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基于STC89C52单片机的温度控制电路设计

德州学院

物理与电子信息学院

2011 级电子信息科学与技术

电子系统设计考查报告

基于温度传感器的单片机温控电路设计

一、 设计分析
在各行业中广泛应用的温度控制器及仪器仪表主要具有如下的特点: 一是在 复杂的温度控制系统中能够适应于大惯性、大滞后的控制;二是在受控系统数学 模型难以建立的情况下,得到控制;三是在受控系统中,能够被控制过程很复杂 且参数时变的温度控制系统控制;五是温度控制系统普遍具有参数自检功能,借 助计算机技术, 能控制对象和参数, 并且具有特性进行自动调整的功能等特点[1]。 本次电子工艺实训旨在练习实用单片机系统的设计与安装,掌握典型 51 系 列单片机最小系统及外围电路设计、常用电子元器件的识别、万用板焊接电路的 方法、巩固常用电子仪表测量与调试电路参数的方法,培养创新实践动手能力, 为下学期单片机、电子系统设计等课程奠定理论和实践基础。 具体要求如下: 1. 自行设计以 STC89C52RC40 单片机为控制核心的实用单片机控制系统的硬件 电路,实现至少一个环境参量信息采集、数值显示、报警功能。 2. 3. 根据设计,利用万用板焊接硬件电路,并做简单调试。 要求模块化设计,单片机最小系统模块、显示模块、信息采集报警模块、键 盘模块,主要贵重器件用排座插接,电阻、电容、按键等元器件要求布局合理、 排列整齐,无虚焊。

二、 设计方案
本文设计是以单片机为核心,实现温度实时测控和显示。确定电路中的一些 主要参数,了解温度控制电路的结构,工作原理,对该控制电路性能进行测试。 具体设计方案: (1)本设计是用来测控温度的,可以利用热敏电阻的感温效应,将被测温度 变化的模拟信号,电压或电流的采集过来,首先进行放大和滤波后,再通过 A/D 转换, 将得到的数字量送往单片机中去处理,用数码管将被测得的温度值显示出 来。但是这种电路的设计需要用到放大滤波电路,A/D 转换电路,感温电路等一
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系列模拟电路,设计起来较麻烦[2]。 (2)本设计采用单片机做处理器,可以考虑使用温度传感器,采用由达拉斯 公司研制的 DS18B20 型温度传感器,此传感器可以将被测的温度直接读取出来, 并进行转换,这样就很容易满足设计要求。

从上面的两种方案,可以很容易看出来,虽然方案(2)软件部分设计复杂点, 但是电路比较简单且精度高,故采用方案(2)。

单 片 机 最 设置模块 小 系 统

显示模块

采集模块

图 1. 总体方框图

三、 系统硬件设计
据设计的需求,分析单片机的工作原理,可以大体得出来温度控制电路设计 的总体方框图,主处理器采用单片机 STC89C52RC40,温度采集部分采用温度传 感器,用 4 位 LED 显示数码管作为显示部分,用来将温度显示出来。系统硬件电 路部分由四大模块组成:温度采集模块、温度显示模块、报警模块、键盘模块和 单片机最小系统模块[3]。

(一)单片机最小系统模块 在课题设计的温度控制系统设计中,控制核心是 STC89C52 单片机,该单片
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机为 51 系列增强型 8 位单片机,它有 32 个 I/O 口,片内含 4K FLASH 工艺的程 序存储器,便于用电的方式瞬间擦除和改写,而且价格便宜,其外部晶振为 12MHz,一个指令周期为 1μ S。使用该单片机完全可以完成设计任务,其最小系 统主要包括: 复位电路、 震荡电路以及存储器选择模式 (EA 脚的高低电平选择) , 电路如下图 3.1 所示:

