое применение не только в стационарных системах кондиционирования, но и в портативной электронике (планшетах, смартфонах и т. д.).

Характеристики датчиков качества воздуха CCS811B-JOPR5K:

• диапазон измеряемой концентрации CO₂: 400…8192 ppm;
• диапазон измеряемых величин TVOC: 0…1187 ppb;
• коммуникационный интерфейс: 400 кГц I²C;
• период опроса: 0.25/ 1/10/ 60 с;
• потребляемая мощность (1.8 В): 0.034 мВт (Mode 0); 46 мВт (Mode 1 и 4); 7 мВт (Mode 2); 1.2 мВт (Mode 3);
• напряжение питания: 1.8…3.3 В;
• диапазон рабочих температур: -40…+85 °C;
• корпус: 10-выводной LGA 2.7 × 4.0 × 1.1 мм.

Посмотреть более подробно технические характеристики датчиков газа компании AMS AG