使用AVR DA微控制器的溫度接入點(diǎn)

描述

在大流行期間，人們被要求在任何當(dāng)?shù)厥袌?chǎng)或雜貨店進(jìn)行體溫檢查，這通常由另一個(gè)人完成。這對(duì)于人與人之間的互動(dòng)來(lái)說(shuō)可能是一種冒險(xiǎn)的做法。為了降低這種風(fēng)險(xiǎn)，我們開(kāi)發(fā)了一個(gè)溫度接入點(diǎn)，它可以自動(dòng)檢測(cè)人員并邀請(qǐng)他們檢查體溫，遠(yuǎn)程測(cè)量，然后將其顯示在高對(duì)比度（有機(jī)發(fā)光二極管）OLED 顯示屏上，無(wú)需任何人為干預(yù)。

發(fā)展

選擇AVR128DA48進(jìn)行開(kāi)發(fā)是因?yàn)榘遢d外設(shè)種類繁多且 I/O 引腳充足。AVR? DA 利用其板載 12 位 ADC 測(cè)量來(lái)自無(wú)源紅外 (PIR)傳感器的輸出以喚醒。

為了加快開(kāi)發(fā)速度，我們使用了 AVR128DA 的Curiosity Nano 評(píng)估板。Curiosity Nano 是一種低成本的開(kāi)發(fā)工具，可拆分設(shè)備上的 I/O，并包括一個(gè)專用的板載 USB 編程器。除了 Nano，還使用了Curiosity Nano 基板。該板可方便地訪問(wèn) 3 個(gè) MikroBUS? 串行接口，以便于連接開(kāi)發(fā)板。在此應(yīng)用中，使用了OLED C 顯示器、紅外溫度計(jì) (IrThermo)和被動(dòng)紅外 (PIR) click 。

為了檢測(cè)一個(gè)人何時(shí)進(jìn)入建筑物，需要一種非接觸式的感應(yīng)方式。此外，該系統(tǒng)將充當(dāng)大樓的看門(mén)人，拒絕發(fā)燒的人進(jìn)入。由于存在通過(guò)身體接觸傳播疾病的風(fēng)險(xiǎn)，機(jī)械開(kāi)關(guān)或磁簧開(kāi)關(guān)不適合此應(yīng)用。

相比之下， PIR 傳感器會(huì)生成一個(gè)低電平模擬信號(hào)，該信號(hào)與其視野中的物體溫度相關(guān)，如下所示。

PIR 傳感器對(duì)環(huán)境變化的響應(yīng)

?

其視野內(nèi)溫度總和的突然變化（例如有人進(jìn)入）會(huì)干擾傳感器，并導(dǎo)致輸出電平發(fā)生變化。PIR 傳感器板帶有一個(gè)模擬前端，可將輸出信號(hào)的比例增加到可以使用板載 12 位 ADC 可靠測(cè)量的水平。

為了減少與 PIR 傳感器變化相關(guān)的處理開(kāi)銷，ADC 的窗口比較器用于檢查 ADC 的值是否在設(shè)定值范圍之內(nèi)（或之外）。當(dāng)值超出正常范圍時(shí)，會(huì)觸發(fā)中斷，將設(shè)備從睡眠中喚醒以開(kāi)始處理。

雖然 PIR 傳感器確實(shí)會(huì)產(chǎn)生與其視野中的 IR 量相關(guān)的輸出，但它對(duì)于測(cè)量人的溫度來(lái)說(shuō)太不精確了。為了準(zhǔn)確測(cè)量人的溫度，使用了紅外溫度計(jì)點(diǎn)擊板。該板有一個(gè)數(shù)字高精度紅外溫度計(jì)，可通過(guò) I2C 或通過(guò) PWM 輸出進(jìn)行通信。在這個(gè)應(yīng)用程序中，使用了 I2C 通信。

