硬體電路設計開發

本次實驗中原型機架構主要分為三個部分： Arduino UNO 及相 關模組與電源供應、訊號處理、氣體流動管線。

為了降低花費，原型機只使用到 SD 卡讀寫模組與 16*2 LCD 模組，分別為 SPI 傳輸介面與 I2C 傳輸介面，因為使用這樣的傳輸 介面所需要使用的腳位較少，選擇 Arduino UNO 開發版便足夠使用，

降低硬體所需花費。需要留意的是若不小心提供 SD 卡讀寫模組過 高的電壓，會造成記憶卡永久性的傷害。

圖2. 11 左：SD 卡讀寫模組、中：LCD 顯示模組、右：升降壓模組

電源供應的部分，除了 Arduino UNO 本身能夠供應 3.3/5 伏特 的電源之外，因為其他部分有的需要較大電流輸出或是較高電壓輸出 才能驅動，而且容易因為同時有其他訊號進出而造成瞬間的輸出擾動 造成訊號讀取受到影響，因此額外使用了一塊可供應 3.3/5 V 直流降

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的電源供應來啟動運算放大器，若使用恰為 Arduino 所能接受的±5V 電源供應的話，因為運算放大器本身無法實現理想放大，若選擇剛好 的電壓範圍，實際上無法真正輸出該電壓上限，以實際使用 ± 12 V 而言，真正能夠測量到的上限電壓僅有 10.5 V 左右。另外，繼電器 的切換則是直接由 Arduino UNO 的數位輸出腳位控制，由於啟動繼 電器也需要持續消耗功率，而之前也發現當多數模組以 Arduino UNO 供電時，在切換繼電器的時候會有明顯的訊號擾動造成假訊號 而可能造成停止運作，之後才會將所有非訊號控制的電源供應全部以 額外電源供應模組的方式來處理，以降低可能的訊號擾動來源。

圖2. 12 原型機架構設計圖

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圖 2. 13 原型機架構(LCD 顯示模組未入鏡)

圖2. 14 電源配置圖

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訊號處理電路部分是將原本在麵包版上設計的電路焊接到通用 版上，焊接完成之後，無法像麵包版一樣可以直接依傳感器狀態更換 電阻，所以在電路設計上設計預先準備不同大小的電阻，並以跳線方 式可以選擇適合的電阻大小進行訊號的放大。經過實際測試後證實使 用跳線方式可以快速調整放大倍率。

圖2. 15 訊號處理電路

原型機氣體管線部份則是以一個抽氣馬達為主，當馬達持續抽氣，

氣體會隨著管線流動，將傳感器放置在馬達前方，是為了避免抽氣馬 達內可能有特定材質的配件可能對氨氣造成吸附或是被污染而釋放 額外的氨氣造成實驗干擾，在傳感器之前則分別是除水材料管與除氨 材料管，透過三向電磁閥來選擇氣體會流經哪裡，而在最前端還有一 罐除水材料控制整體氣體的溼度。

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圖2. 16 原型機氣體管線設計圖

圖2. 17 原型機氣體管線實際照片

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圖2. 18 原型機外觀照片

圖2. 19 原型機內部結構照片

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