基于EFM32TG840F16 MCU的室内甲醛检测仪设计

甲醛是一种重要的化工原料和有机溶剂，广泛使用于家庭装修的材料中。过量甲醛气体，将诱发疾病甚至致癌，直接危害着人们的身体健康和生命安全。本检测仪采用32 位超低功耗EFM32TG840F16 微处理器和高灵敏度甲醛传感器CH20/S-10，实现甲醛浓度的信号处理和采样，系统外接通讯接口及必要的扩展功能模块，构建智能化、多功能的检测系统。

1 系统硬件设计

甲醛检测仪硬件主要由单片机主控系统、甲醛传感器接口、液晶显示(LCD)、功能键盘、数据存储、打印和报警输出等功能模块构成。系统硬件结构框图(见图1)。

图1: 系统功能框图

该系统采用32 位EFM32TG840F16 单片机作为主控核心，内嵌16KB Flash 程序存储器和4KB RAM、多达160 段LCD 驱动器（最大8COM 驱动、支持动画、闪烁等各种特效）、8 通道/12 位 ADC（支持硬件过采样）、2 个USART(支持SPIUARTI2S)、1 个LEUART、1 个LESENSE(支持阻、感、容性信号检测)、3 个运放、硬件加解密AES、2 个12 位DAC 及大量的I/O 端口等，完全满足本甲醛检测仪的各项功能需求。该芯片主要特点是：低电压(1.85 ～ 3.8V)、低功耗( EM2 模式下仅有0.9uA)、 32 位指令、高性能（基于Cortex-M3 内核），具有极低的运行功耗、快速的唤醒时间、功能强大、高抗扰（未用引脚都是和MCU 内部断开的）、外设可以自主工作（主要得益于DMA 和PRS 外设反射系统）以及超节能（ADC:12bit，1Msps，仅需350uA；Analog Comparator：仅需100nA；LCD：本位功耗0.55uA；LEUART:9600 波特率下仅需150nA；AES:128/256bit 加/解密仅需54/75 个周期）、便于智能化和便携式等优点。而且齐全的配套开发工具比如开发板具有电流实时监控功能，可以定位代码位置，便于工程师及时优化代码以节能！

1.1 甲醛传感器接口模块

传感器接口模块由CH20/S-10 甲醛传感器、I/ V 转换器RCV420 等组成。甲醛传感器由甲醛探头和CH20 传感器构成。当室内甲醛气体被内部采样系统吸收后，产生与甲醛浓度成正比的电流值，由于单片机A/D 采样的是电压值，而被检测的是微量的电流值;因而需要将电流值放大并转换为相应的电压值。采用集成I/V 转换器RCV420，将电流值转换为对应的0 ～ 3.6V 电压， 送至 EFM32TG840F16 的A/D 转换接口ADC，实现对浓度信号的检测。单片机进行运算和处理，将处理结果及范围进行查表和分段线性化，完成传感器信号与浓度高低对应。系统中RCV420 具有精密运放和电阻网络功能，能将4 ～ 20mA 环路电流转换为 0 ～ 3.6V 电压, 在无外部调整的情况下，可用获得 86dB 的共模抑制比, 具有高性能及抗干扰能力。

1.2 数据存储与打印模块

在EFM32TG840F16 外扩展2KB 的E2PROM（也可用片内flash 模拟EEPROM），通过I2C 总线与EFM32TG840F16 数据口相连，用于存储采样来的甲醛浓度数据，以备打印机打印。打印机接口电路通过RS-232 串行口直接和微处理器相连，通过采用软件设定的方式打印出甲醛浓度值。

1.3 键盘与显示模块

系统外接键盘和LCD 显示设备，实现人机对话功能。键盘设置为3×3 阵列键盘，设有功能选择键、OK 键、报警确认及打印键，完成浓度显示、数据查询、打印及开关机功能。微处理器EFM32TG840F16 内含LCD 驱动电路，可驱动160 段的LCD，且超低功耗，特别适合便携式仪器仪表中使用。用户通过LCD 显示，读取检测浓度值、打印和设置相关功能等信息。

1.4 其它模块

本系统的供电电压为3V，采用两节电池供电，也可外接3V 直流电源。系统的时钟是外置晶振提供。为满足个性化需要，还增加蜂鸣器报警电路。

2 系统软件设计

在软件设计中采用模块化设计方法，使用嵌入式C 语言编写，在IAR 编译环境中进行。这不仅给程序的调试、修改提供很大方便，而且为今后功能的进一步扩展创造有利条件。

2.1 主程序设计

主程序是系统软件的核心，它通过调用各子程序便可实现系统功能。系统主程序结构框图(见图 2)。

图 2:主程序结构框图

系统上电后，进行初始化和中断处理操作，主要完成系统自检和复位。初始化完成后，开始采样浓度值，并判断是否有按键按下。如果有按键按下，则进行相应数据处理，并执行功能指令，然后在液晶显示屏上显示相应信息。如果没有按键按下，则显示当前实测浓度值，等待用户进行下一步操作，系统转入定时计时阶段。

2.2 低功耗中断子程序

为减小系统功耗，延长电池的使用时间，设计时考虑设备在较长时间段内处于待机状态时，应尽量降低功耗。系统设计低功耗中断子程序(见图3)

图3:低功耗中断子程序结构框图

这里采用一个定时器。当定时器大于0 时，系统处于开机状态