一、所选主题和项目介绍

本次所选主题参加的是FastBond第四季中感知方向的工业自动化主题

在工业自动化控制系统中，环境与设备状态的数据采集是实现智能监测、稳定控制与安全预警的核心基础。各类运行参数的实时获取，直接决定了自动化系统的响应精度、决策可靠性以及设备整体运行寿命。而在众多关键参数中，温度采集无疑占据着最为重要的地位。

无论是工控主板、驱动芯片、电源模块等核心电子器件的工作温度监测，还是车间环境、机柜内部、设备腔体等场景的环境温度感知，温度数据都直接关系到设备是否过热、运行是否异常、控制策略是否需要动态调整。一旦温度失控，轻则导致器件性能下降、测量漂移，重则引发停机、烧毁甚至安全事故，因此高精度、高稳定性的温度采集方案显得尤为必要。

基于这一工业实际需求，本次参加活动我带来的是一款基于 NTC 热敏电阻设计的单通道温度采集模块。NTC 热敏电阻具有灵敏度高、响应速度快、成本低廉、体积小巧等优势，非常适合嵌入式与工业场景下的单点温度检测。该模块通过优化硬件采样电路与信号处理逻辑，能够实现对目标点位温度的稳定采集与精准转换，可快速接入 PLC、单片机或工控主板等控制系统，为工业自动化设备提供可靠的温度反馈，适用于设备温控、环境监测、过热保护等多种实际应用场景。

二、硬件介绍

1.NTC热敏电阻

2.线性低压差（LDO）稳压器

3.MCU微控制器

三、方案框图和项目设计思路介绍

整体可分为供电单元、通信单元、主控单元和温度采集单元四大模块

• 1.供电单元
• • USB：作为模块的外部供电输入接口，提供5V直流电压，同时也是与上位机的数据通信链路载体。
  • LDO（ADP122AUJZ-3.3）：属于低压差线性稳压器，将 USB 输入的5V电压稳压为3.3V，为主控芯片ch32V003和其他电路提供稳定的工作电压，保证模块低功耗、低噪声运行。
• 2.通信单元
• • CH340：是 USB 转串口的桥接芯片，负责将 USB 的总线信号转换为串口（UART）信号，实现上位机与主控芯片ch32V003之间的双向数据通信，完成温度数据的上传和指令的下发。
• 3.主控单元
• • ch32V003：是模块的核心控制芯片（基于 RISC-V 架构的单片机），主要承担两大功能：一是通过 ADC（模数转换） 接口采集温度采集单元的模拟电压信号，并将其转换为数字信号；二是通过串口与 CH340 交互，将处理后的温度数据发送至上位机。
• 4.温度采集单元
• • 10K 电阻 + NTC（GA10K4A1A）：采用分压电路设计，10K 固定电阻与 NTC 热敏电阻串联在 VCC 和 GND 之间，两者的分压节点连接至 ch32V003 的 ADC 引脚。NTC 热敏电阻的阻值会随温度变化，导致分压节点的电压发生改变，ch32V003 通过采集该电压值，结合 NTC 的阻值 - 温度特性曲线，即可计算出实际温度。

四、原理图和PCB展示及介绍

原理图

原理图共划分出七大功能电路模块，覆盖了供电、通信、主控、温度采集、辅助功能等核心环节，各模块分工明确且协同工作，以下是逐模块的详细解析：

1. USB 接口电路

• 采用标准 USB Type-C 接口（USB_C_ReceptacleJS92.0_16P）作为供电输入和数据通信的物理接口，提供5V电源输入，同时引出 USB_D+、USB_D - 差分信号用于数据传输。
• 配置了CC引脚电阻（R1、R2），用于适配C to C数据线。

2. 5V 转 3.3V 电路

• 核心器件为 LDO 芯片ADP122AUJZ-3.3，将 USB 输入的5V电压稳压为3.3V，为 MCU、NTC 采集电路等提供稳定的工作电压。
• 设计有保险丝 F1（1A）实现过流保护，电容C1、 C2、C3、C4 组成滤波网络，降低稳压后的电压纹波；EN 引脚接地使芯片始终使能。

3. USB 转串口电路

• 核心芯片为CH340，负责将 USB 的差分信号转换为 UART 串口信号（TX、RX），实现上位机与 MCU 之间的通信。
• 滤波电容（C5、C6）为CH340提供3.3V电压适配，确保与主控电路电平适配。

