摘要
本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)可以用于熱水器溫度控制系統(tǒng)和飲水機(jī)等各種電器電路中。它以單片機(jī)AT89S52為核心,通過3個數(shù)碼管顯示溫度和4個按鍵實(shí)現(xiàn)人機(jī)對話,使用單總線溫度轉(zhuǎn)換芯片DS18B20實(shí)時采集溫度并通過數(shù)碼管顯示,并提供各種運(yùn)行指示燈用來指示系統(tǒng)現(xiàn)在所處狀態(tài),如:溫度設(shè)置、加熱、停止加熱等,整個系統(tǒng)通過四個按鍵來設(shè)置加熱溫度和控制運(yùn)行模式。
目錄
1緒論... - 1 -
2系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)... - 2 -
2.1硬件總體設(shè)計(jì)... - 2 -
2.1.1硬件系統(tǒng)子模塊... - 2 -
2.2軟件總體設(shè)計(jì)... - 2 -
3硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)... - 4 -
3.1硬件電路分析和設(shè)計(jì)報告... - 4 -
3.1.1單片機(jī)最小系統(tǒng)電路... - 4 -
3.1.2鍵盤電路... - 5 -
3.1.3數(shù)碼管及指示燈顯示電路... - 5 -
3.1.4溫度采集電路... - 7 -
3.1.5電源電路... - 11 -
3.1.6報警電路設(shè)計(jì)... - 12 -
3.1.7加熱管控制電路設(shè)計(jì)... - 12 -
4系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)... - 14 -
4.1主程序流程圖... - 14 -
4.2各個模塊的流程圖... - 16 -
4.2.1讀取溫度DS18B20模塊的流程... - 16 -
4.2.2鍵盤掃描處理流程... - 18 -
4.2.3報警處理流程... - 18 -
5系統(tǒng)調(diào)試... - 20 -
5.1硬件電路調(diào)試... - 20 -
5.2軟件調(diào)試... - 20 -
5.3系統(tǒng)操作說明... - 21 -
5.4數(shù)據(jù)測試... - 21 -
總結(jié)... - 23 -
致謝... - 24 -
參考文獻(xiàn)... - 25 -
附錄一:系統(tǒng)源程序... - 26 -
附錄二:系統(tǒng)硬件總圖... - 35 -
基于單片機(jī)的水溫控制器的設(shè)計(jì)
1緒論
本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)可以用于水溫控制系統(tǒng)和電飯煲等各種電器電路中。它以單片機(jī)AT89S52為核心,通過數(shù)碼管顯示溫度和語音提示實(shí)現(xiàn)人機(jī)對話,使用溫度轉(zhuǎn)換芯片DS18B20實(shí)時采集溫度并通過數(shù)碼管顯示,并提供各種運(yùn)行指示燈用來指示系統(tǒng)現(xiàn)在所處狀態(tài),如:溫度設(shè)置、加熱、停止加熱等,整個系統(tǒng)通過四個按鍵來設(shè)置加熱溫度和控制運(yùn)行模式。
溫度控制系統(tǒng)可以說是無所不在,熱水器系統(tǒng)、空調(diào)系統(tǒng)、冰箱、電飯煲、電風(fēng)扇等家電產(chǎn)品以至手持式高速高效的計(jì)算機(jī)和電子設(shè)備,均需要提供溫度控制功能。以計(jì)算機(jī)為例,當(dāng)中的中央處理器的運(yùn)行速度愈快,所耗散的熱量便愈多,為免計(jì)算機(jī)系統(tǒng)過熱而受損,有關(guān)系統(tǒng)必須加強(qiáng)溫度過高保護(hù)功能。
傳統(tǒng)的溫度采集電路相當(dāng)復(fù)雜,需要經(jīng)過溫度采集、信號放大、濾波、AD轉(zhuǎn)換等一系列工作才能得到溫度的數(shù)字量,并且這種方式不僅電路復(fù)雜,元器件個數(shù)多,而且線性度和準(zhǔn)確度都不理想,抗干擾能力弱。現(xiàn)在常用的溫度傳感器芯片不但功率消耗低、準(zhǔn)確率高,而且比傳統(tǒng)的溫度傳感器有更好的線性表現(xiàn),最重要的一點(diǎn)是使用起來方便。
自動控制儀器儀表總的發(fā)展趨勢是高性能、數(shù)字化、集成化、智能化和網(wǎng)絡(luò)化。智能溫度控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是為了滿足市場對成本低、性能穩(wěn)定、可遠(yuǎn)程監(jiān)測、控制現(xiàn)場溫度的需求而做的課題,具有較為廣闊的市場前景。
本系統(tǒng)的核心控制芯片選用的是51系列單片機(jī)AT89S52,單片機(jī)在各個技術(shù)領(lǐng)域中的迅猛發(fā)展,與單片機(jī)所構(gòu)成的計(jì)算機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的特點(diǎn)有關(guān):
·單片機(jī)構(gòu)成的應(yīng)用系統(tǒng)有較大的可靠性。
·系統(tǒng)構(gòu)建簡潔、易行,能方便的實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能。
·由于構(gòu)成的系統(tǒng)是一個計(jì)算機(jī)系統(tǒng),相當(dāng)多的功能由軟件實(shí)現(xiàn),故具有柔性特點(diǎn)。
·有優(yōu)異的性能價格比。
2系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)
2.1硬件總體設(shè)計(jì)
設(shè)計(jì)并制作一個基于單片機(jī)的熱水器溫度控制系統(tǒng)的電路,其結(jié)構(gòu)框圖如圖2-1:
圖2-1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖
2.1.1硬件系統(tǒng)子模塊