一旦測(cè)量了人的體溫，屏幕上就會(huì)打印一條消息，指示該人的體溫以及是否允許進(jìn)入建筑物。可以將蜂鳴器連接到該板上以指示各種事件，例如門(mén)解鎖或訪問(wèn)被拒絕。蜂鳴器的音調(diào)因事件而異。如果門(mén)“解鎖”，Curiosity Nano 上的 LED 會(huì)亮起。

程序說(shuō)明

通常 AVR128DA 處于睡眠模式。PIR 傳感器在睡眠時(shí)由 ADC 連續(xù)采樣。當(dāng)采樣值超過(guò)設(shè)置的窗口閾值時(shí)，設(shè)備會(huì)從睡眠中喚醒。入睡后，紅外溫度計(jì)立即測(cè)量房間的環(huán)境溫度，然后測(cè)量傳感器前面的人（或物體）的溫度，并比較是否：

• 溫差太小——重復(fù)測(cè)量最多 TIMEOUT_MEAS 次。
• 溫差大于閾值，人不發(fā)燒。
• 溫差大于閾值，人發(fā)熱。

在溫差過(guò)小的情況下，系統(tǒng)最終會(huì)超時(shí)并返回睡眠，因?yàn)檫@是一個(gè)誤報(bào)。在另外兩種情況下，存在足夠的溫差來(lái)確定一個(gè)人正在尋求訪問(wèn)。IR溫度計(jì)用于測(cè)量他們的溫度REPEATED_MEAS次，記錄最大值。最大值用于確定是否應(yīng)允許某人進(jìn)入建筑物。對(duì)于不發(fā)燒的人，蜂鳴器響起，門(mén)“解鎖”。OLED 屏幕顯示他們的溫度和指示門(mén)已打開(kāi)的消息。對(duì)于發(fā)燒的人，蜂鳴器會(huì)發(fā)出不同的聲音，OLED 屏幕會(huì)顯示他們的體溫和“拒絕訪問(wèn)”的消息。

快速設(shè)置

作為安裝開(kāi)發(fā)工具的替代方法，存儲(chǔ)庫(kù)中的 .hex 文件可以像 USB 驅(qū)動(dòng)器一樣拖放到 Curiosity Nano 上。nano 將自動(dòng)對(duì) AVR DA 進(jìn)行編程和配置。如果使用此選項(xiàng)，只需執(zhí)行步驟 1 和 4。

第 1 步 - 硬件和固件設(shè)置

關(guān)閉電源后，將 3 個(gè)卡扣插入 Curiosity Nano 適配器，如下所示。將 AVR128DA48 Curiosity Nano 插入插座。如果您沒(méi)有下載固件，請(qǐng)下載固件并將其解壓縮 到您選擇的文件夾中。

第 2 步 - 軟件設(shè)置

通過(guò) MicroUSB 電纜將 Curiosity Nano 連接到您的開(kāi)發(fā)計(jì)算機(jī)，例如這個(gè)，然后啟動(dòng) MPLAB? X。轉(zhuǎn)到 File > Open Project 并導(dǎo)航到解壓縮的文件夾。雙擊文件夾將其打開(kāi)。如果左側(cè)欄中的項(xiàng)目名稱不是粗體，請(qǐng)?jiān)陧?xiàng)目右側(cè)并選擇“設(shè)置為主項(xiàng)目”。建議關(guān)閉其他當(dāng)前打開(kāi)的與項(xiàng)目無(wú)關(guān)的文件，以免混淆。

步驟 2A（可選）- 探索外設(shè)配置

單擊工具欄中的MPLAB 代碼配置器 (MCC)按鈕以啟動(dòng) MCC。MCC 將向您顯示設(shè)備上外圍設(shè)備的配置。

注意：如果此按鈕在 MPLAB 中不可見(jiàn)，則可能未安裝 MCC。要安裝，請(qǐng)轉(zhuǎn)至工具 > 插件 > 可用插件 > MPLAB 代碼配置器。安裝完成后，重新啟動(dòng) MPLAB。

第 3 步 - 對(duì)設(shè)備進(jìn)行編程

首先，構(gòu)建項(xiàng)目。您可以單擊構(gòu)建（按鈕 A）或構(gòu)建并清理（按鈕 B）。構(gòu)建和清理將刪除緩存的編譯器和鏈接器文件，這有時(shí)會(huì)導(dǎo)致構(gòu)建錯(cuò)誤。要對(duì)設(shè)備進(jìn)行編程，請(qǐng)單擊指向微控制器的箭頭（按鈕 C）。

工具欄圖標(biāo)

?

