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智能测温系统设计

2021-08-24 来源:星星旅游
吉林建筑大学城建学院电气信息工程系课程设计

第1章 绪论

1.1 前言

本设计的简单实用的数字式温度测控系统,亦可广泛应用于各种定时、温度控制领域,如工业工控过程的温度控制,发电厂、热电厂、大型中央空调设备用户端、自动化生产线、农业养殖、温棚、温室、干燥房、粮食仓库、井下温度控制等场合。系统能够随时测量环境温度并且显示当前的温度值,因此,研究和开发经济、实用的定时温度测控系统具有现实意义,也有着广泛的应器上当前室温的显示等等。不同的温度传感器测量的精度以及功能强弱各不相同用前景。温度采集与显示系统在工业、民用、军事等领域占有重要的地位,比如空调遥控,因此在不同的应用场合可设计不同的系统对温度进行检测和控制,如在普通的室内温度检测中,可用一般的温度传感器,由数码管直接显示该室内的温度。但是普通型传感器芯片不仅体积大,而且输出的信号都是模拟信号,必须经过A/D转换后才能被处理器识别,而且不能实现多点温度的测量,最大的缺点就是它的精度不是很高。而在要求精度很高的温度控制中,显然普通的温度采集和显示系统已不能满足设计的需要。因此,针对此现状,本文设计了一种由单片机控制的智能温度采集与显示系统。它以STC89C51单片机为核心,实现对温度信号的采集和显示。在温度信号的采集方面,利用单总线数字温度传感器的特点及功能实现对温度的采集,由DALLAS半导体公司生产的DS18B20型单线智能温度传感器,属于新一代适配微处理器的智能温度传感器。与传统的热敏电阻相比,它能够直接读出被测温度,并且可根据实际要求通过简单的编程实现9-12位的数字值读数方式,可在-55—+125℃的范围内测量温度。从中央处理器到DS18B20仅需连接一条信号线和地线,其指令信息和数据信息都经过单总线接口与DS18B20进行数据交换,且每个DS18B20有唯一的系列号。因此同一条单总线上可以挂接多个DS18B20,构成主从结构的多点测温传感器网络。而在显示方面采用数码管显示。此系统具有结构简单、价格低廉、易于操作及系统扩展、性价比高等特点。它利用单片机的强大功能和可扩充性为后盾,可实现对某一路温度和温度的上下限进行有效的控制与输出。

温度控制广泛应用于人们的生产和生活中,人们使用温度计来采集温度,通过人工操作加热、通风和降温设备来控制温度,这样不但控制精度低、实时性差,而且操作人员的劳动强度大。即使有些用户采用半导体二极管作温度传感器,但由于其互换性差,效果也不理想。在某些行业中对温度的要求较高,由于工作环境温度不合理而引发的事故时有发生。对工业生产可靠进行造成影响,甚至操作人员的安全。为了避免这些缺点,需要在某些特定的环境里安装数字温度测量及控制设备。本设计由于采用了新型单片机对温度进行控制,以其测量精度高,操作简单。可运行性强,价格低廉等优点,特别适

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吉林建筑大学城建学院电气信息工程系课程设计 用于生活,医疗,工业生产等方面的温度测量及控制。

本设计是一个数字温度测量及控制系统,能测柜内的温度,并能在超限的情况下进行控制、调整,并报警。保证环境保持在限定的温度中。

1.2设计任务

设计测量温度范围-55℃~+125℃的智能测温系统,要求数码管实时显示测量温度,精确为0.5℃。

1、进行方案论证,确定设计方案;

2、绘制系统硬件仿真电路,掌握各部分电路的原理、功能和应用方法; 3、进行程序设计,实现系统要求的基本功能; 4、编写课程设计论文。

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第2章 系统总体设计

2.1 设计简介

在本次设计中,利用DS18B20设计电子温度计。温度控制系统中STC89C51为核心控制器,它与DS18B20温度传感器组成主电路。另外还有显示电路和报警电路组成辅助电路。和在一起构成了一个完整的电子温度计系统。该温度控制系统的设计包括硬件设计和软件设计两大部分。 应该具有以下功能:

1. 采集外来的温度信号;

