【用18B20温度控制板介绍华大HC32F030单片机 （三）——器件原理介绍】

HC32F030系列单片机属于华大半导体公司“通用控制”产品系列的产品，便宜、小巧性能够用，备件易得性好，在国产器件风靡行业的今天，学习华大系列单片机是入门嵌入式行业的首选。

方案落实第一步：搞出电路图

下图是这次项目的电路板图纸，全部元件都在上面了，接下来笔者将分别介绍各个电路单元的功能。

两种温度传感器并存——NTC热敏电阻和18B20

NTC热敏电阻

NTC热敏电阻一种半导体材料，先了解下NTC热敏电阻的几个关键参数

项目	参数
阻值（25℃）	10kΩ
B值(25℃/50℃)	3950K
工作温度	-55℃~+125℃
最大稳态电流(25℃)	440uA

第一，NTC热敏电阻，即 Negative Temperature Coefficient thermistor，其阻值随着温度升高而降低，还有一种PTC热敏电阻，即Positive Temperature Coefficient thermistor，正温度系数的热敏电阻，其阻值随温度升高也升高；

第二，工作温度，-55℃~+125℃，这说明了可以测量的温度范围；

第三，B值的含义，即热敏常数，它表示阻值随温度变化的速度程度，B值越大，阻值随温度升高降低得越快；B值通常是在两个温度之间通过公式得出的，表中的B值是在25℃和50℃之间得出的。理论上，有了公式，可以算出热敏电阻在不同温度时的阻值，但是这只限于在25℃和50℃之间，在其他温度范围上就不准确了，因为热敏电阻的阻值和温度对应关系不是线性关系；

第四，最大稳态电流，在25℃下不要超过440uA，因为电阻要流过电流才能得到压降，其本身也要消耗功率，但是消耗功率太大就会影响精度，这也是阻值-温度呈非线性的原因。

这里要说明的是，热敏电阻作为一种半导体元件有很多技术参数供工程师们参考，为何这里只列四个？这里要重新对一下我们这个项目对温度的需求了：

1、温度是启停智能风扇的信号，这个温度在40℃左右较为合理，因为多媒体盒的工作场所不是恶劣的室外，而是稳定的家庭室内；

2、温度属于缓慢变化的模拟量，除非在锻造、淬火这种领域外，风扇控制类的设备对温度变化速度的响应可以不做特别高要求，所以大部分型号的热敏电阻的B值都可以接受；

3、我们这个项目可以让用户设定温度值，我们可以现在暂定三个温度值：30℃、40℃、50℃，这本身足够了，并且由于只设计了一个按钮，如果设置太多温度操作起来也不方便。我们只要保证这三个温度值下的电阻值稳定就行，措施如下：

①保证工作电流低于0.4mA，避免工作电流过大其自身要消耗功率。和它串联的电阻暂定1kΩ；

②规范焊接，焊接时间不要超过5s；
③ADC精度选最高位，并借助用18B20的温度值作为热敏电阻的采样参考值，18B20属于集成电路，按照数据手册正确使用即可得到相对精准的温度值，正所谓“清水煮杂面，你（18B20）吃我（热敏电阻）也见”

本项目热敏电阻的型号是：SDNT2012X103F3950FTF点击链接查看数据手册。

18B20

选用18B20传感器，是小型温控项目性价比很高的方案。
从商品角度说，市场上货量大，生产厂家多，虽然型号不同，但是基本能各个厂家平替；

功能上：测温范围在-55℃到125℃之间，能应对很多测温需求，用在零下或者高于50℃的场合，用金属壳封装带引线的型号，这种市面上也好买；

使用上，18B20属于单总线器件，一根线既作为控制输入，又做数据或者信号输出，外围电路简单（仅仅需要电源端加一个退耦电容，以及数据线上增加一个上拉电阻）；
不足之处，其封装除了金属壳引线形式的，还有SO-8和TO-92，没见到有更小的封装的；并且价格在2-3元，不是十分便宜；


因为很多厂家都生产18B20，因此，如果你是初学单片机的入门工程师，各个厂家的数据手册是了解18B20的第一手资料，有的手册事无巨细，有的干净简洁，多多浏览能从不同的角度全面掌握这个芯片。

笔者在官方手册里挑选几个值得关注的信息：

1、在-10℃~70℃范围内精确度为±0.4°C，意思是如果真实温度是25℃，芯片读出来可能是在24.6℃到25.4℃之间的数据，实际这是该芯片的误差范围；

2、温度传感器的精度最高可以到9、10、11或12位，温度分辨率分别0.5℃、0.25℃、0.125℃和0.0625℃，意思是最高可以做到0.0625℃的最小步进，但是这和上面的误差±0.4℃没有关系。芯片在上电状态下默认的精度为12位，实际使用中，我们看到小数点后1位足够了。再者，位数越高，转换一次的时间越长，设置为12位分辨率下转换时间最长400ms，在程序中注意给转换留足时间；

3、18B20的数据引脚，也就是单总线引脚，是开漏形式的，必须要保证芯片不传输数据时保持高电平，所以必须在该引脚增加一个上拉电阻；

4、操作基本内容：

① 因为是一根线，作为主机的I/O端口要经常变化输入或输出的状态；

② 芯片上电默认是12位分辨率，没有必要改成其他分辨率，得到的数据乘以0.0625就是温度值；

③ 将以上步骤封装成库函数，在主程序里只调用读取数据的函数，并且读取数据的最小间隔1s，因为12位分辨率的最长转换时间是400ms

RESET 复位脉冲

//复位DS18B20
void DS18B20_Rst(void)
{

    stc_gpio_cfg_t stcGpioCfg;

