基于单片机的热水器温度控制系统设计

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长沙航空职业技术学院(2012届)

毕业生毕业设计(论文)

基于单片机的热水器温度控制系统设计

系 别:专 业:

姓 名:班 级: 学号: 指导老师姓名: 职称: 最终评定成绩:

2012年5月

长沙航空职业技术学院2012届毕业生毕业设计(论文) 摘要

温度是一种最基本的环境参数,人们生活与环境温度息息相关;在工业生产中也离不开温度的检测和控制。随着国民经济的发展,人们需要对各种加热器、热处理炉、反应炉和锅炉的温度进行检测和精确控制。因此研究温度的检测和控制具有重要的意义。

本论文介绍了一种基于AT89S52单片机为主要控制器件,以DS18B20为温度传感器的热水器温度控制系统。本系统通过DS18B20实时检测电热棒所加热的水温温度,由单片机从DS18B20读取出所测量出的温度数值,然后通过软件程序进行判断,控制固态继电器SSR的通断,再控制加热棒是否加热,从而实现实时检测并精准控制水温的目的。利用软件编程和外围电路,结合智能温度传感器DS18B20,通过按键能够任意设置温度上下限报警。显示电路采用四位LED共阴数码管来显示检测的水温数值。

本系统可以方便的实现温度的检测控制和显示,具有精度高、量程宽、灵敏度高、体积小、功耗低等特点,适用于我们的日常生活和工、农业生产中的温度检测控制领域。同时,也可以当作温度处理模块,嵌入到其他系统中,作为其他主系统的辅助扩展。本系统结构简单,抗干扰能力强,适合在恶劣环境下进行现场温度检测控制,具有广泛的应用前景。

关键词: AT89S52 DS18B20 温度控制 固态继电器

Abstract

Temperature is one of the most fundamental environmental parameters,people's lives and is closely related to the ambient temperature; temperature detection and control in industrial production is also inseparable. With the development of the national economy, people need to detect and precisely control the temperature of the various heaters, heat treatment furnaces, reactors and boilers. Therefore, the temperature detection and control of the study has important significance.

This paper describes the water heater temperature control system based on AT89S52 microcontroller as the main control device,DS18B20 as the temperature sensor. The water temperature is the temperature of the system through the the DS18B20 real-time detection of electric heating rods are heated by the microcontroller from the DS18B20 read out the measured

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长沙航空职业技术学院2012届毕业生毕业设计(论文) temperature values, and then be judged by a software program, on-off control Solid State Relay (SSR), to control whether the heating rods heating , in order to achieve real-time detection and precise water temperature control purposes. Software programming and peripheral circuits, combined with intelligent temperature sensor DS18B20 were able to set upper and lower temperature alarm button. Common cathode circuit uses four LED digital tube to detect the water temperature value is displayed.

The system can facilitate the detection of temperature control and display, with high accuracy, wide range, high sensitivity, small size, low power consumption, applies to our daily life and work, the temperature in the agricultural production in the field of detection and control. Meanwhile, it is also can be used as the temperature of the processing module, embedded into other systems, as the auxiliary expansion of other primary system. The system structure is simple, strong anti-jamming capability, suitable for use in harsh environments, the scene temperature detection control, has a broad application prospects.

Keywords: AT89S52 DS18B20 temperature control solid state relay

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长沙航空职业技术学院2012届毕业生毕业设计(论文) 目录

