【应用】兼容USB 2.0全速接口的EFM8UB10 8位MCU在便携式USB型VOC检测仪中的应用

时间： 2019-08-27 来源：世强

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随着生活水平的提高，人们对日常生活及办公区域的空气质量也更加关注，除了温度、湿度、雾霾等空气质量指标，甲醛、VOC（挥发性有机物）等指标也成为人们关注空气质量的关键参数，对于甲醛、VOC等有害物质的检测。本文介绍一种使用USB接口供电用于检测VOC及温湿度的微型空气质量检测设备，该设备采用SILICON LABS的EFM8UB10系列芯片作为主控芯片，其主要由VOC传感器、温度传感器、酒精传感器（选配）、0.91寸的OLED显示屏、WiFi模组（选配）构成，使用具有USB接口的设备进行供电即可工作，其系统构成框图如下图1所示：

图1 USB接口微型空气质量检测仪系统构成框图

本微型空气质量检测仪定位为一款实用USB接口供电方式的小巧便携式的空气质量检测设备，因此USB接口是标配，另外其所选用0.91寸的OLED屏采用IIC接口方式（分辨率128*32），温度传感器也是IIC接口方式（型号Si7051，Silicon Labs公司出品）、VOC传感器也是IIC接口方式（型号CCS811，可得出eCO2参数），而选配的WiFi模组为UART接口方式，因此在选型主控芯片的时候需要能满足这些接口需求，另外该检测设备需要设计的比较小巧，因此各元器件在选型的时候也需要考虑其尺寸参数；

图2 CCS811型微型VOC传感器图3 0.91寸OLED显示屏

综合各传感器接口要求以及芯片尺寸参数，本设计中选用的是Silicon Labs的EFM8UB10F16G-B-QFN20型号芯片作为主控芯片，该系列MCU是一款小封装且带有 USB功能集的多用途8位微控制器，集成了创新的节能 USB 外围设备接口、充电器检测电路、8 kV ESD 保护和增强型高速通信接口，兼容USB2.0全速接口，是空间受限 USB 应用的理想选择。该芯片具有两组UART接口、一组I2C接口以及多个可耐受5V电压的IO接口，非常适合本设计使用。

图4 EFM8UB10 8位MCU功能框图

在设计中，将所有的IIC接口设备均连接在芯片的I2C0总线上（即I2C0_SCL、I2C0_SDA），然后将预留的WiFi模组连接在芯片的UART0接口上（即UART0_TX、UART0_RX），将芯片的USB接口按照标准USB2.0接口方式引出，这样就可以实现设备插到电脑USB接口的时候与电脑上配套的上位机软件进行通讯，将检测数据发送到电脑上位机上进行显示，可以改善本微型检测设备采用的小尺寸OLED显示屏同时显示内容较少的问题（显示屏每次显示一种检测数据，采用滚动轮回显示的方式完成所有数据显示），让用户可以通过电脑上位机实时直观的查看更多的显示数据；除此之外，在非连接电脑使用的场合，还可以通过设备上的WiFi模块将相关检测数据上传到云端，使得用户可以远程查看相关检测数据。

在设计电路时，根据选用的传感器以及其它功能模块的接口方式，将所有CCS811、0.91寸OLED屏、Si7051型温度传感器接到EFM8芯片的I2C接口上（这里串联一个100Ω的小阻值电阻用于吸收线路传输中的过冲），各器件与EFM8主控之间串联小阻值电阻，然后在靠近EFM8一端的I2C接口加上上拉电阻即可；同样的，对于USB-data传输线上也需要串联一个小阻值的电阻以保证传输线的阻抗（因板材及布线无法保证较好的阻抗设计及生产加工，这里根据以往设计经验串联22Ω的电阻，相比于无此电阻可以明显提升设备在连接电脑时的设备识别率），在预留的UART接口型WiFi模组与EFM8之间的的UART连接上也串联一个小阻值电阻对接口做一些保护措施；对于选配的酒精传感器，因该型传感器为模拟量输出方式，在本应用中对其精度要求不高，因此直接将传感器的转换输出接口（图中CCS803_AOUT）与EFM8的ADC功能引脚连接即可；在本设计中，EFM8采用USB接口提供的5V电压直接供电，其余的设备均通过AMS1117-3.3型LDO芯片将USB的5V电压转换为3.3V之后给相关的外围电路供电，这样可保证所有外围电路供电的稳定性。综上完成电路原理设计，其设计电路如下图5所示：

图5 USB接口微型空气质量检测仪电路原理图

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