STM32五路气敏传感器阵列电路详解：从HHC1000分压到AD8606跟随器和ADC采样

一、前言

我这张STM32气敏传感器PCB使用五颗HHC1000封装气敏传感器，组成五路传感器阵列。

每一颗传感器都有两类接口：

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加热接口：
HEAT_IN / HEAT_OUT

检测接口：
3.3V / RS_OUT

五颗传感器的检测部分相互独立，分别输出五路电压；五个加热丝则并联在一起，由PA6控制。

整条信号链可以概括为：

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气敏传感器电阻Rs
    ↓
和100K负载电阻分压
    ↓
RS_OUT电压
    ↓
RC滤波
    ↓
AD8606电压跟随器
    ↓
STM32 ADC输入PA1~PA5
    ↓
ADC码值
    ↓
换算成电压、电阻和气体浓度

二、五路传感器阵列的整体连接

每一颗HHC1000的检测部分可以等效成一个随气体浓度变化的电阻Rs。

以第一路为例：

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3.3V
  |
  Rs
  |
RS_OUT ───── ADC前端
  |
 RL
  |
 GND

其中：

Rs：气敏传感器内部等效电阻；
RL：PCB上的负载电阻；
RS_OUT：分压输出电压；
3.3V：检测电极的激励电压。

当气体浓度变化时，Rs发生变化，RS_OUT电压也跟着变化。

所以STM32测到的其实不是"气体浓度"，而是：

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气敏电阻Rs和100K负载电阻RL的分压电压

然后通过软件反推出Rs，再根据传感器特性曲线换算浓度。

三、五颗传感器具体怎么接

我的PCB中，五颗传感器的检测端、负载电阻、AD8606和ADC通道对应关系如下：

通道	传感器检测输出	负载电阻	运放	STM32 ADC
CH1	PAD16	R22 100K	U9 AD8606	PA1 / ADC1_IN1
CH2	PAD20	R20 100K	U3 AD8606	PA2 / ADC1_IN2
CH3	PAD4	R15 100K	U2 AD8606	PA3 / ADC1_IN3
CH4	PAD8	R26 100K	U11 AD8606	PA4 / ADC1_IN4
CH5	PAD12	R24 100K	U10 AD8606	PA5 / ADC1_IN5

每个通道旁边还有一组并联预留焊位：

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R16、R21、R23、R25、R27

这些是和100K负载电阻并联的备用位置，实际只焊一个电阻即可。当前工程中主要焊的是：

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R15、R20、R22、R24、R26

也就是：

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每一路 RL = 100KΩ

四、检测电压的计算原理

每一路都是电阻分压电路：

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3.3V ── Rs ── RS_OUT ── RL ── GND

根据分压公式：

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V_RS_OUT = 3.3V × RL / (Rs + RL)

因为：

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RL = 100KΩ

所以：

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V_RS_OUT = 3.3V × 100K / (Rs + 100K)

由此可以反推出传感器电阻：

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Rs = RL × (3.3V - V_RS_OUT) / V_RS_OUT

例如：

Rs变大，RS_OUT电压降低；
Rs变小，RS_OUT电压升高；
如果Rs接近0Ω，RS_OUT接近3.3V；
如果Rs接近无穷大，RS_OUT接近0V。

实际气敏传感器的Rs通常在几十kΩ到几MΩ之间，所以RS_OUT一般处在几百mV到几V之间。

五、为什么每路都要加AD8606跟随器

传感器分压点RS_OUT的内阻大约等于：

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Rs // RL

这个内阻可能比较高，不能直接接到STM32的ADC。

原因是STM32的ADC采样时会有一个采样保持电容，瞬间从输入节点抽取电荷。如果信号源内阻太高，ADC测量会偏小、跳变或者不稳定。

所以每一路都加了一颗AD8606，接成电压跟随器：

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AD8606：
3脚 = +IN
2脚 = -IN
1脚 = OUT

连接方式：
1脚和2脚短接

也就是：

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RS_OUT → AD8606的+IN
AD8606的OUT → AD8606的-IN
AD8606的OUT → STM32 ADC