目录 ............................................................................................................................ 4 第1章 绪论 .............................................................................................................. 6 1.1课题研究背景 ..................................................................................................... 6 1.2温度控制系统的发展现状 ................................................................................. 7 1.3系统设计要求 ..................................................................................................... 8 第2章 系统总体方案设计与论证 .......................................................................... 9 2.1系统微处理器方案的选择与论证 ..................................................................... 9 2.2温度检测模块电路方案的选择与论证 ............................................................. 9 2.3温度控制模块电路方案的选择与论证 ........................................................... 10 2.4温度设置模块电路方案的选择与论证 ........................................................... 11 2.5温度显示模块电路方案的选择与论证 ........................................................... 12 2.6加热器方案的选择与论证 ............................................................................... 13 第3章 系统总体框图设计 .................................................................................... 13 3.1系统硬件框图设计 ........................................................................................... 13 第4章 系统硬件模块电路设计 ............................................................................ 14 4.1系统电源模块电路设计 ................................................................................... 14 4.2单片机最小系统模块电路设计 ....................................................................... 14 4.3温度检测模块电路设计 ................................................................................... 16 4.3.1温度传感器DS18B20的介绍 .................................................................... 16 4.4温度控制模块电路设计 ................................................................................... 18 4.5温度设置模块电路设计 ................................................................................... 18 4.6温度报警模块电路设计 ................................................................................... 19 4.7温度显示模块电路设计 ................................................................................... 20 第5章 系统软件设计 ............................................................................................ 20 5.1系统软件主程序设计 ....................................................................................... 20 5.2温度读取子程序设计 ....................................................................................... 22 5.3温度计算子程序设计 ....................................................................................... 23 5.4温度转换命令子程序设计 ............................................................................... 23 5.5显示数据刷新子程序设计 ............................................................................... 24 5.6按键扫描处理子程序设计 ............................................................................... 25 第6章 系统仿真调试 ............................................................................................ 26 6.1仿真软件Proteus简介 ................................................................................... 26 6.2系统仿真调试过程 ........................................................................................... 27 6.3系统仿真调试结果 ........................................................................................... 29 设计总结 .................................................................................................................. 30 致谢 .......................................................................................................................... 31

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长沙航空职业技术学院2012届毕业生毕业设计(论文) 参考文献 .................................................................................................................. 33 附录1 原理图与PCB图 ......................................................................................... 34 附录2 元器件清单 ................................................................................................. 36 附录3 参考程序 ..................................................................................................... 37

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长沙航空职业技术学院2012届毕业生毕业设计(论文) u(t)?Kpe(t)?Ki?e(t)dt?Kdde(t)dt (1)

其中Kp---为调节器的比例放大系数

Ki---为积分时间常数 Kd---为微分时间常数

PID调节器的离散化表达式为

u(k)?Kpe(k)?KiTe(k)??u(k)?u(k)?u(k?1)

其增量表达形式为:

?Kp[e(k)?e(k?1)]?KiTe(k)?Kd[e(k)?e(k?1)]T

其中T为采样周期。

Kd[e(k)?2e(k?1)?e(k?2)]T

可见温度PID调节器有三个可设定参数,即比例放大系数Kp、积分时间常数Ki、微分时间常数Kd。比例调节的作用是使调节过程趋于

稳定,但会产生稳态误差;积分作用可消除被调量的稳态误差,但可能会使系统振荡甚至使系统不稳定;微分作用能有效的减小动态偏差。

在实际使用中,在满足生产过程需要的前提下,应尽量选择简单的调节器,这样,既节省投资,又便于维护。常规PID控制调节器是一种应用广泛技术成熟的控制方法,它能满足一般工业控制的要求,其优点是原理简单、使用方便、适应性广。采用PID控制,控制效果的好坏很大程度上取决于PID三个控制参数的确定。 方案二:采用自动控制

由单片机从DS18B20读取出所测量出的温度数值,然后通过软件程序进行判断,控制固态继电器SSR的通断,再控制加热棒是否加热,从而实现实时检测并精准控制温度的目的。而且,固态继电器具有可靠性高、灵敏度高、转换速度快、成本低等特点。

综上所述,PID控制虽然简单实用、应用广泛,但其参数一旦出现变化,其控制精度和质量便无法保证。因此,本系统选择方案二。

2.4温度设置模块电路方案的选择与论证

方案一:采用矩阵键盘

矩阵式键盘又叫行列式键盘。用I/O口线组成行列结构,按键设置在行列的交叉点上。一个4x4的行、列可以构成一个含有16个按键的键盘,在按键较多时,矩阵式键盘可以节省I/O口。其结构如下图所示。

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长沙航空职业技术学院2012届毕业生毕业设计(论文) 方案二:采用独立式按键