(1)單片機(jī)最小系統(tǒng)電路部分
(2)鍵盤掃描電路部分
(3)數(shù)碼管溫度顯示和運(yùn)行指示燈電路部分
(4)溫度采集電路部分
(5)繼電器控制部分
(6)報警部分
2.2軟件總體設(shè)計(jì)
良好的設(shè)計(jì)方案可以減少軟件設(shè)計(jì)的工作量,提高軟件的通用性,擴(kuò)展性和可讀性。
本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案和步驟如下:
(1)根據(jù)需求按照系統(tǒng)的功能要求,逐級劃分模塊。
(2)明確各模塊之間的數(shù)據(jù)流傳遞關(guān)系,力求數(shù)據(jù)傳遞少,以增強(qiáng)各模塊的獨(dú)立性,便于軟件編制和調(diào)試。
(3)確定軟件開發(fā)環(huán)境,選擇設(shè)計(jì)語言,完成模塊功能設(shè)計(jì),并分別調(diào)試通過。
(4)按照開發(fā)式軟件設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu),將各模塊有機(jī)的結(jié)合起來,即成一個較完善的系統(tǒng)。
首先接通電源系統(tǒng)開始工作,系統(tǒng)開始工作后,通過按鍵設(shè)定溫度值的上限值和下限值,確定按鍵將設(shè)定的溫度值存儲到指定的地址空間,溫度傳感器開始實(shí)時檢測,調(diào)用顯示子程序顯示檢測結(jié)果,調(diào)用比較當(dāng)前顯示溫度值與開始設(shè)定的溫度值比較,如果當(dāng)前顯示值低于設(shè)定值就通過繼電器起動加熱裝置,直到達(dá)到設(shè)定值停止加熱,之后進(jìn)行保溫,如果溫度高于上限進(jìn)行報警。
3硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)
3.1硬件電路分析和設(shè)計(jì)報告
本次設(shè)計(jì)主要思路是通過對單片機(jī)編程將由溫度傳感器DS18B20采集的溫度外加驅(qū)動電路顯示出來,包括對繼電器的控制,進(jìn)行升溫,當(dāng)溫度達(dá)到上下限蜂鳴器進(jìn)行報警。P1.7開關(guān)按鈕是用于確認(rèn)設(shè)定溫度的,初始按下表示開始進(jìn)入溫度設(shè)定狀態(tài),然后通過P1.5和P1.6設(shè)置溫度的升降,再次按下P1.7時,表示確認(rèn)所設(shè)定的溫度,然后轉(zhuǎn)入升溫或降溫。P2.3所接的發(fā)光二極管用于表示加熱狀態(tài),P2.5所接的發(fā)光二極管用于表示保溫狀態(tài)。P2.3接繼電器。P3.1是溫度信號線。整個電路都是通過軟件控制實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)要求。
3.1.1單片機(jī)最小系統(tǒng)電路
因?yàn)?9S52單片機(jī)內(nèi)部自帶8K的ROM和256字節(jié)的RAM,因此不必構(gòu)建單片機(jī)系統(tǒng)的擴(kuò)展電路。如圖3-1,單片機(jī)最小系統(tǒng)有復(fù)位電路和振蕩器電路。值得注意的一點(diǎn)是單片機(jī)的31腳必須接高電平,否則系統(tǒng)將不能運(yùn)行。因?yàn)樵撃_不接時為低電平,單片機(jī)將直接讀取外部程序存儲器,而系統(tǒng)沒有外部程序存儲器,所以必須接VCC。在按鍵兩端并聯(lián)一個電解電容,濾除交流干擾,增加系統(tǒng)抗干擾能力。
圖3-1單片機(jī)最小系統(tǒng)圖
3.1.2鍵盤電路
鍵盤是單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中的主要輸入設(shè)備,單片機(jī)使用的鍵盤分為編碼鍵盤和非編碼鍵盤。編碼鍵盤采用硬件線路來實(shí)現(xiàn)鍵盤的編碼,每按下一個鍵,鍵盤能夠自動生成按鍵代碼,并有去抖功能。因此使用方便,但硬件較復(fù)雜。非編碼鍵盤僅僅提供鍵開關(guān)狀態(tài),由程序來識別閉合鍵,消除抖動,產(chǎn)生相應(yīng)的代碼,轉(zhuǎn)入執(zhí)行該鍵的功能程序。非編碼鍵盤中鍵的數(shù)量較少,硬件簡單,在單片機(jī)中應(yīng)用非常廣泛。
圖為按鍵和AT89S52的接線圖,檢測儀共設(shè)有4個按鍵,每個按鍵由軟件來決定其功能,4個按鍵功能分別為:
(1) SW1:設(shè)定按鍵(設(shè)定按鍵)
(2) SW2:加法按鍵(當(dāng)前位加5)
(3) SW3:減法按鍵(當(dāng)前位減5)
(4) SW4:退出設(shè)置鍵(系統(tǒng)初始化)
圖3-2單片機(jī)最小系統(tǒng)
3.1.3數(shù)碼管及指示燈顯示電路
(1)數(shù)碼管顯示說明
各個數(shù)碼管的段碼都是單片機(jī)的數(shù)據(jù)口輸出,即各個數(shù)碼管輸入的段碼都是一樣的,為了使其分別顯示不同的數(shù)字,可采用動態(tài)顯示的方式,即先只讓最低位顯示0(含點(diǎn)),經(jīng)過一段延時,再只讓次低位顯示1,如此類推。由視覺暫留,只要我們的延時時間足夠短,就能夠使得數(shù)碼的顯示看起來非常的穩(wěn)定清楚,過程如表3-1。
表3-1數(shù)碼管編碼表
段碼 | 位碼 | 顯示器狀態(tài) |
08H | 01H | □□□□□□□0 |
abH | 02H | □□□□□□1□ |
12H | 04H | □□□□□2□□ |
22H | 08H | □□□□3□□□ |
a1H | 10H | □□□4□□□□ |
24H | 20H | □□5□□□□□ |
04H | 40H | □6□□□□□□ |
aaH | 80H | 7□□□□□□□ |
本論文中使用了3個數(shù)碼管,其中前兩位使用動態(tài)掃描顯示實(shí)測溫度,在設(shè)置加熱溫度的時候,兩個數(shù)碼管是閃爍,以提示目前處在溫度設(shè)置狀態(tài)。第三位數(shù)碼管靜態(tài)顯示符號“℃”。
(2)運(yùn)行指示燈說明
本熱水器溫度控制系統(tǒng)中共使用到3個LED指示燈和3個數(shù)碼管。