4. NTC 接口电路

• 核心为 NTC 热敏电阻GA10K4A1A与 10K 固定电阻组成的分压电路，3.3V 电源经 10K 电阻后接 NTC 热敏电阻再到 GND，分压节点连接至 MCU 的 ADC 引脚（PC4/ADC_IN4）。
• 温度变化会改变 NTC 阻值，进而改变分压节点的电压，MCU 通过采集该电压值计算实际温度。
• 使用螺丝快捷接口，方便快速安装和更换NTC热敏电阻。

5. 电源指示灯电路

• 由 LED 灯和 1K 限流电阻 R1 组成，一端接 3.3V 电源，另一端接地，模块上电后 LED 点亮，直观指示电源工作状态。

6. 单总线烧录电路

• 采用排针接口，引出 MCU 的单总线烧录引脚（PD5/SWD），配合 3.3V 和 GND，实现对 ch32V003 芯片的程序烧录与调试。

7. MCU 电路

• 核心为Ch32V003单片机，是模块的控制核心：通过 ADC 引脚采集 NTC 分压电压，完成模数转换和温度计算；通过 UART 串口与 CH340 通信，实现数据上传和指令接收；同时集成了烧录、IO 口等功能引脚，预留了扩展能力。
• 配置了滤波电容（C7）稳定 MCU 供电，保证芯片运行可靠性。

此外，原理图还设计了M2 固定孔（H1、H2），用于模块的物理安装固定，整体电路兼顾了功能性、稳定性和实用性。

PCB

整体布局与版型特点

1.版型形态：采用矩形窄板设计，边缘做了圆角处理，适配小型设备 / 机柜的安装空间，同时标注了 M2 规格的固定孔位（图中圆形接地标识处），方便物理固定。

2.层叠与走线：PCB使用双面板设计，顶层与底层分工走线，减少信号交叉干扰；地采用大面积敷铜，提升供电稳定性与抗干扰能力。

3.器件排布：①核心器件（MCU、LDO、CH340、USB 接口）按数据及电源走向有序排列，遵循 “信号短路径” 原则，缩短关键信号走线长度；

②NTC 采集接口布在下部，方便后续NTC热敏电阻的安装；

③电容靠近对于芯片的VCC和GND引脚，连线遵循先过电容再到引脚

4.接地设计：板卡上多处使用 “GND” 的圆形焊盘为接地节点，大面积地敷铜与各器件接地引脚相连，形成统一地平面，降低电磁干扰。

五、调试软件介绍

本次使用的是沁恒为CH32V003配备的MounRiver Studio Ⅱ(MRS2)集成开发环境

MounRiver Studio Ⅱ（简称 MRS2）是沁恒微电子推出的新一代免费嵌入式 IDE，基于 VSCode 框架深度定制，主打RISC-V（如 CH32V/CH32X 系列）与ARM（如 CH32F 系列）内核 MCU 开发，兼顾轻量化、高效性与国产化适配，是 CH32 系列芯片的首选开发环境。

六、软件流程图和关键代码介绍

软件流程图

1. 系统上电初始化阶段

1. 接入 USB 接口，5V供电输入，同时触发 CH340 与上位机建立通信连接；
2. 5V电压输入 LDO 芯片 ADP122AUJZ-3.3，经稳压处理后输出稳定3.3V，为 ch32V003 主控芯片供电；
3. ch32V003 完成上电复位，初始化 ADC 模数转换模块、UART 串口通信模块，设置采样参数（如 ADC 采样精度、串口波特率）。

// ========== 硬件参数 ==========
#define VREF           3.3f        // ADC 参考电压 (V)
#define ADC_MAX        1024.0f     // 10 位 ADC 最大值 (0-1023)
#define R_FIXED        10000.0f    // 固定电阻 10kΩ
#define R_NTC_25       10000.0f    // NTC 25°C 电阻值
#define B_VALUE        3694.0f     // B25/85 常数
#define T0_K           298.15f     // 25°C 开尔文温度

// ========== GPIO 初始化 ==========
void gpio_Init(void)
{
    // 使能 GPIOC 时钟（用于 PC4）
    RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOC, ENABLE);
    
    GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;
    // PC4 配置为模拟输入 (ADC)
    GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_4;
    GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AIN;
    GPIO_Init(GPIOC, &GPIO_InitStructure);
}


// ========== ADC 初始化 ==========
void adc_Init(void)
{
    // 使能 ADC1 时钟
    RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_ADC1, ENABLE);
    