每个按键的电路都是独立的,占用一条数据线,上拉电阻保证了按键断开时,I/O口线有确定的高电平。当其中任意一键按下时,它所对应的数据线的电平就变成低电平,若无键按下,则所有数据线就是高电平。这种键盘电路配置灵活,占用I/O口多,适合少量按键的情况。其结构如下图所示。

综上所述,本系统只需要三个按键,故选择方案二。

2.5温度显示模块电路方案的选择与论证

方案一:采用LCD液晶显示

液晶显示器是一种被动式的显示器,即液晶本身并不发光,而是利用液晶经过处理后能改变光线通过方向的特性,而达到白底黑字或黑底白字显示的目的。LCD液晶的像素单元是整合在同一块液晶版当中分隔出来的小方格。通过数码控制这些极小的方格进行显像。显示非常细腻,但相对来说,成本也较高。

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长沙航空职业技术学院2012届毕业生毕业设计(论文) 方案二:采用LED数码管

LED数码显示中每一个像素单元就是一个发光二极管,单色数码管一般是红色发光二级管。彩色数码管,一般是三个三原色小二极管组成的一个大二级管。这些二级管组成的矩阵由数码控制实时显示文字或者图像,造价相对低廉,组成的显像面积大。

综上所述,考虑到本系统只需要对温度进行显示,故选择方案二。

2.6加热器方案的选择与论证

方案一:采用热得快

采用现在市场上常见的加热器(俗称热得快),功率大约在1000~2000W左右,这种加热器功率大,加热速度比较快,但是也正是因为如此,使得其温度难以控制。 方案二:采用加热棒

另一种方案是采用加热棒,功率在250W左右,这种加热棒的功率不大,加热速度虽然相比大功率的加热器要慢一些,但是其温度更容易控制,适合简易实用的热水器温度控制系统。

综上所述,本系统考虑到希望能对水温尽可能的实现更为精准的控制,故选择方案二。

第3章 系统总体框图设计

3.1系统硬件框图设计

此次设计旨在开发一种简单实用、性能稳定可靠的热水器温度控制系统,控制对象为250W左右的加热棒。其基本工作原理是系统通过DS18B20实时检测电热棒所加热的水温温度,由单片机AT89S52从DS18B20读取出所测量出的温度数值,然后通过软件程序进行判断,控制固态继电器SSR的通断,再控制加热棒是否加热,从而实现实时检测并精准控制水温的目的。利用软件编程和外围电路,结合智能温度传感器DS18B20,通过按键能够任意设置温度上下限报警,当温度低于所设置的下限温度值时,LED发光、蜂鸣器发声报警;当温度高于所设置的上限温度值时,LED发光、蜂鸣器发声报警。同时,显示电路采用四位LED共阴数码管来显示检测的水温数值。

本系统主要分七大模块:微处理器模块、温度检测模块、温度控制模块、显示模块、按键模块、电源模块、报警模块,电路整体框图如图3.1.1所示。

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时钟电路 复位电路 按键输入 报警电路 电源电路 CPU AT89S52 DS18B20温度传感器 SSR 固态继电器 250W加热棒 LED数码管 图3.1.1 系统硬件框图

第4章 系统硬件模块电路设计

4.1系统电源模块电路设计

系统的各个模块电路都需要外部电源,经过分析,单片机系统模块、温度控制模块、温度检测模块、温度设置模块、温度显示模块、蜂鸣报警模块,都需要用DC+5V电源方能正常工作。故电源模块需设计一个能够满足整个系统需要的稳定的DC+5V电源。整个电源模块电路的工作原理是:AC220V通过6V变压器变压之后从IN端输入,经过D1、D2、D3、D4组成的桥式整流,把交流电变成脉动直流电,再经C5滤波,得到比较平缓的9V直流电,再经过直流稳压模块LM7805后,得到一个比较稳定的DC+5V电压,给整个系统的各模块电路供电。其电路原理图如图4.1.1所示。