图 2.最小系统

本课题设计的温度控制系统主控制芯片选型为 STC89C52 单片机,其特点如 下: STC89C52 单片机的 40 个引脚中有 2 个专用于主电源引脚,2 个外接晶振的 引脚,4 个控制或与其它电源复用的引脚,以及 32 条输入输出 I/O 引脚。 下面按引脚功能分为 4 个部分叙述个引脚的功能。 (1)电源引脚 Vcc 和 Vss Vcc(40 脚) :接+5V 电源正端 Vss(20 脚) :接+5V 电源正端。 (2)外接晶振引脚 XTAL1 和 XTAL2 XTAL1(19 脚) :接外部石英晶体的一端。在单片机内部,它是一个反相放 大器的输入端,这个放大器构成采用外部时钟时,对于 HMOS 单片机,该引脚接 地;对于 CHOMS 单片机,该引脚作为外部振荡信号的输入端。
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XTAL2(18 脚) :接外部晶体的另一端。在单片机内部,接至片内振荡器的 反相放大器的输出端。当采用外部时钟时,对于 HMOS 单片机,该引脚作为外部 振荡信号的输入端。对于 CHMOS 芯片,该引脚悬空不接。 (3)控制信号或与其它电源复用引脚 控制信号或与其它电源复用引脚有 RST/VPD、ALE/P、PSEN 和 EA/VPP 等 4 种形式。 (A) .RST/VPD(9 脚) :RST 即为 RESET,VPD 为备用电源,所以该引脚为单 片机的上电复位或掉电保护端。 当单片机振荡器工作时,该引脚上出现持续两个 机器周期的高电平,就可实现复位操作,使单片机复位到初始状态。 当 VCC 发生故障,降低到低电平规定值或掉电时,该引脚可接上备用电源 VPD(+5V)为内部 RAM 供电,以保证 RAM 中的数据不丢失。 (B) .ALE/ P (30 脚) :当访问外部存储器时,ALE(允许地址锁存信号) 以每机器周期两次的信号输出,用于锁存出现在 P0 口的低 (C) .PSEN(29 脚):片外程序存储器读选通输出端,低电平有效。当从外部程 序存储器读取指令或常数期间,每个机器周期 PESN 两次有效,以通过数据总线 口读回指令或常数。当访问外部数据存储器期间,PESN 信号将不出现。 (D) .EA/Vpp(31 脚) :EA 为访问外部程序储器控制信号,低电平有效。当 EA 端保持高电平时,单片机访问片内程序存储器 4KB(MS—52 子系列为 8KB) 。 若超出该范围时, 自动转去执行外部程序存储器的程序。当 EA 端保持低电平时, 无论片内有无程序存储器, 均只访问外部程序存储器。对于片内含有 EPROM 的单 片机,在 EPROM 编程期间,该引脚用于接 21V 的编程电源 Vpp。 (4)输入/输出(I/O)引脚 P0 口、P1 口、P2 口及 P3 口 (A).P0 口(39 脚~22 脚) :P0.0~P0.7 统称为 P0 口。当不接外部存储器与 不扩展 I/O 接口时,它可作为准双向 8 位输入/输出接口。当接有外部程序存储 器或扩展 I/O 口时,P0 口为地址/数据分时复用口。它分时提供 8 位双向数据总 线。 对于片内含有 EPROM 的单片机,当 EPROM 编程时,从 P0 口输入指令字节,而当 检验程序时,则输出指令字节。 (B).P1 口(1 脚~8 脚) :P1.0~P1.7 统称为 P1 口,可作为准双向 I/O 接口

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使用。对于 MCS—52 子系列单片机,P1.0 和 P1.1 还有第 2 功能:P1.0 口用作定 时器/计数器 2 的计数脉冲输入端 T2;P1.1 用作定时器/计数器 2 的外部控制端 T2EX。对于 EPROM 编程和进行程序校验时,P0 口接收输入的低 8 位地址。 (C).P2 口(21 脚~28 脚) :P2.0~P2.7 统称为 P2 口,一般可作为准双向 I/O 接口。 当接有外部程序存储器或扩展 I/O 接口且寻址范围超过 256 个字节时, P2 口用于高 8 位地址总线送出高 8 位地址。对于 EPROM 编程和进行程序校验时, P2 口接收输入的 8 位地址。 (D).P3 口(10 脚~17 脚) :P3.0~P3.7 统称为 P3 口。它为双功能口,可以 作为一般的准双向 I/O 接口,也可以将每 1 位用于第 2 功能,而且 P3 口的每一 条引脚均可独立定义为第 1 功能的输入输出或第 2 功能。 P3 口的第 2 功能见下表:

引脚 P3.0 P3.1 P3.2 P3.3 P3.4 P3.5 P3.6 P3.7

第 2 功能 RXD(串行口输入端 0) TXD(串行口输出端) INT0(部中断 0 请求输入端,低电平有效) INT1(中断 1 请求输入端,低电平有效) T0(时器/计数器 0 计数脉冲端) T1(时器/计数器 1 数脉冲端) WR(部数据存储器写选通信号输出端,低电平有效) RD(部数据存储器读选通信号输出端,低电平有效)

表 1 单片机 P3.0 管脚含义

(二) 温度采集模块 DS18B20 温度传感器是美国达拉斯 (DALLAS)半导体公司推出的应用单总线 技术的数字温度传感器。该器件将半导体温敏器件、A/D 转换器、存储器等做在 一个很小的集成电路芯片上。本设计中温度传感器之所以选择单线数字器件 DS18B20,是在经过多方面比较和考虑后决定的,主要有以下几方面的原因:
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(1)系统的特性:测温范围为-55℃~+125℃ ,测温精度为士 0.5℃;温 度转换精度 9~12 位可变,能够直接将温度转换值以 16 位二进制数码的方式串 行输出;12 位精度转换的最大时间为 750ms;可以通过数据线供电,具有超低功 耗工作方式。 (2)系统成本:由于计算机技术和微电子技术的发展,新型大规模集成电 路功能越来越强大,体积越来越小,而价格也越来越低。 (3)系统复杂度:由于 DS18B20 是单总线器件,微处理器与其接口时仅需 占用 1 个 I/O 端口且一条总线上可以挂接几十个 DS18B20,测温时无需任何外部 元件, 因此, 与模拟传感器相比, 可以大大减少接线的数量, 降低系统的复杂度, 减少工程的施工量。 (4)系统的调试和维护:由于引线的减少,使得系统接口大为简化,给系 统的调试带来方便。同时因为 DS18B20 是全数字元器件,故障率很低,抗干扰性 强,因此,减少了系统的日常维护工作。 DS18B20 温度传感器只有三根外引线:单线数据传输总线端口 DQ ,外供电 源线 VDD,共用地线 GND。DS18B20 有两种供电方式:一种为数据线供电方式, 此时 VDD 接地, 它是通过内部电容在空闲时从数据线获取能量, 来完成温度转换, 相应的完成温度转换的时间较长。这种情况下,用单片机的一个 I/O 口来完成对 DS18B20 总线的上拉。 另一种是外部供电方式(VDD 接+5V),相应的完成温度测量 的时间较短。 (三) 报警模块 设计中的报警装置电路用到了发光二级管、三极管、10K 的电阻。将发光二 级管的一端接地, 另一端接三极管的发射极,三极管的基极通过电阻接在三极管 上,三极管的集电极电源。

图 5.报警器 6

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(四) 键盘模块 键盘实际是就是很多案件的一种组合,按键的按下与否形成一个高低电平, 主控芯片 CPU 通过高低电平来识别所需信号,进而使程序进行下一步的操作。键 盘操作的软硬件的设计有以下几个方面的问题: 对于此设计来说我们要准确的 显示我们所要对应的信息, 每按一次按键要显示所要显示的信息。这按键是主要 用来控制温度而设计的。这样比键盘操作方便,也比较实惠。按键电路采用中断 模式。

图 6.键盘输入

(五) 显示、指示模块 本模块用的是 0.56 英寸 2 位数码管红色共阳数码管 5261BS, 一般正向压降的 都是 1.5~2V,额定电流为 10mA,通过最大的电流为 40mA。根据各种不同管接 线的方式,可将数码管分成共阴极型和共阳极型。

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图 7.数码管

(六)系统总电路图 系统整体硬件电路包括,传感器数据采集电路,温度显示电路,单片机主控 电路等,通过 Altium Designer 可画出如图所示的电路图[4][5][6]

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图8. 系统总电路图

四、系统硬件制作
(一)硬件电路制作方法 1.按照电路图插接面包板,连接线路。 2.电路焊接,将各元件焊接到面包板上。 (二)硬件电路制作过程 1.准备好各类器件以及工具。 2.按电路图插接好面包板,先焊接小器件及简单电路. 3.用电线连接距离较远的器件,进行焊接. 4.焊接完成后用万用表进行电路测试,确保没有短路。

五、系统软件设计
(一)软件设计思路及流程图
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主控制程序的主要是用来实时控制当前所要测控的环境温度,并读出由 DS18B20 测量的经过处理的当前环境的温度值,同时检查温度是否在限度之内, 否则报警,同时调整温度值。其主控制程序流程图如 9 所示。

发温度转换命令 开始 发 DS18B20 复位命令

STC89C52 初始化 DS18B20 初始化

发跳过读序列号命令

温度是否到 达设定限度 Y 红灯亮 N Y 温度在显 示范围内 温度显示

读取操作,CRC 校验 Y N 9 字节完? Y CRC 校验正?
确?