2. 通过ds18b20温度传感器转换温度; 3. 转换后通过数码管显示温度 ; 4. 根据周围环境温度变化改变现实数据; 5. 温度超过限制温度报警;

2.2 系统总体设计

温度传感器 DS18B20 按键部分 STC89C51 单片机 时钟电路 图2-1 总体框图

显示输出 电 源 报警模块 第3页 共18页

吉林建筑大学城建学院电气信息工程系课程设计 系统的硬件设计部分主要由以下几部分组成: 1. 单片机最小系统:采用STC89C51 单片机; 2. 温度采集模块:采用DS18B20 温度传感器; 3. 温度显示模块:采用4位LED 双数码管显示;

4. 按键部分:采用独立键盘输入最高最低温度限制; 5. 报警模块:采用蜂鸣器和LED灯发出声光报警; 6. 电源模块:采用220V转5V稳压电源为系统提供电源;

2.3 设计方案原理

单片机是整个系统的核心处理器,其负责驱动温度传感器DS18B20 工作、温度显示、控制外围设备的工作以及与上位机进行通信等工作。本系统选用美国ATMAL 公司生产的STC89C51单片机。此外STC89C51 单片机有8 KB的程序存储器和256 B 的数据存储器,不需外部扩展存储芯片,可以降低硬件电路的复杂度。单片机最小系统主要由两块组成,其一为晶振起振电路,其二为复位电路。

温度传感器是该系统的关键器件,本系统选用的是美国Dallas 半导体公司生产的数字化温度传感器 DS18B20。DS18B20 有三个管脚: GND 为电源地,DQ 为数字信号输入/输出端,VDD 为外接供电电源接入端(用寄生电源方式时接地)。在外部电源供电方式下,DS18B20 工作电源由VDD 引脚接入,此时I/O 线不需要强上拉,不存在电源电流不足的问题,可以保证转换精度,同时理论上总线可以挂接任意多个DS18B20 传感器,组成多点测温系统。在外部供电的方式下,DS18B20 的GND 引脚不能悬空,否则不能转换温度,读取的温度总是85℃。

本系统中DS18B20 的DQ 口与单片机的 P3.2 口连接,GND 接地,VDD 接电源,R1 为信号和5V 电源之间的上拉电阻,其电路连接所示。数码管的动态显示:数码管动态显示接口是单片机中应用最为广泛的一种显示方式之一,动态驱动是将所有数码管的8个显示笔划\"a,b,c,d,e,f,g,dp\"的同名端连在一起,另外为每个数码管的公共极COM增加位选通控制电路,位选通由各自独立的I/O线控制,当单片机输出字形码时,所有数码管都接收到相同的字形码,但究竟是那个数码管会显示出字形,取决于单片机对位选通COM端电路的控制,所以我们只要将需要显示的数码管的选通控制打开,该位就显示出字形,没有选通的数码管就不会亮。通过分时轮流控制各个数码管的的COM端,就使各个数码管轮流受控显示,这就是动态驱动。

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第3章 系统硬件设计

3.1 单片机最小系统

随着计算机技术的发展,单片机因具有集成度高、体积小、速度快、价格低等特点而在许多领域,如过程控制、数据采集、机电一体化、智能化仪表、家用电器以及网络技术等方面得到广泛应用,从而使这些领域的技术水平、自动化程度大大提高。正因为如此,国内外多家电子生产厂商把目光投向了单片机的生产当中,单片微机经历了4位、低档8位、高档8位、16位,现正在向32位和双CPU一方向目前国内市场上有不少类型的8位及16位单片机,由于各种原因很多的单片机都未能在国内形成主流系列。而国内目前仍然是以Intel的MCS-48,MCS-51,MCS-96为主流系列。。

单片机型号的选择是根据控制系统的目标、功能、可靠性、性价比、精度和速度等来决定的。根据上述及本课题的实际情况,发酵温度系统是一个时滞性较大的系统,对控制时间精度要求不需要很高,所以单片机不需采用高速的输出、输入口,51系列单片机在时间精度方面可以满足要求。为了使用方便,系统要求可以进行在线改写,要求片内具有可擦除程