图2.7 电源模块

4.2单片机最小系统模块电路设计

AT89S52是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器,具有8K在

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长沙航空职业技术学院2012届毕业生毕业设计(论文) 系统可编程Flash存储器。使用Atmel 公司高密度非易失性存储器技术制造,与工业80C51 产品指令和引脚完全兼容。片上Flash允许程序存储器在系统可编程,亦适于常规编程器。AT89S52具有以下标准功能:8k字节Flash,256字节RAM, 32 位I/O 口线,看门狗定时器,2 个数据指针,三个16 位 定时器/计数器,一个6向量2级中断结构,全双工串行口,片内晶振及时钟电路。另外,AT89S52 可降至0Hz 静态逻 辑操作,支持2种软件可选择节电模式。空闲模式下,CPU 停止工作,允许RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工作。掉电保护方式下,RAM内容被保存,振荡器被冻结,单片机一切工作停止,直到下一个中断或硬件复位为止。单片机最小系统由AT89S52、时钟电路和复位电路组成。其电路原理图如图4.2.1所示。

图4.2.1单片机最小系统模块电路

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长沙航空职业技术学院2012届毕业生毕业设计(论文) 第6章 系统仿真调试

6.1仿真软件Proteus简介

Proteus软件是英国Labcenter electronics公司出版的EDA工具软件(仿真软件),从原理图布图、代码调试到单片机与外围电路协同仿真,一键切换到PCB设计,真正实现了从概念到产品的完整设计。是目前世界上唯一将电路仿真软件、PCB设计软件和虚拟模型仿真软件三合一的设计平台,其处理器模型支持8051、HC11、PIC10/12/16/18/24/30/DsPIC33、AVR、ARM、8086和MSP430等,2010年即将增加Cortex和DSP系列处理器,并持续增加其他系列处理器模型。在编译方面,它也支持IAR、Keil和MPLAB等多种编译器。 该软件的特点是:

1. 实现了单片机仿真和SPICE电路仿真相结合,具有模拟电路仿真、数字电路仿真、各种单片机(51系列、AVR、PIG等常用的MCU)及其外围电路(如LCD、RAM、ROM、键盘、LED、A/D、D/A??)组成的系统仿真。

2. 提供了多种虚拟仪器。如示波器、逻辑分析仪、信号发生器等,调试非常方便。

3. 提供软件调试功能,同时支持第三方的软件编译和调试环境,如Keil等软件。

4. 具有强大的原理图绘制功能。Proteus与其它单片机仿真软件不同的是,它不仅能仿真单片机CPU的工作情况,也能仿真单片机外围电路或没有单片机参与的其它电路的工作情况。因此在仿真和程序调试时,关心的不再是某些语句执行时单片机寄存器和存储器内容的改变,而是从工程的角度直接看程序运行和电路工作的过程和结果。对于这样的仿真实验.从某种意义上讲,是弥补了.实验和工程应用阉脱节的矛盾和现象。同时,当硬件调试成功后,利用Proteus ARES软件,很容易获得其PCB图,为今后的制造提供了方便。

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长沙航空职业技术学院2012届毕业生毕业设计(论文) 6.2系统仿真调试过程

系统最重要的两个部分就是软件部分和硬件部分。硬件各模块电路和软件各模块程序设计完成后,就可以进行软件仿真调试了。当第一次按下SET键时,进入温度报警上限调节,可按ADD或DEC分别对报警温度进行加一或减一;当第二次按下SET键时,进入温度报警下限调节,可按ADD或DEC分别对报警温度进行加一或减一;当第三次按下SET键时,退出温度值报警设置,数码管显示当前温度值。以下系统仿真调试设置温度下限值为10℃,温度上限值为90℃。

1、当实际水温温度小于或等于所设置的下限温度值时,D1发光报警,蜂鸣器发声报警,继电器SSR闭合,加热棒开始加热。其仿真调试如图6.2.1所示。

图6.2.1

2、当实际水温温度大于所设置的下限温度值10℃,小于所设置的上限温度值90℃时,D1不发光报警,蜂鸣器不发声报警,继电器SSR闭合,加热棒开始加热。其仿真调试如图6.2.2和图6.2.3所示。

