MSP430 MCUスマート・アナログ・コンボを用いたガスおよびPM2.5検出器の設計


 信じがたいことに20世紀の間ずっと、炭鉱の空気をモニタして有毒ガスを検知するのにカナリアが使われていました。炭鉱夫はカナリアを炭鉱に連れて行き、カナリアの鳴き声が途切れず続いているのを聞くことで、吸っても安全な空気かどうかを確認していました。ガスだけでなく、その意味では空気中のどの成分に対しても検知する機器はありませんでした。

有毒ガスや直径が2.5マイクロメートル以下の微小粒子状物質(PM2.5)は、吸い込むと人体に害を及ぼしますが、そのほとんどが目に見えず臭いもしないため、身を守るのは容易いことではありません。しかし、最新のテクノロジのおかげで、今では空気中の有毒物質を検知する、信頼性のある高精度のシステムが存在します。

ガス検出器は、電気化学セルを使って有毒ガスの有無を検知します。この電気化学セルは、セル全体にいきわたる電解液の中に漬けられた3つの電極で構成されます(図1)。有毒ガスがガス拡散バリアを通過すると、ガスは作用電極と反応して酸化される(電子を失う)か還元されます(電子を得る)。この反応で電解液を通して対電極と作用電極の間に電流が発生します。そのため電流の変化をモニタすることで有毒ガスが存在するかどうかを検知できます。参照電極は、作用電極が時間経過により劣化していないことを確認します。

 図1:電気化学セル

PM2.5検出器を設計する方法の1つに、光学的手法の利用があります。光源(LEDなど)から粒子に光を照射し、粒子により散乱または吸収された光の量を検出器(フォトダイオードなど)が検知します。フォトダイオードは検知された光の量に応じて電流を出力し、ガス検出器と同様に、電流の変化によりPM2.5の有無を表します。

ガス検出器およびPM2.5検出器に必要な設計は、センサの出力電流をマイコンが処理できるように電圧に変換する点で、非常に似通っています。図2は、フォトダイオードからの電流を、A/Dコンバータ(ADC)またはコンパレータでサンプリングするための電圧に変換する回路です。フォトダイオードの出力電流は、トランスインピーダンス・アンプに送り込まれ、電圧に変換されます。次に、この電圧が第2段階のオペアンプに送り込まれてゲインが得られるため、ADCが電圧を正しくサンプリングできます。これと同じ原理はガス検出器の電気化学セルにも当てはまります。

 図2:フォトダイオードのトランスインピーダンス・オペアンプ構成

煙感知器の設計に関する以前のブログ記事でも述べたように、ガス、PM2.5、煙といったさまざまな検知器の設計に『MSP430FR2355』のスマート・アナログ・コンボ(SAC)ペリフェラルは最適です。SACペリフェラルでは、(それぞれにプログラマブル・ゲインとD/Aコンバータ(DAC)を備えた)4つの内部オペアンプを、汎用モード、バッファ・モード、非反転ゲイン・アンプ(PGA)モード、反転PGAモード、DACモードといったさまざまなモードに設定できます。内部オペアンプ4つを利用できることで、BOMコストとプリント基板(PCB)の占有面積を削減できます。

図3に、PM2.5検知器を設計する場合の『MSP430FR2355』の構成方法を示します。1つ目のSACモジュールは、DACを用いたバイアス電圧でトランスインピーダンス・アンプを形成する汎用モードに設定されます。このモジュールはフォトダイオード電流を電圧に変換します。2つ目のSACモジュールは、信号にゲインを与えてからADCまたはコンパレータに供給する、反転増幅ステージに設定されます。この構成はガス検出器の電気化学セルにも応用できます。

 図3:SACモジュールを使用したフォトダイオード電流変換

MSP430FR2355』は低消費電力に最適化されているため、検出器設計の際に自信を持って長時間のバッテリー駆動を実現できます。

 参考情報(英語):

著者情報
Mitch Ridgeway
テキサス・インスツルメンツ・インコーポレーテッド
マイクロコントローラ事業部 アプリケーション・エンジニア

※2019年2月6日マイナビニュース掲載のテキサス・インスツルメンツ寄稿記事を転載
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