數(shù)碼管右邊的紅色LED是加熱指示燈,當(dāng)剛開機(jī)或溫度降到設(shè)定溫度5℃以下時,該燈會亮,表示目前處于加熱狀態(tài);當(dāng)溫度上升到設(shè)定溫度時,該LED滅,同時數(shù)碼管右邊的綠色LED亮,表示目前處于保溫狀態(tài),用戶可以使用熱水器;當(dāng)溫度再次下降到設(shè)定溫度5℃以下時,綠色LED滅,紅色加熱的LED燈亮,不斷循環(huán)。
圖3-3 LED數(shù)碼管顯示電路圖
3.1.4溫度采集電路
(1)DS18B20介紹
Dallas最新單線數(shù)字溫度傳感器DS18B20簡介新的“一線器件”體積更小、適用電壓更寬、更經(jīng)濟(jì)。Dallas半導(dǎo)體公司的數(shù)字化溫度傳感器DS1820是世界上第一片支持“一線總線”接口的溫度傳感器。一線總線獨(dú)特而且經(jīng)濟(jì)的特點(diǎn),使用戶可輕松地組建傳感器網(wǎng)絡(luò),為測量系統(tǒng)的構(gòu)建引入全新概念。DS18B20、DS1822“一線總線”數(shù)字化溫度傳感器同DS18B20一樣,DS18B20也支持“一線總線”接口,測量溫度范圍為-55℃~+125℃,在-10℃~+85℃范圍內(nèi),精度為±0.5℃。DS1822的精度較差為±2℃。現(xiàn)場溫度直接以“一線總線”的數(shù)字方式傳輸,大大提高了系統(tǒng)的抗干擾性。其DS18B20的管腳配置和封裝結(jié)構(gòu)如圖3-4所示。
圖3-4 DS18B20封裝
引腳定義:
①DQ為數(shù)字信號輸入/輸出端;
②GND為電源地;
③VDD為外接供電電源輸入端(在寄生電源接線方式時接地)。
(2)DS18B20的單線(1-wire bus)系統(tǒng)
單線總線結(jié)構(gòu)是DS18B20的突出特點(diǎn),也是理解和編程的難點(diǎn)。從兩個角度來理解單線總線:第一,單線總線只定義了一個信號線,而且DS18B20智能程度較低(這點(diǎn)可以與微控制器和SPI器件間的通信做一個比較),所以DS18B20和處理器之間的通信必然要通過嚴(yán)格的時序控制來完成。第二,DS18B20的輸出口是漏級開路輸出,這里給出一個微控制器和DS18B20連接原理圖。這種設(shè)計(jì)使總線上的器件在合適的時間驅(qū)動它。顯然,總線上的器件與(wired AND)關(guān)系。這就決定:(1)微控制器不能單方面控制總線狀態(tài)。之所以提出這點(diǎn),是因?yàn)橄喈?dāng)多的文獻(xiàn)資料上認(rèn)為,微控制器在讀取總線上數(shù)據(jù)之前的I/O口的置1操作是為了給DS18B20一個發(fā)送數(shù)據(jù)的信號。這是一個錯誤的觀點(diǎn)。如果當(dāng)前DS18b20發(fā)送0,即使微控制器I/O口置1,總線狀態(tài)還是0;置1操作是為了是I/O口截止(cut off),以確保微控制器正確讀取數(shù)據(jù)。(2)除了DS18B20發(fā)送0的時間段,其他時間其輸出口自動截止。自動截止是為確保:1時,在總線操作的間隙總線處于空閑狀態(tài),即高態(tài)。2時,確保微控制器在寫1的時候DS18B20可以正確讀入。
由于DS18B20采用的是1-Wire總線協(xié)議方式,即在一根數(shù)據(jù)線實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的雙向傳輸,而對AT89S52單片機(jī)來說,硬件上并不支持單總線協(xié)議,因此,我們必須采用軟件的方法來模擬單總線的協(xié)議時序來完成對DS18B20芯片的訪問。
①DS18B20的復(fù)位時序,如圖3-5
圖3-5 DS18B20的復(fù)位時序圖
②DS18B20的讀時序
對于DS18B20的讀時序分為讀0時序和讀1時序兩個過程。
對于DS18B20的讀時隙是從主機(jī)把單總線拉低之后,在15秒之內(nèi)就得釋放單總線,以讓DS18B20把數(shù)據(jù)傳輸?shù)絾慰偩€上。DS18B20在完成一個讀時序過程,至少需要60us才能完成。DS18B20的讀時序圖如圖3-6所示。
圖3-6 DS18B20的讀時序
③DS18B20的寫時序
對于DS18B20的寫時序仍然分為寫0時序和寫1時序兩個過程。
對于DS18B20寫0時序和寫1時序的要求不同,當(dāng)要寫0時序時,單總線要被拉低至少60us,保證DS18B20能夠在15us到45us之間能夠正確地采樣IO總線上的“0”電平,當(dāng)要寫1時序時,單總線被拉低之后,在15us之內(nèi)就得釋放單總線。如圖3-7所示。
圖3-7 DS18B20的寫時序圖
(3)DS18B20的供電方式
在圖3-8中示出了DS18B20的寄生電源電路。當(dāng)DQ或VDD引腳為高電平時,這個電路便“取”的電源。寄生電路的優(yōu)點(diǎn)是雙重的,遠(yuǎn)程溫度控制監(jiān)測無需本地電源,缺少正常電源條件下也可以讀ROM。為了使DS18B20能完成準(zhǔn)確的溫度變換,當(dāng)溫度變換發(fā)生時,DQ線上必須提供足夠的功率。
有兩種方法確保DS18B20在其有效變換期內(nèi)得到足夠的電源電流。第一種方法是發(fā)生溫度變換時,在DQ線上提供一強(qiáng)的上拉,這期間單總線上不能有其它的動作發(fā)生。如圖3-8所示,通過使用一個MOSFET把DQ線直接接到電源可實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn),這時DS18B20工作在寄生電源工作方式,在該方式下VDD引腳必須連接到地。
圖3-8 DS18B20供電方式1
另一種方法是DS18B20工作在外部電源工作方式,如圖3-9所示。這種方法的優(yōu)點(diǎn)是在DQ線上不要求強(qiáng)的上拉,總線上主機(jī)不需要連接其它的外圍器件便在溫度變換期間使總線保持高電平,這樣也允許在變換期間其它數(shù)據(jù)在單總線上傳送。此外,在單總線上可以并聯(lián)多個DS18B20,而且如果它們?nèi)坎捎猛獠侩娫垂ぷ鞣绞剑敲赐ㄟ^發(fā)出相應(yīng)的命令便可以同時完成溫度變換。
圖3-9 DS18B20供電方式2
(4)DS18B20設(shè)計(jì)中應(yīng)注意的幾個問題