N

移入温度暂存器 N 结束 结束

图9 主程序流程图

图10 读温度流程图

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1.读温度子程序
读温度子程序的功能主要是用来将随机存储器中的 9 个字节读出, 在读出字 节时侯,需要进行冗余码校验。在校验到有错误的时侯,所测得的温度数据就会 不进行改写。其读温度子程序流程图如 10 所示。 2.温度转换子程序 温度转换命令子程序的功能主要是用来发送温度开始转换命令, 让温度转换 自动进行,其温度转换命令子程序流程图如 11 所示。

发 DS18B20 复位命令

发跳过读序列号命令

发温度转换开始命令

结束

图 11 温度转换流程图

3.计算温度子程序 计算温度子程序的功能主要将随机存储器中的温度数值读取出来, 将取得的 温度数值的每一位经过计算分别取出来,放入指定的字节中,并进行温度值数正

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负的判定。计算温度子程序流程图如 12 所示。

开始 N 温度零下? Y 温度值取补码置“—”标志 置“+”标志

取出小数位的温度值

取出整数位的温度值

结束

图 12.计算温度流程图

图 3-4

计算温度流程图

4.温度显示子程序 温度显示子程序的功能主要是对显示数据寄存器中的数据反复进行刷新操

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作。如果最高位显示是 0 时的时候,就将符号显示位立即移入下一位字节中。温 度显示子程序流程图如 13 所示。

温度数据移入显示寄存器

N 十位数 0? Y 百位数 0? Y 十位数显示符号百 位数不显示 百位数显示数据 (不显示符号)

N

结束

图 13. 温度显示数据刷新流程图

(二)程序源代码 #include <reg51.h> #define uint unsigned int #define uchar unsigned char sbit p34=P2^4; sbit p35=P2^5; sbit p36=P2^6; sbit dp=P0^7; sbit p37=P2^7; sbit DQ=P2^2; //定义 DS18B20 总线 I/O

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sbit SET=P3^1; 下限) sbit LING=P2^0; signed char m; bit sign=0;

//定义选择报调整警温度上限和下限(1 为上限,0 为

//定义闪烁 //温度值全局变量 //外部中断状态标志 //上限报警温度,默认值为 38 //下限报警温度,默认值为 5

signed char shangxian=38; signed char xiaxian=5; ucharcode

LEDData[]={0xc0,0xf9,0xa4,0xb0,0x99,0x92,0x82,0xf8,0x80,0x90,0xff,0xb f}; /*****延时子程序*****/ void Delay(uint i) { while( i-- ); } /*****初始化 DS18B20*****/ void Init_DS18B20(void) { unsigned char x=0; DQ=1; Delay(8); DQ=0; Delay(80); DQ=1; Delay(14); x=DQ; Delay(20); } /*****读一个字节*****/ //稍做延时后,如果 x=0 则初始化成功,x=1 则初始化失败 //稍做延时 //单片机将 DQ 拉低 //精确延时,大于 480us //拉高总线

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unsigned char ReadOneChar(void) { unsigned char i=0; unsigned char dat=0; for (i=8;i>0;i--) { DQ=0; dat>>=1; DQ=1; if(DQ) dat|=0x80; Delay(4); } return(dat); } /*****写一个字节*****/ void { unsigned char i=0; for (i=8; i>0; i--) { DQ=0; DQ=dat&0x01; Delay(5); DQ=1; dat>>=1; } } void Tmpchange(void) //发送温度转换命令 WriteOneChar(unsigned char dat) // 给脉冲信号 // 给脉冲信号

