基于AVR64DD32的温度监测报警设计

内容介绍

非常感谢硬禾学堂与Digikey联合举办的第四期Funpack活动。

我参加本次活动选择的题目是：任务1 - 开放题

自行搭配已有传感器，配合AVR64DD32 Curiosity Nano核心板的至少两个片内外设，完成任务，任务难度不低于以上任务。例如：搭配温度传感器和蜂鸣器，实现温度监控，当超过一定温度时报警。

本次活动中使用到的两个片上外设：ADC和UART。考虑到题目要求至少两个片上外设，因此本设计使用片上ADC来采集温度传感器数据，然后使用另外一个片上外设UART来传输温度数据到上位机电脑上。

Ft-5n5Uw8JxR_WB-zLdmKe7lUI3X

一、主控芯片：AVR64DD32简介

本次设计使用的板卡是AVR64DD32 Curiosity Nano开发板，板载了一个功能非常完善的8位单片机，并且外设资源也是非常丰富。

AVR64DD32微控制器
一个黄色用户LED
一个机械式用户开关
一个32.768kHz晶体
一个24MHz晶体
板载调试器：
- 一个绿色电源及状态指示LED
- 编程和调试
- 虚拟串行端口 (CDC)
- 两个调试GPIO通道 (DGI GPIO)

USB供电
可调目标电压：
- MIC5353 LDO稳压器，由板载调试器控制
- 输出电压范围：1.8V至5.1V（受USB输入电压限制）
- 最大输出电流：500mA（受环境温度和输出电压限制）

板卡Pinout：

FqyV-R9BkxtrOYeGx3Q1VhfEALKs

本次设计主要实现的功能是任务3：通过ADC采集温度传感器输出的模拟温度信号，如果温度超过预设值，通过板载LED0进行报警，与此同时，报警信息会通过UART模块进行上位机通知。下面介绍一个具体的实现：

二、温度传感器TMP235介绍

这款优秀的温度传感器来自知名的Adafruit，参考资料为：https://media.digikey.com/pdf/Data%20Sheets/Adafruit%20PDFs/4686_Web.pdf

FiZte6eF6_3X9cqCzN7ma0K7bUs_

这款温度传感器有三个引脚，分别是GND, VCC和模拟温度信号。其中，模块可以3v-5v供电，在外界温度为-50°C时，模拟温度信号的输出为0v；在外界温度为125°C时，模拟温度信号的输出为1.75v

此外，手册还提供了一个通过电压计算温度的公式： Temp °C = 100*(reading in V) - 50。因此，接下来通过ADC获取温度值后，可以方便的进行温度监测等后续功能开发。

三、片上模数转换器ADC配置

ADC的配置参考了Microchip官方提供的ADC例程，链接为：https://github.com/microchip-pic-avr-examples/avr64dd32-getting-started-with-adc-mplabx-mcc。

由于温度传感器的输出电压范围在0v ~ 1.75v，因此将ADC的参考电压设置为2.048v可以满足要求。

在MCC图形化配置工具中打开VREF模块的配置界面，在Hardware Settings-> ADC Reference Source，以及ADC Reference Voltage选择内部2.048v电压源即可满足要求。

FkN4R4oCWPP5jf3_wL4x13IYwsP3

下面是VREF模块通过自动代码生成工具生成的配置代码：

int8_t VREF_Initialize(void)
{
    // ALWAYSON disabled; REFSEL Internal 1.024V reference; 
    VREF.ACREF = 0x0;
    
    // ALWAYSON disabled; REFSEL Internal 2.048V reference; 
    VREF.ADC0REF = 0x1;
    
    // ALWAYSON disabled; REFSEL Internal 1.024V reference; 
    VREF.DAC0REF = 0x0;
    
	return 0;
}

接下来需要配置ADC的具体参数：

配置ADC为连续转换模式： Free Running Mode
ADC转换结果为10bit: Resolution Selection选择10-bit
时钟源外设时钟的1/4。

根据上述的设计要求，先使用MCC进行图形化配置:

Fq9pzCj4Nn04CazQKKpWMcLSade7

然后自动生成配置代码，代码如下：

int8_t ADC0_Initialize(void)
{
     
    // SAMPNUM No accumulation; 
    ADC0.CTRLB = 0x0;
    // PRESC CLK_PER divided by 4; 
    ADC0.CTRLC = 0x1;
    // INITDLY DLY0; SAMPDLY DLY0; 
    ADC0.CTRLD = 0x0;
    // WINCM No Window Comparison; 
    ADC0.CTRLE = 0x0;
    // DBGRUN disabled; 
    ADC0.DBGCTRL = 0x0;
    // STARTEI disabled; 
    ADC0.EVCTRL = 0x0;
    // RESRDY disabled; WCMP disabled; 
    ADC0.INTCTRL = 0x0;
    // MUXPOS ADC input pin 18; 
    ADC0.MUXPOS = 0x12;
    // MUXNEG ADC input pin 1; 
    ADC0.MUXNEG = 0x1;
    // SAMPLEN 0; 
    ADC0.SAMPCTRL = 0x0;
    // Window comparator high threshold 
    ADC0.WINHT = 0x3FF;
    // Window comparator low threshold 
    ADC0.WINLT = 0x0;
    // ENABLE enabled; FREERUN enabled; RESSEL 10-bit mode; RUNSTBY disabled; CONVMODE disabled; LEFTADJ disabled; 
    ADC0.CTRLA = 0x7;
    return 0;
}

之后在主程序中调用如下接口即可获取ADC值：

adcVal = ADC0_GetConversion(ADC_MUXPOS_AIN18_gc);  
TempDegree = adcVal/5 - 50;

四、UART配置

板载Debugger的CDC TX，RX分别与AVR64DD32的PD5与PD4相连接。用户可以依照这个连接，在MCC图形化配置工具中把相关PIN分别设置为UART RX与TX，然后点击Generate即可生成UART模块的配置代码。

FvioPbdMEIJTowm392-etYHIF2Tx

在MCC中的配置如下图所示。请勾选“Redirect Printf to UART”，这样生成的代码就支持直接在程序中通过Printf函数向串口工具打印调试信息，非常方便调试。

FjsFmGWYMbxbTyKuxuntHpSDgezy

下图是最终的效果展示截图：

当温度超过20度的时候，通过ADC模块采集到的模拟温度值会通过UART模块发送至上位机，从而实现温度报警。
当温度没有超过20度的时候，串口会打印出当前的温度以及所对应的ADC raw value.

FgB7J6ItKBek2kQYVdEq1IUMrM1t FqgN1AmNUfU3ci3P5ImgfIiBlA60

FkZdkR--P-ZYZpyHf0Y5V6BmzI8s

五、总结

这次参加Funpack活动体验的AVR64DD32虽然是一个8 bit单片机，但是MCC图形化配置界面，方便使用的各种外设模块都使得这款单片机更加易用，自动化代码生成大大节约了项目开发的时间，也保证了代码质量。

本项目的遗憾是没有进行相关屏幕的扩展，如果能够把温度或者报警信息动态的展示在OLED屏幕上，应该会更加的直观，也可以使用一个开源的GUI库，在温度超过警戒值后，亮灭亮灭一个警报图形。

这次任务的完成也是在技术交流群里得到了不少朋友的帮助，在此表示非常感谢！希望Funpack活动能够越办越好！