3. 系統設計

　　3.1. 硬件說明

　　使用HY16F184內建ADC搭配CCS801 CMOS Sensor做Gas Sensor應用電路。 HY16F184的ADC通道模擬腳位會使用到AIO0/AIO1/AIO2/AIO3。 AIO0與AIO3主要負責做流經過RH電阻的RH_Current電流變化量測量，AIO1與AIO2負責做RS電阻的電壓變化量測量，因為RS電阻本身為高阻抗(100k~2M奧姆)，而ADC的輸入阻抗大約只有200k奧姆, 所以在AIO2的輸入腳位部份會先經過HY16F184內建R2ROP做一個Unit Gain buffer輸出，再由OPOI輸出到ADC當作輸入參考引腳，這樣可以避免量測訊號時負載效應的產生，詳細關于AIO1與AIO2的通道設置，可以參考下圖5。完整硬件線路圖可以參考下圖6。

　　圖5 HY16F184 ADC通道設置AIO2與AIO1

　　圖6 HY16F184 Gas Sensor硬件線路連接圖(TOP)

　　圖7 HY16F184 Gas Sensor硬件線路連接圖(Bottom)

　　主要組件介紹

　　(1)HY16F184 : 數據處理與運算核心，主要負責執行PWM輸出與運算CCS801 Gas Sensor的PPM, RS, RH_Current數據，并且透過I2C通訊做數據輸出。

　　(2)ADC：HY16F184內建之模擬數字轉換器，能夠精確的將Gas sensor上的RS與RH_Current訊號，做模擬數字電壓訊號轉換。

　　(3)CCS801 Gas Sensor :氣體傳感器，負責偵測環境中氣體變化量，內部的RS電阻值會隨著氣體中可燃性氣體濃度的不同而產生變化量。

　　(4)NX2301 PMOS : 在此主要當作開關使用，由HY16F184的PWM來做開關控制使用。開啟時候可對Heater做加熱動作，關閉時候沒有電流經過不做加熱動作。

　　3.2. 軟件說明

　　程序流程圖 :

　　圖8 Gas Sensor程序流程圖

　　4. 數據規格與總結

　　4.1. 耗電流測量

　　在CPU頻率設定為2MHz與工作電壓VDD=3V, VDDA=2.4V, 使用PWM做PMOS開關控制. PWM On的輸出持續時間是100ms，此時為CCS801的加熱時間，之后PWM Off的時間為持續400ms，以500ms為一個控制周期不斷的循環控制PMOS，在此情況下所測得到的耗電流約0.89mA。

　　4.2. ADC Raw Data與I2C通訊格式說明

　　I2C Slave Address:0x20

　　I2C Command:0x80

　　S+Addr+0x80+rS+(Addr+1)+CH1Data_L+CH1Data_M+CH1Data_H+CH2Data_L+CH2Data_M+CH2Data_H+CH3Data_L+CH3Data_M+CH3Data_H+CH4Data_L+CH4Data_M+CH4Data_H+P

　　S: Star; Addr: Slave address; rS: repeat start; P: stop.

　　CH1: RS 的ADC RawData經過ccsmox_set_data_iaq計算后所得PPM

　　CH2: RS端的ADC RawData

　　CH3: RH_Current端的ADC RawData

　　CH4: NC

　　L: ADC Low byte; M: ADC Middle byte; H: ADC High byte;

　　每個信道數據(Chx)共8*3=24bit

　　Bit0，統一為旗標，Bit0=0b，代表為舊資料; Bit0=1b，代表為新資料;

　　使用者應該在Bit0=1b時，取得數據才有效.

　　Bit23，統一為Sign bit，

　　Bit23=0b，代表正數; Bit23=1b， 代表負數

　　4.3. ADC Raw Data數據顯示界面介紹

　　掃描Gas Sensor所輸出的ADC Raw Data可透過I2C接口來做數據的傳輸與讀取，搭配纮康設計的I2C轉USB的網橋配合PC端的GUI，可以做為實時的ADC Raw Data數據顯示。詳細數據畫面顯示GUI操作說明，可以參考如下 :

　　1.Connect : USB連接狀態，如果有正常連接會顯示 Connect，如果連接不正常，會顯示control board connect fail

　　2.I2C Slave addr: 預設為0x20.

　　3.Chart: 顯示四個信道的Gas sensor掃描數據。

　　4.Scan: 開始讀取四個信道的Gas sensor掃描數據。

　　5.Save: 存取四個信道的Gas sensor掃描數據。

　　圖9 HY16F184 Gas Sensor與USB轉I2C Board硬件接線圖

　　圖10 ADC Raw Data數據顯示界面

　　連上GUI觀察CH1~CH3的數據顯示畫面如下圖，因為PWM On與PWM Off的周期為500ms， 所以換算頻率約每2秒在GUI畫面做一次數據的更新。CH1的數據為氣體濃度PPM，當Gas Sensor沒有偵測到任何的可燃性氣體時候，可以看到都為平穩數值不會跳動，CH2的數據為RS，一開始的ADC Raw Data會呈現平穩的上升，CH3則為RH_Current數據，一開始的ADC Raw data會呈現平穩的下降。

　　圖11 Gas Sensor無偵測到任何可燃性氣體時候的ADC Raw Data變化量

　　當有揮發性有機化合物接近Gas Sensor時候，在此是拿奇異筆接近Gas Sesnor，可以看到CH1的PPM數據會透過算法算出變化量，同時CH2的RS ADC Raw data會呈現明顯下降狀態，CH3的RH_Current ADC Raw data也會呈現明顯下降狀態，在奇異筆離開Gas Sensor之后才會慢慢回復平穩狀態。

　　圖12 Gas Sensor偵測到可燃性氣體時候的ADC Raw Data變化量

　　4.4. 總結

　　在本文中，提供了完整的Gas Sensor相關應用與開發工具供使用者參考，用戶可以依據三個通道PPM, RS, RH_Current的ADC Raw Data變化量，來做后續功能設計與開發。

　　5. 參考文獻

　　[1] http://www.hycontek.com/attachments/MSP/DS-HY16F188_TC.pdf, 纮康科技HY16F188 Datasheet.

　　[2] http://www.hycontek.com/attachments/MSP/UG-HY16F188_TC.pdf, 纮康科技HY16F188 User Guide.

　　[3] http://www.ccmoss.com/products/ccs801, CCS801 CMOS Sensor Website.