序存储器,另外为了以后系统升级的需要,在设计中采用52系列单片机。 基于以上原因,本文在众多的单片机类型中选取STC89C51系列单片机。STC89C51与MCS-51兼容。芯片内部带有8K快速擦写程序存储器(可擦写次数可达100000次);运算速度快频率可达33兆赫兹;32位110口总线:三个16位的定时1计数器。

STC89C51单片机有如下标准特性:兼容MCS-51微控制器;8K字节FLASH存贮器支持在系统编程ISP1000次擦写周期;256字节的数据存储器(RAM);工作电压4.0V到5.5V;全静态时钟0Hz到33MHz;三级程序加密;32个可编程I/O口;3个16位定时/计数器;8个中断源;全双工UART;完全的双工UART串行口;低功耗支持Idle和Power-down模式; Power-down模式支持中断唤醒;看门狗定时器:双数据指针;上电复为标志。同时该芯片还具有PDIP,TQFP和PLCC等三种封装形式,以适应不同产品的需求。

温度信号由DS18B20检测由P2.7口输入到单片机中进行处理,显示部分通过单片机的

单片机的时钟电路利用芯片内部振荡电路,在XTALI,XTAL2的引脚上外接定时元件内部振荡器便能产生自激振荡,定时元件可以采用石英晶体和电容组成的并联谐振电路,其连接方法如图4所示。晶振可以在1.2MHz~12MHz之间任选,本电路选11.0692MHz。电容通常在20pF-6OpF之间选择,通常为30pF左右,本电路选30pF,电

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吉林建筑大学城建学院电气信息工程系课程设计 容器C1和C2的大小对振荡频率有微小影响,可起频率微调作用。

3.2 温度采集模块

DALLAS 最新单线数字温度传感器DS18B20是一种新型的”一线器件”,其体积更小、更适用于多种场合、且适用电压更宽、更经济。DALLAS 半导体公司的数字化温度传感器DS18B20是世界上第一片支持”一线总线”接口的温度传感器。温度测量范围为-55~+125 摄氏度,可编程为9位~12 位转换精度,测温分辨率可达0.0625摄氏度,分辨率设定参数以及用户设定的报警温度存储在EEPROM 中,掉电后依然保存。被测温度用符号扩展的16位数字量方式串行输出;其工作电源既可以在远端引入,也可以采用寄生电源方式产生;多个DS18B20可以并联到3 根或2 根线上,CPU只需一根端口线就能与诸多DS18B20 通信,占用微处理器的端口较少,可节省大量的引线和逻辑电路。因此用它来组成一个测温系统,具有线路简单,在一根通信线,可以挂很多这样的数字温度计,十分方便。

DS18B20 的性能特点如下:

1. 独特的单线接口方式,DS18B20在与微处理器连接时仅需要一条总线即可实现微处

理器与DS18B20的双向通讯;

2. DS18B20支持多点组网功能,多个DS18B20可以并联在唯一的三线上,实现组网

多点测温;

3. DS18B20在使用中不需要任何外围元件,全部传感元件及转换电路集成在形如一只

三极管的集成电路内;

4. 适应电压范围更宽,电压范围:3.0~5.5V,在寄生电源方式下可由数据线供电; 5. 测温范围-55℃~+125℃,在-10~+85℃时精度为±0.5℃; 6. 零待机功耗;

7. 可编程的分辨率为9~12位,对应的可分辨温度分别为0.5℃、0.25℃、0.125℃和

0.0625℃,可实现高精度测温;

8. 在9位分辨率时最多在93.75ms内把温度转换为数字,12位分辨率时最多在750ms

内把温度值转换为数字,速度更快; DS18B20内部结构主要由四部分组成:

64位光刻ROM、温度传感器、非挥发的温度报警触发器TH和TL、配置寄存器。DS18B20的管脚排列、各种封装形式如图 3-1所示。其中,DQ 为数据输入/输出引脚,也可用作开漏单总线接口引脚,当被用在寄生电源工作方式下,可以向器件提供电源;GND为地信号;VDD为可选择的电源引脚,当工作于寄生电源时,此引脚必须接地。其电路图3-2所示。