DS18B20具有測溫系統(tǒng)簡單、測溫精度高、連接方便、占用接口線少等優(yōu)點(diǎn),但在實(shí)際應(yīng)用中也應(yīng)注意以下幾方面的問題:較小的硬件開銷需要相對復(fù)雜的軟件進(jìn)行補(bǔ)償,由于DS18B20與微處理器間采用串行數(shù)據(jù)傳送。因此,在對DS18B20進(jìn)行讀寫編程時,必須嚴(yán)格的保證讀寫時序,否則將無法讀取測溫結(jié)果。在DS18B20有關(guān)資料中均未提及1Wire上所掛DS18B20數(shù)量問題,容易使人誤認(rèn)為可以掛任意多個DS18B20,在實(shí)際應(yīng)用中并非如此。當(dāng)1Wire上所掛DS18B20超過8個時,就需要考慮微處理器的總線驅(qū)動問題,這一點(diǎn)在進(jìn)行多點(diǎn)測溫系統(tǒng)設(shè)計(jì)時要加以注意。連接DS18B20的總線電纜是有長度限制的。實(shí)際應(yīng)用中,測溫電纜線建議采用屏蔽4芯雙絞線,其中一對線接地線與信號線,另一組接VCC和地線,屏蔽層在源端單點(diǎn)接地。
本文以廣泛應(yīng)用的數(shù)字溫度傳感器DS18B20為例,說明了1Wire總線的操作過程和基本原理。事實(shí)上,基于1Wire總線的產(chǎn)品還有很多種,如1Wire總線的E2PROM、實(shí)時時鐘、電子標(biāo)簽等。他們都具有節(jié)省I/O資源、結(jié)構(gòu)簡單、開發(fā)快捷、成本低廉、便于總線擴(kuò)展等優(yōu)點(diǎn),因此有廣闊的應(yīng)用空間,具有較大的推廣價值。
本設(shè)計(jì)將溫度傳感器DS18B20與單片機(jī)TXD引腳相連,讀取溫度傳感器的數(shù)值。DS18B20與單片機(jī)連接圖如圖所示3-10所示。
圖3-10 DS18B20與單片機(jī)連接圖
3.1.5電源電路
采用L7805穩(wěn)壓塊,輸出為5V。電子組件要正常運(yùn)作都需要電源電壓供電,一般常用的電源電壓為+5V或+12V,因?yàn)閿?shù)字IC(Ingegrated Circuit:集成電路)所供給的電壓為+5V,而CMOS IC所供給的電壓為+12V,7805是一個穩(wěn)壓塊。7805穩(wěn)壓管把高電壓轉(zhuǎn)換到低電壓,7805穩(wěn)壓管具有保護(hù)單片機(jī)的作用。L7805輸出端要并聯(lián)上一個電解電容,濾除交流電干擾,防止損壞單片機(jī)系統(tǒng)。本設(shè)計(jì)采用兩種供電方式,一種為DC7~18V直流穩(wěn)壓電源變換成5V的直流電;另一種為四節(jié)干電池共6V經(jīng)二極管加壓后得到將近5V的直流電源,電源配以開關(guān)和指示燈,以方便使用。黃色發(fā)光二極管表示保溫,紅色的表示加熱狀態(tài)。
圖3-11系統(tǒng)電源設(shè)計(jì)圖
3.1.6報警電路設(shè)計(jì)
同時可以在系統(tǒng)里設(shè)定溫度上限值,由于加熱停止后,加熱管還有余熱當(dāng)采集到的外界溫度高于當(dāng)前所設(shè)定溫度上限值時,程序就會進(jìn)入報警子程序,觸發(fā)蜂鳴器進(jìn)行報警。報警電路原理圖如圖所示。
圖3-12報警電路圖
圖中的三極管8550的作用是增加驅(qū)動能力,比9012的驅(qū)動電流還大些,因此選用8550。當(dāng)程序進(jìn)入報警子程序時,把P2.7置0,就會觸發(fā)蜂鳴器,為了使報警聲音效果更好,對P2.7取反,發(fā)出報警嘟嚕聲音。
3.1.7加熱管控制電路設(shè)計(jì)
繼電器是常用的輸出控制接口,可以做交直流信號的輸出切換。它具有控制系統(tǒng)(又稱輸入回路)和被控制系統(tǒng)(又稱輸出回路),通常應(yīng)用于自動控制電路中,它實(shí)際上是用較小的電流去控制較大電流的一種“自動開關(guān)”。故在電路中起著自動調(diào)節(jié)、安全保護(hù)、轉(zhuǎn)換電路等作用。繼電器控制接點(diǎn)操作說明如下:
●COM:Common,共同點(diǎn)。輸出控制接點(diǎn)的共同接點(diǎn)。
●NC:NormalClose常閉點(diǎn)。以Com為共同點(diǎn),NC與COM在平時是呈導(dǎo)通狀態(tài)的。
●NO:Normal Open常開點(diǎn)。NO與COM在平時是呈開路狀態(tài)的,當(dāng)繼電器動作時,NO與COM導(dǎo)通,NC與COM則呈開路狀態(tài)。
當(dāng)89S52的P2.5輸出高電平時,繼電器不導(dǎo)通,反之當(dāng)輸出低電平時,繼電器導(dǎo)通,這樣就激活了連接回路。
圖3-13單片機(jī)控制繼電器電路圖
4系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
本系統(tǒng)采用的是循環(huán)查詢方式,來顯示和控制溫度的。主要包括四段程序的設(shè)計(jì):DS18B20讀溫度程序,數(shù)碼管的驅(qū)動程序,鍵盤掃描程序,以及抱經(jīng)處理程序。
4.1主程序流程圖
圖4-1主程序流程圖
4.2各個模塊的流程圖
4.2.1讀取溫度DS18B20模塊的流程
由于DS18B20采用的是一根數(shù)據(jù)線實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的雙向傳輸,而對AT89S52單片機(jī)來說,硬件上并不支持單總線協(xié)議,因此,我們必須采用軟件的方法來模擬單總線的協(xié)議時序來完成對DS18B20芯片的訪問。
DS18B20單線通信功能是分時完成的,它有嚴(yán)格的時隙概念。因此系統(tǒng)對DS18B20的各種操作必須按協(xié)議進(jìn)行。操作協(xié)議為:初始化DS18B20(發(fā)復(fù)位脈沖)→發(fā)ROM功能命令→發(fā)存儲器操作命令→處理數(shù)據(jù)DS18B20雖然具有測溫系統(tǒng)簡單、測溫精度高、連接方便、占用口線少等優(yōu)點(diǎn),