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图6.2.2

图6.2.3

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长沙航空职业技术学院2012届毕业生毕业设计(论文) 3、当实际水温温度大于所设置的上限温度值90℃时,D1发光报警,蜂鸣器发声报警,继电器SSR断开,加热棒停止加热。其仿真调试如图6.2.4所示。

图6.2.4

6.3系统仿真调试结果

经过Proteus仿真软件的多次调试,结果表明系统能够较好的测量和控制水温的温度。实现了系统设计要求中的功能,温度测量范围为-55℃~125℃,具有恒温功能,可以任意设置温度上下限报警,达到了此次设计的预期目标。

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长沙航空职业技术学院2012届毕业生毕业设计(论文) 设计总结

在完成此次设计的过程中,我花费了不少的时间和精力,其中也遇到过不少困难和问题。每当遇到困难时,我就查阅资料,或是自己冥思苦想,或是求助于老师和同学,然后自己不断的进行实验验证,结果遇到的所有问题都被一一解决。最终“皇天不负有心人”,凭借着老师同学的帮助和自己的努力,我顺利的完成了基于单片机的热水器温度控制系统的毕业设计任务。

本次设计完成了采用AT89S52单片机作为主控芯片的热水器温度控制系统的设计任务。系统通过DS18B20实时检测电热棒所加热的水温温度,由单片机AT89S52从DS18B20读取出所测量出的温度数值,然后通过软件程序进行判断来控制固态继电器SSR的通断,再控制加热棒是否加热,从而实现实时检测并精准控制水温的目的。利用软件编程和硬件外围电路,结合智能温度传感器DS18B20,通过按键能够任意设置温度上下限报警。采用四位LED共阴数码管来显示检测的水温数值,效果明显,经济实用。

本系统可以方便的实现温度的检测控制和显示,具有精度高、量程宽、灵敏度高、体积小、功耗低等特点,适用于我们的日常生活和工、农业生产中的温度检测控制领域。同时,也可以当作温度处理模块,嵌入到其他系统中,作为其他主系统的辅助扩展。本系统结构简单,抗干扰能力强,适合在恶劣环境下进行现场温度检测控制,具有广泛的应用前景。

这次毕业设计基本完成了课题的设计任务和要求,实现了对热水器温度的检测和控制。通过测试表明,系统的设计是正确的,可行的。但是由于我的设计经验和专业知识水平有限,系统还存在许多不足和缺陷。在此,恳请老师批评指正。

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长沙航空职业技术学院2012届毕业生毕业设计(论文) 附录2 元器件清单

元器件名称 单片机 石英晶振 瓷片电容 电解电容 电阻 排阻 两孔插座 电源开关 整流二极管 瓷片电容 瓷片电容 电解电容 电解电容 电阻 发光二极管 稳压模块 电阻 三极管 二极管 固态继电器 轻触开关 LED数码管 温度传感器 电阻 电阻 电阻 电阻 三极管 蜂鸣器 发光二极管

型号/大小 AT89S52 11.0592M 15pF 10uF 2W/10K 510 220V/10A 220V/10A 1N4007 22nF 100nF 2200uF/50V 47uF/25V 2W/470 红色 LM7805 2W/1K 8050 1N4148 220V/5A 四位共阴极 DS18B20 2W/4K7 2W/510 2W/5K1 2W/2K 8550 绿色 个数 1 1 2 1 4 1 3 1 4 4 3 1 1 1 1 1 1 1 1 1 3 1 1 1 1 1 1 1 1 1 基于单片机的温度控制系统设计——第 36 页 共 45 页

长沙航空职业技术学院2012届毕业生毕业设计(论文) 附录3 参考程序

//*****宏定义*****// #include

#include//_nop_();延时函数 #define dm P0

#define uint unsigned int #define uchar unsigned char

//******定义端口******//

sbit DQ=P1^0;//定义DS18B20总线IO sbit beep=P1^1;//蜂鸣器 sbit LED=P1^2;//LED

sbit JDQ=P1^3;//SSR继电器

sbit w0=P2^0;//数码管位码端口定义 sbit w1=P2^1; sbit w2=P2^2; sbit w3=P2^3;

sbit SET=P3^0;//温度设置切换 sbit ADD=P3^1;//温度加 sbit DEC=P3^2;//温度减

int temp1=0; uint h,temp;

uchar high=90,low=10;

uchar r,sign,q=0,tt=0,scale;