按下編程按鈕后，MPLAB 可能會(huì)要求選擇工具。為 AVR128DA 選擇 Curiosity Nano。在大多數(shù)情況下，首次使用 nano 進(jìn)行編程需要對(duì) nano 進(jìn)行固件更新，該固件將自動(dòng)安裝。編程后，程序自動(dòng)運(yùn)行。

注意：如果 Nano 固件更新過(guò)程中發(fā)生錯(cuò)誤，請(qǐng)從 PC 上拔下 nano 并重新啟動(dòng) MPLAB。重新連接 nano 并重復(fù)步驟 3。

注意：如果 nano 的選項(xiàng)顯示為灰色，則可能需要更新 DFP 文件。轉(zhuǎn)到工具 > 包并檢查 AVR-Dx_DFP 以查看它是否已安裝并且是最新的。此程序已使用 DFP 1.2.52 和 1.3.65 進(jìn)行了測(cè)試。

第 4 步 - 使用演示

編程后，演示應(yīng)立即生效。PIR click 產(chǎn)生與環(huán)境溫度相關(guān)的模擬電壓。如果該值超過(guò)閾值，則設(shè)備會(huì)收到中斷并從睡眠中喚醒。OLED 顯示屏打開(kāi)并提示用戶站在紅外溫度計(jì)前面點(diǎn)擊。如果溫度接近或等于環(huán)境溫度，系統(tǒng)會(huì)將其標(biāo)記為誤報(bào)并返回睡眠狀態(tài)。當(dāng)檢測(cè)到一個(gè)人時(shí)，IR 溫度計(jì)測(cè)量溫度 REPEATED_MEAS 次以找到最大值。如果最高溫度在正常溫度范圍內(nèi)，屏幕將打印“Door Opened”并發(fā)出蜂鳴聲。如果溫度升高，屏幕上會(huì)打印“拒絕訪問(wèn)”并發(fā)出不同的聲音。

修改和調(diào)整

項(xiàng)目中的“constants.h”文件包含程序中使用的常量。可以調(diào)整其中一些值，以便在溫度可能不同的不同環(huán)境中獲得更好的性能。下面的列表具有關(guān)鍵的可調(diào)常數(shù)：

· TEMP_GOOD（默認(rèn) 37.3）——設(shè)置允許進(jìn)入的最高溫度。

· TEMP_DIFF（默認(rèn) 3.4）——設(shè)置 IR Thermo 傳感器的閾值以確定是否有人在場(chǎng)。

· TEMP_HIGH (默認(rèn)42.0) – 設(shè)置紅外溫度計(jì)認(rèn)為有效的最高溫度。

· TEMP_LOW（默認(rèn)為 32.0）——設(shè)置紅外溫度計(jì)認(rèn)為有效的最低溫度。

· TIMEOUT_MEAS（默認(rèn)為 300）——設(shè)置在將事件視為錯(cuò)誤檢測(cè)之前要進(jìn)行的測(cè)量次數(shù)。

· REPEATED_MEAS（默認(rèn)為 100）——設(shè)置檢測(cè)到人時(shí)要進(jìn)行的測(cè)量次數(shù)。記錄最高值以進(jìn)行比較。

· ADC_LOW_THRSHOLD（默認(rèn)為 0x9）——設(shè)置 ADC 運(yùn)動(dòng)檢測(cè)窗口的低閾值。

· ADC_HIGH_THRESHOLD（默認(rèn)為 0xF3C）——設(shè)置 ADC 運(yùn)動(dòng)檢測(cè)窗口的高閾值。

?