DS18B20必須首先調(diào)用啟動溫度轉(zhuǎn)換函數(shù),根據(jù)數(shù)據(jù)手冊上對應(yīng)轉(zhuǎn)換時間來超作,如為12位轉(zhuǎn)換,則應(yīng)該是最大750mS,另外在對DS18B20超作時,時序要求非常嚴(yán)格,因此最好禁止系統(tǒng)中斷。
由于DS18B20是在一根I/O線上讀寫數(shù)據(jù),因此,對讀寫的數(shù)據(jù)位有著嚴(yán)格的時序要求。DS18B20有嚴(yán)格的通信協(xié)議來保證各位數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼_性和完整性。該協(xié)議定義了幾種信號的時序:初始化時序、讀時序、寫時序。所有時序都是將主機(jī)作為主設(shè)備,而每一次命令和數(shù)據(jù)的傳輸都是從主機(jī)主動啟動寫時序開始,如果要求單總線器件回送數(shù)據(jù),在進(jìn)行寫命令后,主機(jī)需啟動讀時序完成數(shù)據(jù)接收。數(shù)據(jù)和命令的傳輸都是低位在先。
DS18B20的讀時序:
(1)對于DS18B20的讀時序分為讀0時序和讀1時序兩個過程。
(2)對于DS18B20的讀時隙是從主機(jī)把單總線拉低之后,在15秒之內(nèi)就得釋放單總線,以讓DS18B20把數(shù)據(jù)傳輸?shù)絾慰偩€上。DS18B20在完成一個讀時序過程,至少需要60us才能完成。
DS18B20的寫時序:
(1)對于DS18B20的寫時序仍然分為寫0時序和寫1時序兩個過程。
(2)對于DS18B20寫0時序和寫1時序的要求不同,當(dāng)要寫0時序時,單總線要被拉低至少60us,保證DS18B20能夠在15us到45us之間能夠正確地采樣IO總線上的“0”電平,當(dāng)要寫1時序時,單總線被拉低之后,在15us之內(nèi)就得釋放單總線。
系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)主要包括三部分:讀出溫度子程序、溫度轉(zhuǎn)換命令子程序、顯示溫度子程序。
圖4-2讀取溫度DS18B20模塊的流程圖
程序代碼為:
GET_TEMPER: SETB DQ ;讀出轉(zhuǎn)換后的溫度值
LCALL INIT_1820 ;先復(fù)位DS18B20
JB FLAG1,TSS2
RET ;判斷DS1820是否存在?若DS18B20不存在則返回
TSS2: MOV A,#0CCH ;DS18B20已經(jīng)被檢測到!!!!!!!!!!!!!!!跳過ROM匹配
LCALL WRITE_1820
MOV A,#44H ;發(fā)出溫度轉(zhuǎn)換命令
LCALL WRITE_1820
LCALL DISPLAY ;這里通過調(diào)用顯示子程序?qū)崿F(xiàn)延時一段時間,等待AD轉(zhuǎn)換結(jié)束,12位的話750微秒
LCALL INIT_1820 ;準(zhǔn)備讀溫度前先復(fù)位
MOV A,#0CCH ;跳過ROM匹配
LCALL WRITE_1820
MOV A,#0BEH ;發(fā)出讀溫度命令
LCALL WRITE_1820
LCALL READ_18200 ;將讀出的溫度數(shù)據(jù)保存到35H/36H
RET
4.2.2鍵盤掃描處理流程
此流程為鍵盤掃描處理,CPU通過檢測各數(shù)據(jù)線的狀態(tài)(0或1)就能知道是否有按鍵閉合以及哪個按鍵閉合。鍵盤管理程序的功能是檢測是否有按鍵閉合,如果有按鍵閉合,消除抖動,根據(jù)鍵號轉(zhuǎn)到相應(yīng)的鍵處理程序,按鍵流程圖如圖4-3所示。
圖4-3鍵盤掃描子程序流程圖
4.2.3報警處理流程
運(yùn)行程序后,溫度傳感器DS18B20即可對環(huán)境進(jìn)行溫度采集,并送LED數(shù)碼管顯示。我們可以在程序里設(shè)定溫度上限值,當(dāng)采集到的外界溫度高于當(dāng)前所設(shè)定溫度上限值時,程序就會進(jìn)入報警子程序,觸發(fā)蜂鳴器進(jìn)行報警。其程序流程圖如圖4-4所示。
圖4-4報警子程序流程圖
5系統(tǒng)調(diào)試
5.1硬件電路調(diào)試
仔細(xì)檢查所接電路,按照硬件原理圖接線,理論上是能實(shí)現(xiàn)的,如果數(shù)碼管不顯示,則應(yīng)該檢查線路是否正確,或是因?yàn)閱纹瑱C(jī)沒有工作,還有集電極和發(fā)射極是否接對。如果只顯示兩個八,則可能是DS18B20沒有接正確,檢查上拉電路是否接好。另外要注意的是,由單片機(jī)輸出的控制信號比較小,需要進(jìn)行放大才能驅(qū)動繼電器工作,否則就不能實(shí)現(xiàn)升溫過程,通常選用8550三極管來進(jìn)行放大。還有220V交流電綠色接頭和加熱管黃色接頭必須接正確,否則導(dǎo)致電路燒壞。蜂鳴器是低電平有效。如果能注意這些問題,電路基本不會出錯。
5.2軟件調(diào)試
如果硬件電路檢查后,沒有問題卻實(shí)現(xiàn)不了設(shè)計(jì)要求,則可能是軟件編程的問題,首先應(yīng)檢查初始化程序,然后是讀溫度程序,顯示程序,以及繼電器控制程序,對這些分段程序,要注意邏輯順序,調(diào)用關(guān)系,以及涉及到了標(biāo)號,有時會因?yàn)橐粋€標(biāo)號而影響程序的執(zhí)行,除此之外,還要熟悉各指令的用法,以免出錯。還有一個容易忽略的問題就是,源程序生成的代碼是否燒入到單片機(jī)中,如果這一過程出錯,那不能實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)要求也是情理之中的事。本人在設(shè)計(jì)的時候在偉福仿真軟件進(jìn)行調(diào)試,通過此軟件進(jìn)行調(diào)試可以很方便的觀察單片機(jī)內(nèi)部各個寄存器及內(nèi)部存儲器變化情況,以方便進(jìn)行調(diào)試。圖為單片機(jī)功能調(diào)試圖。
圖5-1單片機(jī)功能調(diào)試圖
硬件與軟件調(diào)試相結(jié)合,仔細(xì)檢查各個模塊的設(shè)計(jì),舊能順利完成任務(wù),實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)要求,在調(diào)試過程中必須認(rèn)真耐心,不能有一點(diǎn)馬虎,否則遺漏一個小的問題就會導(dǎo)致整個設(shè)計(jì)的失敗。