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图3-1 DS18B20温度芯片

DS18B20的测温原理如图3-3所示,图中低温度系数晶振的振荡频率受温度的影响很小用于产生固定频率的脉冲信号送给减法计数器1,高温度系数晶振随温度变化其震荡频率明显改变,所产生的信号作为减法计数器2的脉冲输入,图中还隐含着计数门,当计数门打开时,DS18B20就对低温度系数振荡器产生的时钟脉冲后进行计数,进而完成温度测量.计数门的开启时间由高温度系数振荡器来决定,每次测量前,首先将-55℃

[4]所对应的基数分别置入减法计数器1和温度寄存器中,减法计数器1和温度寄存器

被预置在-55℃所对应的一个基数值。

斜率累加器 预置 低温度系数晶振 计数器1 加1 预置 比较 LSB置

位/清除

=0 温度寄存器 高温度系数晶振 计数器2 停止 =0

图3-2 DS18B20测温原理图

减法计数器1对低温度系数晶振产生的脉冲信号进行减法计数,当减法计数器1的预置值减到0时温度寄存器的值将加1,减法计数器 1的预置将重新被装入,减法计数器1重新开始对低温度系数晶振产生的脉冲信号进行计数,如此循环直到减法计数器2计数到0时,停止温度寄存器值的累加,此时温度寄存器中的数值即为所测温度。图3-3中的斜率累加器用于补偿和修正测温过程中的非线性其输出用,于修正减法计数器

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吉林建筑大学城建学院电气信息工程系课程设计 的预置值,只要计数门仍未关闭就重复上述过程,直至温度寄存器值达到被测温度值,这就是DS18B20的测温原理。

另外,由于DS18B20单线通信功能是分时完成的,它有严格的时间概念,因此读写时序很重要。系统对DS18B20的各种操作必须按协议进行。操作协议为:初始化DS18B20(发复位脉冲)→发ROM功能命令→发存储器操作命令→处理数据。

在正常测温情况下,DS18B20的测温分辨力为0.5℃,可采用下述方法获得高分辨率的温度测量结果:首先用DS18B20提供的读暂存器指令(BEH)读出以0.5℃为分辨率的温度测量结果,然后切去测量结果中的最低有效位(LSB),得到所测实际温度的整数部分Tz,然后再用BEH指令取计数器1的计数剩余值Cs和每度计数值CD。实际温度Ts可用下式计算:

Ts=(Tz-0.25℃)+(CD-Cs)/CD

设计的温度采集电路如图3-4所示。

+516R9A4.7K+5VDDP3.2DQGND1 图3-3 温度采集电路图

3.3 温度显示模块

在单片机控制系统中,因为单片机的硬件简单、灵活等特点,非常适合使用LED数码管作为其输出设备,这样既满足了控制系统硬件简单,又能如实地显示被控系统的温度、压力、流量、高度等一些单片机的处理结果。

LED数码管的基本组成是半导体发光二极管,它是将若干个发光二极管,按照一定的笔段组合起来构成的一个整体。LED数码管能显示0~9十个数字及部份英文字母。常见的八段LED数码管结构如图3-4所示。

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图3-4 数码管的内部结构

当发光二极管导通时,相应的笔段发亮,由发亮的笔段组合成0~9十个数字及部分英文字母。这里我们以共阴极LED数码管为例,当让其显示数字”3”时,只要a、b、c、d、g段的发光二极管点亮,e、f、dp段的发光二极管不亮,即a、b、c、d、g段发光二极管的阳极加上高电平”1”, e、f、dp段发光二极管的阳极加上低电平”0”,同时使LED数码管的公共阴极接低电平”0”,则LED数码管此时就能显示数字”3”。

如果加到各笔段对应发光二极管阳极上的代码不同,则就能控制LED数码管显示不同的字符和数字,这个代码称为段码。通常将这个段码用单片机系统中的一个字节进行存储,正好这个字节中的8个二进制位(D7、D6、D5、D4、D3、D2、D1、D0),依次对应LED数码管的8个笔段dp、g、f、e、d、c、b、a。 3.3.2 温度显示电路