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{ Init_DS18B20(); WriteOneChar(0xCC); WriteOneChar(0x44); } /*****读取温度*****/ unsigned int ReadTemperature(void) { unsigned char a=0; unsigned char b=0; unsigned int t=0; float tt=0; Tmpchange(); Init_DS18B20(); WriteOneChar(0xCC); WriteOneChar(0xBE); a=ReadOneChar(); b=ReadOneChar(); t=b; t<<=8; t=t|a; tt=t*0.0625; t= tt*100+0.5; return(t); } /*****显示开机初始化等待画面*****/ Disp_init() { P0 = 0x80; //显示//放大 100 倍输出并四舍五入 //跳过读序号列号的操作 //读取温度寄存器 //读低 8 位 //读高 8 位 //跳过读序号列号的操作 //启动温度转换

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p34=1;p35=0;p36=0;p37=0; Delay(200); P0 = 0x80; p34=0;p35=1;p36=0;p37=0; Delay(200); P0 = 0x80; p34=0;p35=0;p36=1;p37=0; Delay(200); P0 = 0x80; p34=0;p35=0;p36=0;p37=1; Delay(200); P0 = 0x80;

} /*****显示温度子程序*****/ Disp_Temperature() { uint a,b,c,d,e; e=ReadTemperature(); a=e/1000; b=e/100-a*10; d=e%10; c=(e%100)/10; m=e/100; if(m>shangxian || m<xiaxian) LING=1; else LING=0; p34=0;p35=0;p36=0;p37=0; P0 =LEDData[d]; p34=1;p35=0;p36=0;p37=0; //显示小数点后两位 //温度不在范围内报警 //获取温度值 //计算得到十位数字 //计算得到个位数字 //计算得到小数点后两位 //计算得到小数点后一位 //显示温度

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Delay(300); p34=0;p35=0;p36=0;p37=0; P0 =LEDData[c]; p34=0;p35=1;p36=0;p37=0; Delay(300); p34=0;p35=0;p36=0;p37=0; P0 =LEDData[b]; dp=0; p34=0;p35=0;p36=1;p37=0; Delay(300); p34=0;p35=0;p36=0;p37=0; P0 =LEDData[a]; p34=0;p35=0;p36=0;p37=1; Delay(300); p34=0;p35=0;p36=0;p37=0; //关闭显示 //显示十位 //显示个位 //显示小数点后一位

}

disptiaozheng() { uchar f,g,j,k; f=shangxian/10; g=shangxian%10; j=xiaxian/10; k=xiaxian%10; p34=0;p35=0;p36=0;p37=0; P0 =0xc0; p34=1;p35=0;p36=0;p37=0; Delay(200); //显示 0

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p34=0;p35=0;p36=0;p37=0; P0 =0xc0; p34=0;p35=1;p36=0;p37=0; Delay(200); p34=0;p35=0;p36=0;p37=0; if(SET==1) { P0 =LEDData[g]; dp=0; } else { P0 =LEDData[k]; dp=0; } p34=0;p35=0;p36=1;p37=0; Delay(200); p34=0;p35=0;p36=0;p37=0; if(SET==1) P0 =LEDData[f]; else { if(f==0) P0=0x00; else P0 =LEDData[j]; } p34=0;p35=0;p36=0;p37=1; Delay(200); p34=0;p35=0;p36=0;p37=0; Delay(20); } //关闭显示 //不显示下限温度十位 //显示下限温度十位 //显示上限温度十位 //显示上限温度个位 //显示 0

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/*****外部中断 0 服务程序*****/ void int0(void) interrupt 0 { EX0=0; sign=1; if(SET==1) shangxian++; else xiaxian++; Delay(500); EX0=1; } /*****外部中断 1 服务程序*****/ void int1(void) interrupt 2 { //关外部中断 0

EX1=0; sign=1; if(SET==1) shangxian--; else xiaxian--; Delay(500); EX1=1; } /*****主函数*****/ void main(void) { uint z; IT0=1; IT1=1; EX0=1; EX1=1;

//关外部中断 0

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EA=1; ReadTemperature(); LING=0; for(z=0;z<100;z++) { Disp_init(); } while(1) { Disp_Temperature(); if(sign==1) { for(z=0;z<300;z++) disptiaozheng(); sign=0; } } }