//************段码显示*************// uchar code ditab[16]={0x00,0x01,0x01,0x02,0x03,0x03,0x04,0x04,

0x05,0x06,0x06,0x07,0x08,0x08,0x09,0x09};//小数部分段码表

uchar code table_dm[12]={0x3f,0x06,0x5b,0x4f,0x66,0x6d, 0x7d,0x07,0x7f,0x6f,0x00,0x40}; uchar table_dm1[]={0xbf,0x86,0xdb,0xcf,0xe6,

0xed,0xfd,0x87,0xff,0xef};//个位带小数点的段码表

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长沙航空职业技术学院2012届毕业生毕业设计(论文) uchar data temp_data[2]={0x00,0x00};//读出温度暂放

uchar data display[5]={0x00,0x00,0x00,0x00,0x00};//显示单元数据,共4个数据和1个运算暂用

//**************11us延时函数*************// void delay(uint t) {

for(;t>0;t--); }

void scan() {

int j;

for(j=0;j<4;j++) {

switch(j) {

case

0:dm=table_dm[display[0]];w0=0;delay(50);w0=1;//小数 case

1:dm=table_dm1[display[1]];w1=0;delay(50);w1=1;//个位 case

2:dm=table_dm[display[2]];w2=0;delay(50);w2=1;//十位 case

3:dm=table_dm[display[3]];w3=0;delay(50);w3=1;//百位 } } }

//************DS18B20复位函数************// ow_reset(void) {

char presence=1; while(presence) {

while(presence) {

DQ=1;_nop_();_nop_();//从高拉到低

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长沙航空职业技术学院2012届毕业生毕业设计(论文) DQ=0;

delay(50);//550us DQ=1;

delay(6);//66us

presence=DQ;//presence=0 复位成功,继续下一步 }

delay(45);//500us presence=~DQ; }

DQ=1;//拉高电平 }

//*************DS18B20写命令函数***********// void write_byte(uchar val) {

uchar i;

for(i=8;i>0;i--) {

DQ=1;_nop_();_nop_();//从高拉到低

DQ=0;_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();//5us DQ=val&0x01; delay(6); val=val/2; }

DQ=1; delay(1); }

//*************DS18B20读一字节函数*************// uchar read_byte(void) {

uchar i;

uchar value=0; for(i=8;i>0;i--) {

DQ=1;_nop_();_nop_();//从高拉到低 value>>=1;

DQ=0;_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();

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长沙航空职业技术学院2012届毕业生毕业设计(论文) DQ=1;_nop_();_nop_();_nop_();_nop_(); if(DQ)value|=0x80; delay(6); }

DQ=1;

return(value); }

//*************读出温度函数**************// read_temp() {

ow_reset(); //总线复位 delay(200);

write_byte(0xcc);//发命令 write_byte(0x44);//发转换命令 ow_reset(); delay(1);

write_byte(0xcc);//发命令 write_byte(0xbe);

temp_data[0]=read_byte();//读温度值低位 temp_data[1]=read_byte();//读温度值高位 temp=temp_data[1]; temp<<=8;

temp=temp|temp_data[0];//两字节合成一个整型变量 return temp; }

//*************温度数据处理函数**************// work_temp(uint tem) {

uchar n=0;

if(tem>6348)//温度值正负判断

{tem=65536-tem;n=1;}//负温度求补码,标志位置1 display[4]=tem&0x0f;//取小数部分的值

display[0]=ditab[display[4]];//存入小数部分显示值 display[4]=tem>>4;//取中间八位,即整数部分的值 display[3]=display[4]/100;//取百位数据暂存 display[1]=display[4]0;//取后两位数据暂存

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本文来源:https://www.bwwdw.com/article/vaj6.html

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