显示电路采用4个共阴极LED数码管,从P1口并行输出温度段码,用P3.0~P3.3四个端口输出选择脉冲,控制数码管的点亮。其具体电路图如图3-5所示。

R1R21K1K5VR31KQ1PNPQ2PNPQ3PNPQ4PNPR41KDS11234567abcdefgDPYafegdbcDS21234567abcdefgDPYafegdbcDS31234567abcdefgDPYafegdbcDS41234567abcdefgDPYafegdbcP1^0P1^1P1^2P1^3P1^4P1^5P0^0P0^1P0^2P0^3P0^4P0^5P0^6P0^71K*8[LEDgn][LEDgn][LEDgn][LEDgn]DPY_7-SEGDPY_7-SEGDPY_7-SEGDPY_7-SEGRSTC1+5VCC0.1ufCAPGNDXTAL1XTAL220PY1CRYSTALC220P 图3-5 显示电路

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其工作过程如下:

1、并行数据由P0口送至4个数码管。

2、这时P1.0、P1.1、P1.2、P1.3轮流输出低电平,LED数码管依次被点亮,显示P0传送来的数据。

由于数码管余辉效应和人眼的视觉延迟,当数码管每秒点亮50次时,就会出现静止显示的温度值。

3.4 控制按键

按键部分如图3-6所示,用于设置系统的最高和最低温度。注意要加上拉电阻。

5VR510KR610KS1SW-PBS2SW-PB

图3-6 按键部分电路

3.5 报警模块

当温度超过最高温度或低于最低温度时,报警部分动作,发出声光报警。如图3-7所示。

+5R8.P1.6R71KLED10KQ5PNPDIODELS1SPEAKERD1DIODE..

图3-7 声光报警部分电路图

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第4章 软件设计

4.1系统主程序设计

全部控制程序实际上分为若干模块:键盘设置处理程序,数码管显示程序,中断服务子程序,温度检测程序,报警程序等。

整个软件程序方面主要分两大部分:主程序部分和中断处理程序。流程图如图4-1所示。

图4-1主程序流程图

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吉林建筑大学城建学院电气信息工程系课程设计 4.2定时器程序设计

定时器工作的基本原理其实就是给初值,让它不断加1直至减完为模值,这个初值是送到TH和TL中的。它是以加法记数的,并能从全1到全0时自动产生溢出中断请求。因此,我们可以把计数器记满为零所需的计数值,即所要求的计数值设定为C,把计数初值设定为TC 可得到如下计算通式:

TC=M-C

式中,M为计数器模值。计数值并不是目的,目的是时间值,设计1次的时间,即定时器计数脉冲的周期为T0,它是单片机系统主频周期的12倍,设要求的时间值为T,则有C=T/T0。计算通式变为:

T=(M-TC)T0

模值和计数器工作方式有关。在方式0时M为8192;在方式1时M的值为65536;在方式2和3为256。就此可以算出各种方式的最大延时。如单片机的主脉冲频率为12MHZ,经过12分频后,若采用方式0最大延时只有8.129毫秒,采用方式1最大延时也只有65.536毫秒。

void time_init() { }

EX0 = 1; IT0 = 1; TMOD = 0X01; TL0 = 0X30;//2ms TH0 = 0XF8; EA = 1; ET0 = 1; TR0 = 1;

4.3温度传感器DS18B20

DS18B20的通讯接口由3个口线组成,即RST,SCLK,I/O。其中RST从低电平变成高电平启动一次数据传输过程,SCLK是时钟线,I/O是数据线。SCLK保持低电平,在时钟变动前设置数据,在时钟变动后读取数据,即数据操作总是在SCLK保持为低电平的时候,相邻的操作之间间隔有一个上升沿和一个下降沿。

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吉林建筑大学城建学院电气信息工程系课程设计 int duwendu(void) {

uint8 temp_dat[2];// 读出温度暂放 int temp;

chushihua(); // 复位

xie(0xcc); // 发Skip ROM命令 xie(0xbe); // 发读命令

temp_dat[0] = du(); //温度低8位 temp_dat[1] = du(); //温度高8位 temp = temp_dat[1]; temp <<= 8;

temp |= temp_dat[0];