六、系统调试
(一)调试方法 单片机应用系统样机组装好以后,便可进入系统的在线(联仿真器)调试, 其主要任务是排除样机硬件故障,并完善其硬件结构,试运行所设计的程序,排 除程序错误,优化程序结构,使系统达到期望的功能,进而固化软件,使其产品 化。 单片机应用系统的硬件和软件调试是交叉进行的,但通常是先排除样机中明 显的硬件故障,尤其是电源故障,才能安全地和仿真器相连,进行综合调试。本 设计调试过程中所用的调试方法有:静态测试、联仿真器在线调试等。 软件调试所使用的方法有:计算程序的调试方法、I/O 处理程序的调试法、
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综合调试法等。

(二)调试过程及现象 计算程序的错误是一种静态的固定的错误,因此主要用单拍或断点运行方式 来调试。根据计算程序的功能,事先准备好一组测试数据。调试时,用防真器的 写命令, 将数据写入计算程序的参数缓冲单元, 然后从计算程序开始运行到结束, 运行的结果和正确数据比较,如果对有的测试数据进行测试,都没有发生错误, 则该计算程序调试成功;如果发现结果不正确,改用单步运行方式,即可检查出 错误所在。计算程序的修改视错误性质而定。若是算法错误,那是根本性错误, 应重新设计该程序;若是局部的指令有错,修改即可。如果用于测试的数据没有 全部覆盖实际计算的原始数据的类型, 调试没有发现错误可能在系统运行过程中 暴露出来。 对于 A/D 转换一类的 I/O 处理程序是实时处理程序,因此一般用全速断点运 行方式或连续运行方式进行调试。 在完成了各个模块程序(或各个任务程序)的调试工作以后,便可进行系统 的综合调试。 综合调试一般采用全速断点运行方式,这个阶段的主要工作社排除 系统中遗留的错误以提高系统的动态性能和精度。在综合调试的最后阶段,应在 目标系统的晶振频率工作, 使系统全速运行目标程序,实现了预定功能技术指标 后,便可将软件固化,然后在运行固化的目标程序,成功后目标系统便可脱机运 行。一般情况下,这样一个应用系统就算研制成功了。

七、设计总结
通过本次实训,我们学会了怎样把所学的书本知识应用于实践中去,并学会 了如何去思考整个控制系统的软硬件设计。实践过程中我们遇到了一些困难,但 在解决问题的过程中,我们学会了团队合作精神和怎样发现问题、分析问题,进 而解决问题。 (1)本次基于单片机温控电路的温度传感器的设计经过了整体分析、模块化 分析、 整体与模块的仿真分析这样三个步骤,实现了温度的显示以及报警显示功 能。 。

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(2)本次设计可以说达到了预期的要求,但尚有需要改进的地方。随着温度 采集现场的复杂程度加大, 如果依然用一个传感器来采集温度,必然反映不了真 实的现场情况, 这时一个很好的解决办法就是在总线上挂多个传感器,实行多路 采集并且还可以加上时钟控制电路,实现实时温度控制。 目前,国内外温度控制系统及仪表正朝着高精度、智能化、小型化等方面 快速发展。现如今计算机的高速数据处理能力,和它丰富的利用资源,以及强大 的逻辑功能, 能够根据自己设计的实际需求进行灵活的资源采集分配,适当的增 加或者减少其控制信号, 输出的路数,这样就能够合理的设置温度控制的范围与 路数,给以后的实际应用提供了可靠的、有力的控制系统解决方案。此次课程设 计不仅增强了我们学习专业课的兴趣,而且给了我们勇气和信心,更重要的是它 为我们以后的学习指明了方向。

八、参考文献
[1] 刘娟,梁卫文,程莉等.单片机 C 语言与 Protues 仿真技能实训.北京: 中国电力出版社,2010,119-176. [2]余孟尝主编.数字电子技术基础简明教程(第二版) [M] .北京:高等教育出 版社,2000,8:45-56. [3]童诗白、华成英主编.模拟电子技术基础(第四版) [M ] .北京:高等教育出 版社,2006,5 328-415. [4] 赵福按. 电子电路设计与实践[M]. 山东: 山东科学出版社, 2001, 110-118.

[5] 陈金平.电子系统设计[M].北京:国防工业出版社,2007,18-30. [6] 康华光. 电子技术基础 (数字部分) . 北京: 高等教育出版社, 1998, 140-160。

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