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MSP430 MCU의 스마트 아날로그 콤보 기능을 사용한 가스 감지기 및 PM2.5 감지기 설계


Mitch Ridgeway

믿기 힘든 얘기일지 모르겠으나, 20세기까지도 광부들이 탄광 갱도에서 유독 가스를 감지하기 위해서 카나리아를 데리고 들어갔다. 카나리아가 계속해서 우는 것을 듣고서 공기가 호흡하기에 안전한 것으로 판단할 수 있었다. 가스 감지나 공기질 모니터링 용으로 어떠한 전자식 장비가 없었기 때문이다.

유독 가스와 입자 크기가 2.5mm 미만인 미세먼지(PM2.5)는 사람이 흡입했을 때 건강에 해롭다. 그런데 대부분의 유독 가스나 PM2.5는 무색무취해서 볼 수 없고 냄새를 맡을 수 없다. 그렇다면 이러한 유해 물질로부터 우리의 건강을 어떻게 지킬 것인가? 발전된 첨단 기술 덕분에 오늘날에는 공기 중의 유해 물질을 감지하기 위해서 훨씬 더 신뢰할 수 있고 정확한 시스템을 사용할 수 있게 되었다.

가스 감지기는 전기화학적 셀을 사용해서 유독 가스를 감지할 수 있다. 이러한 전기화학 셀은 전해액 안에 3개 전극이 담겨 있는 형태로 이루어졌다(그림 1). 유독 가스가 가스 확산 장벽을 침투하면 이 가스가 작업 전극과 상호작용해서 산화되거나(전자를 잃음) 환원된다(전자를 얻음). 이러한 상호작용에 의해서 전해액 속에서 상대 전극과 작업 전극 사이에 전류가 형성된다. 이 전류 변화를 모니터링해서 유독 가스가 존재하는지 감지할 수 있다. 레퍼런스 전극은 작업 전극이 시간이 경과하면서 성능이 저하되지 않는지 확인할 수 있다.



그림 1: 전기화학 셀

PM2.5 감지기는 여러 가지 방식으로 설계할 수 있는데, 그 중의 하나가 광학적 기법을 사용하는 것이다. 광원(LED 등)을 사용해서 입자로 빛을 쏘고 검출기(포토다이오드 등)를 사용해서 입자에 의해서 산란되거나 흡수된 빛의 양을 검출한다. 검출된 빛의 양에 따라서 포토다이오드가 전류를 출력한다. 가스 감지기와 마찬가지로 이 전류 변화로써 PM2.5가 존재한다는 것을 감지할 수 있다.

가스 감지기와 PM2.5 감지기는 설계가 거의 비슷하다. 센서의 전류 출력을 마이크로컨트롤러가 처리할 수 있게 전압으로 변환한다. 그림 2는 포토다이오드로부터 전류를 아날로그-디지털 컨버터(ADC)나 비교기가 샘플링할 수 있도록 전압으로 변환하는 것을 보여준다. 포토다이오드의 출력 전류를 트랜스임피던스 증폭기로 전달해서 전압으로 변환한다. 그 다음에는 이 전압을 이차 연산 증폭기로 전달해서 ADC가 이 전압을 적절히 샘플링할 수 있도록 이득을 제공한다. 이러한 변환 과정은 가스 감지기의 전기화학 셀도 마찬가지다.


그림 2: 포토다이오드 트랜스임피던스 연산 증폭기 구성

연기 감지기 설계에 관한 이전 글에서도 언급했듯이, MSP430FR2355의 스마트 아날로그 콤보(SAC) 기능은 다양한 종류의 가스, PM2.5, 연기 감지기를 설계하기 위해서 매우 유용하다. SAC 기능을 사용해서 최대 4개 내부적 연산 증폭기(각기 이득을 조절할 수 있으며 DAC 포함)를 범용 모드, 버퍼 모드, 비반전 PGA 모드, 반전 PGA 모드, DAC 모드를 비롯한 다양한 모드로 구성할 수 있다. 4개 내부적 연산 증폭기를 사용할 수 있으므로 BOM 비용을 낮추고 PCB 공간을 절약할 수 있다.

그림 3은 MSP430FR2355를 PM2.5 감지기 용으로 구성한 것을 보여준다. 첫 번째 SAC 모듈은 바이어스 전압을 위한 DAC와 함께 범용 모드로 구성되어서 트랜스임피던스 증폭기를 형성한다. 이 증폭기는 포토다이오드 전류를 전압으로 변환한다. 두 번째 SAC 모듈은 반전 증폭 스테이지로 구성되어서 신호로 이득을 제공하고 이것을 ADC나 비교기로 전달한다. 이러한 구성은 가스 감지기의 전기화학 셀도 마찬가지다.



그림 3: SAC 모듈을 사용한 포토다이오드 전류 변환

MSP430FR2355는 저전력 용으로 최적화되었으므로 감지기 디자인으로 배터리 수명을 연장할 수 있다.

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