5.3系統(tǒng)操作說明
本系統(tǒng)上電后數(shù)碼管顯示當(dāng)前測量溫度,此時加熱指示燈和保溫指示燈均不點(diǎn)亮;若此時按“自動加熱”鍵,則單片機(jī)自動將預(yù)加熱溫度設(shè)置為80℃并開始加熱,送出一個加熱信號,并點(diǎn)亮加熱指示燈;若按“溫度設(shè)置”鍵,則進(jìn)入預(yù)加熱溫度設(shè)置界面,此時數(shù)碼管閃爍顯示預(yù)設(shè)置溫度,此時通過按鍵“+”和“-”進(jìn)行設(shè)置溫度,預(yù)設(shè)置溫度按“5”遞增或遞減,設(shè)置好溫度后再按一次“溫度設(shè)置”鍵確定,單片機(jī)保存預(yù)設(shè)置溫度,并開始加熱。此時單片機(jī)通過數(shù)碼管顯示實(shí)時檢測的溫度并和預(yù)設(shè)置溫度進(jìn)行對比,如果實(shí)測溫度大于或等于預(yù)設(shè)置溫度,則單片機(jī)發(fā)出停止加熱信號并熄滅加熱指示燈,點(diǎn)亮保溫指示燈,且當(dāng)超過預(yù)設(shè)溫度時發(fā)出報警;當(dāng)溫度下降到預(yù)設(shè)置溫度以下5度時,單片機(jī)再次發(fā)出加熱信號,同時熄滅保溫指示燈,點(diǎn)亮加熱指示燈,依次循環(huán)控制。
5.4數(shù)據(jù)測試
1.靜態(tài)數(shù)據(jù)測試
取一桶凈水,改變它的溫度,觀察數(shù)碼管上顯示的溫度值,并用溫度計(jì)進(jìn)行測溫,記錄兩組數(shù)據(jù),比較差異。記錄表如下:
表5-1靜態(tài)溫度數(shù)據(jù)測試表
溫度℃ | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 |
顯示溫度 | 23 | 47 | 63 | 77 | 84 | 90 |
測量溫度 | 24 | 47 | 63 | 80 | 84 | 91 |
有測試數(shù)據(jù)可知,本系統(tǒng)測溫結(jié)果與溫度計(jì)測溫基本一致,能滿足設(shè)計(jì),證明了設(shè)計(jì)的合理性。
2.動態(tài)數(shù)據(jù)測試
進(jìn)行溫度設(shè)定,通過設(shè)定溫度值(75℃),觀察加熱管的加熱情況,以及數(shù)碼管的顯示值,再用溫度計(jì)測量水溫,每隔一段時間記錄一次數(shù)據(jù),將兩組值進(jìn)行比較。記錄表如下:(設(shè)定前溫度為25℃)
表5-2靜態(tài)溫度數(shù)據(jù)測試表
組數(shù) 分組 |
1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | 9 | 10 | 11 | 12 | 13 |
顯示溫度 | 25 | 29 | 34 | 39 | 42 | 48 | 53 | 58 | 62 | 67 | 70 | 73 | 75 |
測量溫度 | 25 | 28 | 34 | 38 | 42 | 49 | 53 | 59 | 63 | 67 | 71 | 74 | 75 |
通過上表可看出在加熱的過程中,顯示的溫度與實(shí)測的溫度近似一樣,說明系統(tǒng)的設(shè)計(jì)達(dá)到精度要求,但還是略有偏差,基本不影響設(shè)計(jì)結(jié)果。
整個測試過程表明設(shè)計(jì)達(dá)到了任務(wù)書的要求,證明了該方案是合理可行的,順利完成了設(shè)計(jì),達(dá)到了預(yù)想結(jié)果。
總結(jié)
通過本次的設(shè)計(jì),使我們不僅對單片機(jī)這門課程有了更深刻的認(rèn)識,懂得了如何運(yùn)用課本知識結(jié)合實(shí)際來完成定時器的顯示和編程方法以及數(shù)碼顯示電路的驅(qū)動方法,使我們能夠很快的適應(yīng)現(xiàn)代控制技術(shù)發(fā)展的需求,同時也提高了我們的思維能力和實(shí)際操作能力,為以后更好的走上工作崗位奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。
另外,這次的設(shè)計(jì)還讓我更進(jìn)一步的認(rèn)識了關(guān)于AT89S52等芯片的引腳功能以及使用方法,使我學(xué)會了應(yīng)用不同的芯片來配合完成整個設(shè)計(jì)的操作。
在做硬件電路的這段時間里,從思考設(shè)計(jì)到對電路的調(diào)試經(jīng)過了許多困難。同樣在對軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)時,也可為一路坎坷。但是通過對軟硬件不斷撞墻,不斷思考解決問題的過程中,我學(xué)會了很多東西,同時對單片機(jī)也有了更深的認(rèn)識。在做設(shè)計(jì)的時候,很需要耐心和對事物的細(xì)心,很多時候一個簡單問題的一個簡單的疏忽就會導(dǎo)致整個電路的不工作,只有不斷的檢查不斷的調(diào)試,才能真正完成一個設(shè)計(jì)的制作。只有不斷的發(fā)現(xiàn)問題解決問題,才能從問題中改變自己,提升自己對單片機(jī)的能力。
此設(shè)計(jì)雖然能夠完成溫度的顯示和控制,但功能和精度有待于進(jìn)一步提高。以后可以通過加入PID算法優(yōu)化控制功能,并通過液晶顯示屏實(shí)時顯示溫度。
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附錄一:系統(tǒng)源程序
EMPER_L EQU 29H ;用于保存讀出溫度的低8位
TEMPER_H EQU 28H ;用于保存讀出溫度的高8位
FLAG1 EQU 38H ;是否檢測到DS18B20標(biāo)志位
A_BIT EQU 20H ;數(shù)碼管個位數(shù)存放內(nèi)存位置
B_BIT EQU 21H ;數(shù)碼管十位數(shù)存放內(nèi)存位置
B1 EQU 70H ;溫度小數(shù)點(diǎn)位
A1 EQU 71H ;設(shè)定溫度值
DQ EQU P3.1 ;DQ為DS18B20數(shù)據(jù)位
BELL EQU P2.7 ;//蜂鳴報警
ORG 0000H ;單片機(jī)內(nèi)存分配申明!