电压跟随器的作用是：

输入阻抗很高，几乎不从RS_OUT取电流；
输出阻抗很低，可以轻松驱动STM32 ADC；
输出电压约等于输入电压；
隔离传感器节点和ADC采样电路；
提高五路电压测量的稳定性和一致性。

AD8606使用：

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V+ = 3.3V
V- = GND

属于单电源、轨到轨输入输出运放，适合STM32的0~3.3V ADC范围。

六、每一路的完整信号链

以CH1为例：

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3.3V
  |
  Rs1
  |
PAD16 → RS_OUT1
  |
  R22 100K
  |
 GND

RS_OUT1
  |
  C23/C24对地滤波
  |
U9 AD8606 +IN
  |
U9 AD8606 OUT
  |
PA1 / ADC1_IN1

其他四路完全相同：

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CH2：PAD20 → R20 100K → U3 AD8606 → PA2
CH3：PAD4  → R15 100K → U2 AD8606 → PA3
CH4：PAD8  → R26 100K → U11 AD8606 → PA4
CH5：PAD12 → R24 100K → U10 AD8606 → PA5

因此，STM32采集到的是五路RS_OUT电压经过跟随器后的电压：

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Vadc1 ≈ V_RS_OUT1
Vadc2 ≈ V_RS_OUT2
Vadc3 ≈ V_RS_OUT3
Vadc4 ≈ V_RS_OUT4
Vadc5 ≈ V_RS_OUT5

七、RS_OUT处的RC滤波

每一路RS_OUT到GND都预留了电容位置：

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C19~C28

它们和：

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Rs // RL

一起构成一个低通滤波器，用来滤除高频噪声和加热PWM干扰。

等效关系：

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RS_OUT对地电阻 ≈ Rs // 100K

截止频率大约为：

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fc = 1 / (2πRC)

如果：

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R = 100KΩ
C = 10nF

则：

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fc ≈ 1 / (2π × 100K × 10nF)
   ≈ 159Hz

如果：

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C = 100nF

则：

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fc ≈ 15.9Hz

所以电容不能随便选：

电容越大，噪声越小，但响应越慢；
电容越小，响应越快，但抗干扰能力弱；
气敏传感器本身响应较慢，因此通常可以选10nF~100nF；
最终值要结合传感器响应速度、加热PWM干扰和ADC稳定性来选择。

注意：滤波电容应该接在RS_OUT和GND之间，不能接在运放输入和输出之间。接在输入输出之间会形成正反馈，容易导致运放自激振荡。

八、五路ADC与代码的对应关系

STM32F103C8T6的ADC是12位：

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ADC码值 = V入 / VDDA × 4095

如果VDDA约为3.3V：

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V入 = ADC码值 / 4095 × 3.3V

五路ADC通道对应：

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PA1 = ADC1_IN1
PA2 = ADC1_IN2
PA3 = ADC1_IN3
PA4 = ADC1_IN4
PA5 = ADC1_IN5

所以代码中ADC通道数组应写成：

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static const uint8_t ADC_CH[5] = {
    ADC_Channel_1,
    ADC_Channel_2,
    ADC_Channel_3,
    ADC_Channel_4,
    ADC_Channel_5
};

不能写成：

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PA0~PA4

因为PA0没有接传感器，接的是PA1~PA5。

九、从电压反推气敏电阻和浓度

1. 反推气敏电阻

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Rs = RL × (Vc - V_RS_OUT) / V_RS_OUT

其中：

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RL = 100KΩ
Vc = 3.3V
V_RS_OUT = 跟随器输出电压

例如测到：

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V_RS_OUT = 1.0V

则：

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Rs = 100K × (3.3 - 1.0) / 1.0
   = 230KΩ

2. 换算浓度

MOX类气敏传感器通常使用Rs/R0曲线：

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浓度 ppm ≈ a × (Rs / R0)^b

其中：

R0：洁净空气中的基准电阻；
a、b：传感器厂家给出的曲线拟合系数；
不同气体、不同传感器需要单独标定。

如果使用简单的线性标定，也可以写成：

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ppm = (V - V0) × K

但这只适合小范围近似，不能代表整个传感器量程。

十、五个加热丝的关系

五颗传感器的加热丝不是独立的，而是：

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五颗传感器HEAT_IN全部并在一起
五颗传感器HEAT_OUT全部并在一起