    ///< 打开GPIO外设时钟门控
    Sysctrl_SetPeripheralGate(SysctrlPeripheralGpio, TRUE);

    ///< 端口方向配置->输出(其它参数与以上（输入）配置参数一致)
    stcGpioCfg.enDir = GpioDirOut;
    ///< 端口上下拉配置->下拉
    stcGpioCfg.enPu = GpioPuDisable;
    stcGpioCfg.enPd = GpioPdEnable;

    ///关闭18B20总线端口
    Gpio_ClrIO(TEMP_PORT, TEMP_PIN);

    ///初始化18B20总线端口
    Gpio_Init(TEMP_PORT, TEMP_PIN, &stcGpioCfg);

    Gpio_ClrIO(TEMP_PORT, TEMP_PIN); //DS18B20_DQ_OUT_Clr
    delay10us(75ul);
    Gpio_SetIO(TEMP_PORT, TEMP_PIN); //DS18B20_DQ_OUT_Set
    delay10us(2ul);
}

Presence 芯片返回存在脉冲

//等待DS18B20的回应
//返回1:未检测到DS18B20的存在
//返回0:存在
uint8_t DS18B20_Check(void)
{
    uint8_t retry = 0;

    stc_gpio_cfg_t stcGpioCfg;

    ///< 打开GPIO外设时钟门控
    Sysctrl_SetPeripheralGate(SysctrlPeripheralGpio, TRUE);
    ///< 端口方向配置->输入
    stcGpioCfg.enDir = GpioDirIn;
    ///< 端口驱动能力配置->高驱动能力
    stcGpioCfg.enDrv = GpioDrvL;
    ///< 端口上下拉配置->无
    stcGpioCfg.enPu = GpioPuDisable;
    stcGpioCfg.enPd = GpioPdDisable;
    ///< 端口开漏输出配置->开漏输出关闭
    stcGpioCfg.enOD = GpioOdDisable;
    ///< 端口输入/输出值寄存器总线控制模式配置->AHB
    stcGpioCfg.enCtrlMode = GpioAHB;
    ///初始化18B20总线端口
    Gpio_Init(TEMP_PORT, TEMP_PIN, &stcGpioCfg);


    while (Gpio_GetInputIO(TEMP_PORT, TEMP_PIN) && retry < 200)
    {
        retry++;
        delay10us(1ul);
    };
    if(retry >= 200)return 1;
    else retry = 0;
    while (!Gpio_GetInputIO(TEMP_PORT, TEMP_PIN) && retry < 240)
    {
        retry++;
        delay10us(1ul);
    };
    if(retry >= 240)return 1;
    return 0;
}

CCh 跳过ROM指令

DS18B20_Write_Byte(0xcc);

温度转换指令

DS18B20_Write_Byte(0x44);// convert
}

写一个字节到芯片

//写一个字节到DS18B20
//dat：要写入的字节
void DS18B20_Write_Byte(uint8_t dat)
{
    uint8_t j;
    uint8_t testb;
    stc_gpio_cfg_t stcGpioCfg;

    ///< 打开GPIO外设时钟门控
    Sysctrl_SetPeripheralGate(SysctrlPeripheralGpio, TRUE);
    ///< 端口方向配置->输出(其它参数与以上（输入）配置参数一致)
    stcGpioCfg.enDir = GpioDirOut;
    ///< 端口上下拉配置->下拉
    stcGpioCfg.enPu = GpioPuDisable;
    stcGpioCfg.enPd = GpioPdEnable;
    ///关闭18B20总线端口
    Gpio_ClrIO(TEMP_PORT, TEMP_PIN);
    ///初始化18B20总线端口
    Gpio_Init(TEMP_PORT, TEMP_PIN, &stcGpioCfg);

    for (j = 1; j <= 8; j++)
    {
        testb = dat & 0x01;
        dat = dat >> 1;
        if (testb)
        {
            Gpio_ClrIO(TEMP_PORT, TEMP_PIN); //DS18B20_DQ_OUT_Clr
            delay10us(1ul);
            Gpio_SetIO(TEMP_PORT, TEMP_PIN); //DS18B20_DQ_OUT_Set
            delay10us(6ul);
        }
        else
        {
            Gpio_ClrIO(TEMP_PORT, TEMP_PIN); //DS18B20_DQ_OUT_Clr
            delay10us(6ul);
            Gpio_SetIO(TEMP_PORT, TEMP_PIN); //DS18B20_DQ_OUT_Set
            delay10us(1ul);
        }
    }
}

从芯片读取一个字节

//从DS18B20读取一个字节
//返回值：读到的数据
uint8_t DS18B20_Read_Byte(void)    // read one byte
{
    uint8_t i, j, dat;
    dat = 0;
    for (i = 1; i <= 8; i++)
    {
        j = DS18B20_Read_Bit();
        dat = (j << 7) | (dat >> 1);
    }
    return dat;
}

得到温度值

//返回值：温度值 （-550~1250）
short DS18B20_Get_Temp(void)
{
    uint8_t temp;
    uint8_t TL, TH;
    short tem;
    DS18B20_Start ();        // ds1820 start convert
    DS18B20_Rst();
    DS18B20_Check();
    DS18B20_Write_Byte(0xcc);// skip rom
    DS18B20_Write_Byte(0xbe);// convert
    TL = DS18B20_Read_Byte(); // LSB
    TH = DS18B20_Read_Byte(); // MSB
    if(TH > 7)
    {
        TH = ~TH;
        TL = ~TL;
        temp = 0; //温度为负
    } else temp = 1; //温度为正
    tem = TH; //获得高八位
    tem <<= 8;
    tem += TL; //获得底八位
    tem = (double)tem * 0.625; //转换
    if(temp)return tem; //返回温度值
    else return -tem;
}