AJMP MAIN0
;///////////////////////////////////前面的都是定義
MAIN: MOV R0,#10
M1: CPL P2.3
ACALL DELAY125
DJNZ R0,M1 ;//此段為燈閃5次,無實(shí)際意義
;///////////////////////////////////////////////
MAIN0: MOV A1,#80 ;默認(rèn)加熱為80度
MAIN1: LCALL D1820 ;調(diào)用讀溫度子程序
LCALL DISPLAY ;調(diào)用數(shù)碼管顯示子程序
MOV A,29H
CLR C
CJNE A,A1,MAIN1_1
SETB BELL ;//溫度相等,關(guān)閉蜂鳴器
AJMP MAIN1_1_A ;//下等不用叫蜂鳴器
MAIN1_1: JC MAIN1_2 ;為1轉(zhuǎn)移,表示小于設(shè)定溫度
CPL BELL ;蜂鳴器斷續(xù)鳴叫
MAIN1_1_A: CLR P2.3 ;//下面是表示沒達(dá)到溫度
SETB P2.5
AJMP MAIN2
;/////////////////////////////////////主要是檢測溫度是否小于設(shè)定的溫度,小于,則開發(fā)熱管CLR P2.3
MAIN1_2: SETB BELL ;//關(guān)閉蜂鳴器
CLR P2.5 ;//開發(fā)熱管
SETB P2.3
;///////////////////////////////上面的是大于,關(guān)發(fā)熱管
MAIN2: JB P1.0,MAIN1 ;//看P1.0有否按下
ACALL DELAY125 ;//延時防抖動,常用的手法,網(wǎng)上很多介紹的
JB P1.0,MAIN1 ;//再次查看
CLR P2.3
JNB P1.0,$ ;//等按鍵完全松手才進(jìn)入!
SETB P2.3
SETB P2.5
;///檢測到P1.0按鍵后后進(jìn)入設(shè)定溫度
MAIN2_1: ACALL DISPLAY1
JB P1.2,MAIN2_2
ACALL DELAY125
JB P1.2,MAIN2_2
JNB P1.2,$
MOV A,#5
ADD A,A1
CLR C
CJNE A,#100,MAIN2_1_1
MOV A,#99
AJMP MAIN2_1_3
;////////////////上面這一段是+5度按鍵,按下+5度
MAIN2_1_1: JC MAIN2_1_3
MAIN2_1_2: CLR C
MOV A,#99
MAIN2_1_3: MOV A1,A
MAIN2_2: JB P1.4,MAIN2_3
ACALL DELAY125
JB P1.4,MAIN2_3
JNB P1.4,$
MOV A,A1
CJNE A,#99,ZY1
MOV B,#4
AJMP ZY2
ZY1: MOV B,#5
ZY2: CLR C
MOV A,A1
SUBB A,B
MAIN2_2_1: JNC MAIN2_2_2
MOV A1,#0
AJMP MAIN2_3
;////////////////上面這一段是-5度按鍵,按下-5度
MAIN2_2_2: MOV A1,A
MAIN2_3: JB P1.6,MAIN2_1
ACALL DELAY125
JB P1.6,MAIN2_1
CLR P2.3
JNB P1.6,$
SETB P2.3
AJMP MAIN1
;/////////////上面這一段是退出的意思的!
D1820: LCALL GET_TEMPER ;調(diào)用讀溫度子程序
MOV B1,29H
MOV A,29H
MOV C,40H ;將28H中的最低位移入C
RRC A
MOV C,41H
RRC A
MOV C,42H
RRC A
MOV C,43H
RRC A
MOV 29H,A
MOV A,B1
MOV B,#10H
MUL AB
MOV B,#10H
DIV AB
MOV B,#10
MUL AB
MOV B,#10H
DIV AB
MOV B1,A
RET
;//////////上面這一段是讀取溫度后進(jìn)行轉(zhuǎn)換的意思!