也就是：

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HEAT_IN ──┬── 加热丝1 ──┬── HEAT_OUT
          ├── 加热丝2 ──┤
          ├── 加热丝3 ──┤
          ├── 加热丝4 ──┤
          └── 加热丝5 ──┘

所以五个加热丝是并联关系。

这带来两个结果：

加热总电流是单颗加热丝的5倍左右；
如果其中一颗加热丝短路，会影响整个加热阵列。

加热阵列由PA6控制Q1，再控制公共的HEAT_IN：

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PA6 → Q1栅极
Q1 → HEAT_IN
HEAT_OUT → 电流采样/地

检测部分和加热部分是相互独立的：

加热丝负责把传感器加热到工作温度；
3.3V/RS_OUT负责测量气敏电阻；
两者不能混在一起。

十一、电路优点

这套五路传感器阵列电路有几个明显优点：

五路检测完全独立；
每一路都有独立的100K负载电阻，不会相互串扰；
每一路都有AD8606跟随器，适合高内阻传感器；
检测电极使用3.3V供电，和STM32 ADC参考电压一致，具有一定比例抵消作用；
五路输出分别接到PA1~PA5，方便用ADC1依次采集；
传感器分压结构简单，容易计算Rs；
每路都预留了滤波电容位置，方便后期调整噪声和响应速度。

十二、需要注意和改进的地方

1. 负载电阻要根据传感器量程选

每路RL当前是100K。

如果传感器在目标气体中的Rs范围大约为：

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10K ~ 1M

那么100K是一个比较居中、比较合理的选择。

但如果实际Rs经常低于10K，RS_OUT会接近3.3V，容易饱和；如果Rs经常高于1M，RS_OUT会接近0V，分辨率会下降。这时可以调整RL。

2. 未使用的运放通道不要悬空

AD8606是双运放，每颗只用了其中一个通道，另一个通道的5、6、7脚目前没有使用。

建议把未使用通道接成跟随器：

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+IN → GND或3.3V/2
OUT → -IN

不要把未使用运放输入悬空，否则可能自激、振荡或引入噪声。

3. 滤波电容要实测选择

C19~C28要根据实际噪声和响应速度选择：

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10nF ~ 100nF

如果加热PWM干扰明显，先用示波器观察RS_OUT，再决定电容值。

4. ADC采样要做平均和滤波

建议：

每路连续采样多次；
去掉最大值和最小值；
再做平均值；
使用VREFINT校准VDDA；
不要在加热PWM开关瞬间采样。

5. 浓度换算必须标定

STM32读到的是电压，不是ppm。

正确的流程是：

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ADC码值
→ 计算RS_OUT电压
→ 计算Rs
→ 结合R0和传感器曲线
→ 计算ppm

不同传感器、不同气体、不同温湿度都需要重新标定。

十三、总结

这张PCB的五路气敏传感器阵列可以概括为：

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五颗传感器
  ↓
每颗传感器检测电阻Rs
  ↓
Rs与100K负载电阻分压
  ↓
得到五路RS_OUT电压
  ↓
AD8606跟随器缓冲
  ↓
STM32 PA1~PA5 ADC采集
  ↓
计算Rs
  ↓
换算气体浓度

五路检测信号分别对应：

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CH1 → PA1
CH2 → PA2
CH3 → PA3
CH4 → PA4
CH5 → PA5

核心公式是：

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V_RS_OUT = 3.3V × 100K / (Rs + 100K)

Rs = 100K × (3.3V - V_RS_OUT) / V_RS_OUT

而五个加热丝则是并联在一起，由PA6通过MOSFET统一控制。

所以整个传感器阵列的本质就是：

五路独立的电阻分压测量 + 五路AD8606缓冲 + 五路STM32 ADC采集，加热部分则采用五路加热丝并联的公共加热结构。

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