    // ADC 结构体初始化
    ADC_InitTypeDef ADC_InitStructure;
    ADC_InitStructure.ADC_Mode = ADC_Mode_Independent;          // 独立模式
    ADC_InitStructure.ADC_ScanConvMode = DISABLE;               // 非扫描模式
    ADC_InitStructure.ADC_ContinuousConvMode = DISABLE;         // 单次转换
    ADC_InitStructure.ADC_ExternalTrigConv = ADC_ExternalTrigConv_None; // 软件触发
    ADC_InitStructure.ADC_DataAlign = ADC_DataAlign_Right;      // 右对齐
    ADC_InitStructure.ADC_NbrOfChannel = 1;                     // 规则组通道数
    ADC_Init(ADC1, &ADC_InitStructure);
    
    // 使能 ADC
    ADC_Cmd(ADC1, ENABLE);
    
    // 校准 ADC
    ADC_ResetCalibration(ADC1);
    while(ADC_GetResetCalibrationStatus(ADC1));
    ADC_StartCalibration(ADC1);
    while(ADC_GetCalibrationStatus(ADC1));
}

2. 温度采集与信号转换阶段

1. NTC 热敏电阻（GA10K4A1A）与 10K 固定电阻构成分压电路，实时感应环境温度；
2. 温度变化导致 NTC 阻值改变，分压节点输出对应的模拟电压信号，传输至 ch32V003 的 ADC 引脚；
3. ch32V003 按预设周期启动 ADC 采样，将模拟电压信号转换为数字量；
4. 主控芯片调用 NTC 阻值 - 温度特性算法，将数字量换算为精准的温度数值。

// ========== 读取 ADC 值 (PC4 / ADC_IN2) ==========
uint16_t ADC_Read(void)
{
    // 配置规则组通道：ADC_Channel_2 (对应 PC4)，采样时间 57 周期
    // 可选采样时间宏定义：
    // ADC_SampleTime_3Cycles, ADC_SampleTime_9Cycles, ADC_SampleTime_15Cycles,
    // ADC_SampleTime_30Cycles, ADC_SampleTime_43Cycles, ADC_SampleTime_57Cycles,
    // ADC_SampleTime_73Cycles, ADC_SampleTime_241Cycles
    ADC_RegularChannelConfig(ADC1, ADC_Channel_2, 1, ADC_SampleTime_57Cycles);
    
    // 启动软件转换
    ADC_SoftwareStartConvCmd(ADC1, ENABLE);
    
    // 等待转换完成
    while(!ADC_GetFlagStatus(ADC1, ADC_FLAG_EOC));
    
    // 返回 ADC 转换结果 (0-1023)
    return ADC_GetConversionValue(ADC1);
}


// ========== 根据 NTC 电阻计算温度（B 参数方程）==========
float NTC_GetTemperature(float R_ntc)
{
    float T_k = 1.0f / (1.0f/T0_K + (1.0f/B_VALUE) * logf(R_ntc / R_NTC_25));
    return T_k - 273.15f;
}


        // 读取 ADC 值
        uint16_t adc_val = ADC_Read();
        
        // 计算 NTC 电压
        float V_ntc = (adc_val / ADC_MAX) * VREF;
        
        // 计算 NTC 电阻
        float R_ntc = V_ntc / (VREF - V_ntc) * R_FIXED;
        
        // 计算温度
        float temperature = NTC_GetTemperature(R_ntc);
        
        // 输出整数温度（四舍五入）
        int temp_int = (int)(temperature + 0.5f);

3. 数据传输与交互阶段

1. 计算完成后，Ch32V003 通过 UART 串口将温度数据发送至 CH340 芯片；
2. CH340 将串口信号转换为 USB 总线信号，通过 USB 接口上传至上位机；
3. 上位机接收数据并实时显示（如数值、曲线）；
4. 指令经 USB→CH340→UART 传输至 Ch32V003，主控执行对应操作，完成闭环控制。

// 通过 printf 输出
printf("ADC=%d, Temp=%d C\r\n", adc_val, temp_int);

4. 持续运行与异常阶段

1. 循环执行 “采集 - 转换 - 传输” 流程，实现温度实时监测；
2. 断开 USB 供电后，系统断电停止工作，完成一次完整运行周期。

七、硬件功能展示及说明

串口实时打印当前NTC电压及环境温度

使用手指触摸NTC热敏电阻，模拟环境温度改变，并通过串口实时打印

八、所遇难题及心得体会

本次在选品中失误了一下，NTC热敏电阻的引出线为非绝缘的导线，导致在使用过程中需额外注意不要触碰到导线，导致数据读取错误，好在导线可塑性较好，不会轻易搭接。以后在选品时需检查仔细。