;/////////////////////////////////
;////////////////////////////////
;///////////////////////////////
INIT_1820: SETB DQ ;這是DS18B20復(fù)位初始化子程序
NOP
CLR DQ ;主機(jī)發(fā)出延時537微秒的復(fù)位低脈沖
MOV R1,#3
TSR1: MOV R0,#107
DJNZ R0,$
DJNZ R1,TSR1
SETB DQ ;然后拉高數(shù)據(jù)線
NOP
NOP
NOP
NOP
MOV R0,#25H
TSR2: JNB DQ,TSR3 ;等待DS18B20回應(yīng)
DJNZ R0,TSR2
LJMP TSR4 ;延時
TSR3: SETB FLAG1 ;置標(biāo)志位,表示DS1820存在
LJMP TSR5
TSR4: CLR FLAG1 ;清標(biāo)志位,表示DS1820不存在
LJMP TSR7
TSR5: MOV R0,#117
TSR6: DJNZ R0,TSR6 ;時序要求延時一段時間
TSR7: SETB DQ
RET
GET_TEMPER: SETB DQ ;讀出轉(zhuǎn)換后的溫度值
LCALL INIT_1820 ;先復(fù)位DS18B20
JB FLAG1,TSS2
RET ;判斷DS1820是否存在?若DS18B20不存在則返回
TSS2: MOV A,#0CCH ;DS18B20已經(jīng)被檢測到!!!!!!!!!!!!!!!跳過ROM匹配
LCALL WRITE_1820
MOV A,#44H ;發(fā)出溫度轉(zhuǎn)換命令
LCALL WRITE_1820
LCALL DISPLAY ;這里通過調(diào)用顯示子程序?qū)崿F(xiàn)延時一段時間,等待AD轉(zhuǎn)換結(jié)束,12位的話750微秒
LCALL INIT_1820 ;準(zhǔn)備讀溫度前先復(fù)位
MOV A,#0CCH ;跳過ROM匹配
LCALL WRITE_1820
MOV A,#0BEH ;發(fā)出讀溫度命令
LCALL WRITE_1820
LCALL READ_18200 ;將讀出的溫度數(shù)據(jù)保存到35H/36H
RET
WRITE_1820: MOV R2,#8 ;一共8位數(shù)據(jù)
CLR C ;寫DS18B20的子程序(有具體的時序要求)
WR1: CLR DQ
MOV R3,#6
DJNZ R3,$
RRC A
MOV DQ,C
MOV R3,#23
DJNZ R3,$
SETB DQ
NOP
DJNZ R2,WR1
SETB DQ
RET
READ_18200: MOV R4,#2 ;將溫度高位和低位從DS18B20中讀出
MOV R1,#29H ;低位存入29H(TEMPER_L),高位存入28H(TEMPER_H)
RE00: MOV R2,#8 ;數(shù)據(jù)一共有8位
RE01: CLR C ;讀DS18B20的程序,從DS18B20中讀出兩個字節(jié)的溫度數(shù)據(jù)
SETB DQ
NOP
NOP
CLR DQ
NOP
NOP
NOP
SETB DQ
MOV R3,#9
RE10: DJNZ R3,RE10
MOV C,DQ
MOV R3,#23
RE20: DJNZ R3,RE20
RRC A
DJNZ R2,RE01
MOV @R1,A
DEC R1
DJNZ R4,RE00
RET
;/////////////////////////////////////////上面的這些都是溫度采集的!
DISPLAY: MOV A,29H ;將29H中的十六進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)換成10進(jìn)制
MOV B,#10 ;10進(jìn)制/10=10進(jìn)制
DIV AB ;顯示子程序
MOV A_BIT,A ;十位在A
MOV B_BIT,B ;個位在B
MOV DPTR,#NUMTAB ;指定查表啟始地址
MOV R0,#1
DPL1: MOV R1,#25 ;顯示1000次
DPLOP: MOV A,B_BIT ;取個位數(shù)
MOVC A,@A+DPTR ;查個位數(shù)的7段代碼
MOV P0,A ;送出個位的7段代碼
CLR P2.2 ;開個位顯示
ACALL D1MS ;顯示1MS
SETB P2.2
MOV A,A_BIT ;取十位數(shù)
MOVC A,@A+DPTR ;查十位數(shù)的7段代碼
MOV P0,A ;送出十位的7段代碼
CLR P2.1 ;開十位顯示
ACALL D1MS ;顯示1MS
SETB P2.1
MOV P0,#0FFH
DJNZ R1,DPLOP ;100次沒完循環(huán)
DJNZ R0,DPL1 ;4個100次沒完循環(huán)
RET
;/////////////////////////////////////上面這段顯示實(shí)時溫度
;//////////////////////////////////////
DISPLAY1: MOV A,A1 ;將29H中的十六進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)換成10進(jìn)制
MOV B,#10 ;10進(jìn)制/10=10進(jìn)制
DIV AB ;顯示子程序
MOV A_BIT,A ;十位在A
MOV B_BIT,B ;個位在B
MOV DPTR,#NUMTAB ;指定查表啟始地址
MOV R0,#1
DPL11: MOV R1,#25 ;顯示1000次
DPLOP1: MOV A,B_BIT ;取個位數(shù)
MOVC A,@A+DPTR ;查個位數(shù)的7段代碼
MOV P0,A ;送出個位的7段代碼
CLR P2.2 ;開個位顯示
ACALL D1MS ;顯示1MS
SETB P2.2
MOV A,A_BIT ;取十位數(shù)
MOVC A,@A+DPTR ;查十位數(shù)的7段代碼
MOV P0,A ;送出十位的7段代碼
CLR P2.1 ;開十位顯示
ACALL D1MS ;顯示1MS
SETB P2.1
MOV P0,#0FFH
DJNZ R1,DPLOP1 ;100次沒完循環(huán)
DJNZ R0,DPL11 ;4個100次沒完循環(huán)
RET
;/////////////////////////////上面這段顯示設(shè)置溫度
D1MS: MOV R7,#50 ;1MS延時
DJNZ R7,$
RET
DELAY10: MOV R6,#20 ;10MS延時
D3: MOV R5,#255
DJNZ R5,$
DJNZ R6,D3
RET
DELAY125: MOV R6,#255 ;125MS延時
D1: MOV R5,#255
DJNZ R5,$
DJNZ R6,D1
RET
DELAY1S: MOV R7,#8 ;1S延時
D2: LCALL DELAY125
DJNZ R7,D2
RET
;///////////////////////這些都是延時,長短而已
NUMTAB: DB 0C0H,0F9H,0A4H,0B0H
DB 99H,92H,82H,0F8H
DB 80H,90H,88H,83H
DB 0C6H,0A1H,86H,8EH
;////////////////////數(shù)碼管的具體值
END
附錄二:系統(tǒng)硬件總圖
原文標(biāo)題:基于單片機(jī)的水溫控制器的設(shè)計(jì)
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原文標(biāo)題:基于單片機(jī)的水溫控制器的設(shè)計(jì)
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