4.4数码管显示

LED计时每1秒都要刷新1次,那么计时满1秒时就要将存储时间的工作寄存器R4减1,然后送入LED显示程序中显示。下面要将时间数据R4的十位,个位分开送显P1,P0端口,首先将R4除以10,整数即十位放在A中,余数即个位放在B中,设置7段LED显示数据的数据表,用数据指针寄存器DPTR指向数据表的首地址,再加上A中的偏移量,就可以指向十位数字,然后送显即可,个位显示同理。具体程序如下:

void main() {

time_init(); while(1) {

if(tim_number >= 500) {

tim_number = 0; s--; if(s == 0)

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}

tk = tp;

judge_s(); buff[0] = num/10; buff[1] = num%10; buff[2] = num/10; buff[3] = num%10;

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第5章 系统调试

系统调试分为硬件调试和软件调试两步。

5.1 硬件调试

硬件调试相对比较复杂,首先要根据原理画出原理图,然后检查原理图的正确性,确定没有错误之后,开始准备需要的原件,然后按照原理图看是焊接板子,先要对电路进行排版确保电路合理简单。最后就是焊接了。焊接是最重要的也是最复杂的很容易就短路了。焊完实物后就要对其进行调试了,首先看看有没有短路点和虚焊的地方,利用电压表进行调试。然后进行正式的硬件调试,电路的调试过程是检验、修正设计方案的实践过程。

在检查的时候首先要进行分块调试。分块调试时应明确该模块的作用,明确本部分的调试要求。调试顺序按信号的流向进行,这样可以把前面调试过的输出信号作为后一级的输入信号,为最后的整机联调创造条件。在整体调试应观察各单元电路连接后各级之间的信号关系,主要观察动态结果,检查电路的性能和参数,分析测量的数据和波形是否符合设计要求。

在这个过程中会发现一些错误,在经过一系列的检查查出错误并进行检查最后改正。完成硬件调试。

5.2 软件调试

软件调试相对简单主要以程序为主。本系统采用 STC89C51 作为核心处理器件,把经过DS18B20 现场实时采集到的温度数据,存入单片机的内部数据存储器,并送LED 数码管显示。进行主程序,温度读取子程序、温度显示子程序、串口通信子程序、输出控制子程序和报警子程序等。软件调试到能显示温度值,而且在有温度变化时(例如用手去接触)显示温度能够改变就基本完成软件调试。

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结 论

首先深入的了解了设计电路的程序。当我们接手一个课题或项目的时候,不是马上就动手搞。而是应该先进行可行性论证。首先提出几套方案,然后对各个方案进行对比,最后找出最适合的设计方案。

同时加深了对芯片的了解及其应用。将书本上面学到的知识和实际应用相结合。对于芯片的使用,我们应该在了解它的各项功能的前提条件下,灵活巧妙地运用。具体的芯片资料和图片我们通过查阅相关的书籍,在网上能够很方便的查找。通过这次学习,让我对各种电路都有了大概的了解,但是由于时间方面的原因,我们没有完全按照最初的要求严格来做,最后没做时钟的预置数功能,因而还有很多问题我们没有发现,也还有很多知识我们没有接触到。这对我们来说也是一个遗憾。所以说,坐而言不如立而行,对于这些电路还是应该自己动手实际操作才会有深刻理解。

在实际的操作过程中,能把理论中所学的知识灵活地运用起来,并在调试中会遇到各种各样的问题,电路的调试提高了我们解决问题的能力,学会了在设计中独立解决问题,也包括怎样去查找问题。这样的课程设计很能培养我们的能力,让我们不再局限于书本上的知识。

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致 谢

在本次课程设计中,我得到了指导老师的热心指导,与本组同学齐心合力完成了本次设计。在这里非常感谢指导老师指导老师的指导和帮助,并致以诚挚的谢意!同时,身边的同学也给我提供了许多帮助。因此,我向身边关心我的同学及在设计过程中给予我极大帮助的人以诚挚的谢意!

通过本次课程设计,使我深深的认识到学好专业知识的重要性,也理论联系实际的含义,并且检验了组态王软件的学习成果。虽然在这次设计中对于知识的运用和衔接还不够熟练,但是我将在未来的学习和实践中继续努力,不断完善。我相信这一个星期的是对我过去所学知识的系统提高和扩充的过程,为今后的发展打下了良好的基础。

同时在本次设计过程中我也存在很多的不足,我希望得到老师更多的批评和指正,我会在未来的时间里进行改正。

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参考文献

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