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文檔簡介
1、課程設計說明書 第 頁目 錄1 緒論.11.1 課題描述.11.2 基本工作原理.12 系統設計方案的研究.22.1 系統的控制特點與性能要求.22.1.1 系統控制結構組成.22.1.2系統的性能特點.22.2 系統的設計原理.23 系統的結構設計.3 3.1 相對濕度檢測電路.3 3.1.1 NE555 時基電路.4 3.1.2 基于 555 振蕩電路的濕度測量電路設計.4 3.2 轉換模塊的設計.53.2.1 A/D 轉換器ICL7135.53.3 處理器模塊的設計.73.3.1 單片機 AT89C51 簡介及應用.7 3.4 濕度的調節模塊設計.113.5 顯示模塊設計.123.6 按
2、鍵模塊的設計.13 4 軟件的設計及實現.13總 結.15致 謝.16課程設計說明書 第 I頁參考文獻.17課程設計說明書 第0頁1 緒論1.1 課題描述 在工農業生產、氣象、環保、國防、科研、航天以及現代生活的各個方面,經常需要對環境濕度進行測量及控制。對于生物制藥、食品加工、造紙等行業,準確的測量濕度更是至關重要的。此外,濕度還直接影響到人們的舒適程度和身體健康,但在常規的環境參數中,濕度是最難準確測量的一個參數。這是因為測量濕度要比測量溫度復雜得多,溫度是個獨立的被測量,而濕度卻受其它因素的影響,濕度與大氣壓、溫度呈函數關系1。因此,用常規的方法測量濕度的誤差可達5%20%,此外,濕度的
3、校準也是一個難題2。過去用干濕球度計或毛發濕度計來測量、通過查表得到濕度的方法3,早已無法滿足現代科技發展的需求。干濕球濕度計和普通的濕度計并能用做標定,就是因為標定后的精度無法保證。濕度的標定對環境條件要求十分嚴格,而在國外的濕度標定設備(例如過生產的 MC741HP 型濕度校準儀) ,價格又十分昂貴。本設計就是在此基礎是,提出一種基于 AT89C51 單片機控制的比較簡單而實用的濕度檢測及控制方法4。1.2 基本工作原理本課程設計濕度控制系統由濕度檢測電路、 CPU 監控電路、顯示電路、 A/D 轉換電路、排風與加熱控制電路和微處理器等組成,其中微處理器 AT89C51 是整個系統的控制核
4、心。工作原理如下:濕度檢測電路將當前環境濕度信號通過 A/D 轉換后,送到處理器 AT89C51 中,然后處理器通過軟件的運行,將當前濕度信號通過 LED 顯示出來(顯示相對濕度值) ,并且處理器通過程序的運行,判斷當前濕度值是否在預先設定的范圍之內。基本工作原理框圖如圖 1 所示。濕度傳感器信號放大電路ADC0809 A/D 轉換器89C51單片機系統發光二極管顯 示電路圖 1 基本工作原理框圖2 系統設計方案的研究課程設計說明書 第1頁2.1 系統的控制特點與性能要求2.1.1 系統控制結構組成濕度檢測電路。用于檢測空氣的濕度。微控制器。采用 ATMEL 公司的 89C51 單片機,作為主
5、控制器。電源溫壓電路。用于對輸入的 200V 交流電壓進行變壓、整流。鍵盤輸入電路。用于設定初始值等。LED 顯示電路。用于顯示濕度5。功率驅動電路(濕度調節電路) 。系統結構圖如圖 2 所示。AT89C51電源電壓的設計按鍵輸入電路LED 顯示電路功率驅動電路吹風機功率驅動電路蒸汽機濕度檢測電路濕度傳感器 圖 2 系統結構圖2.1.2 系統的性能特點(1)自動檢測室內空氣的濕度。(2)當室內空氣濕度過高時,控制系統自動啟動抽風機,減少室內空氣中的水蒸氣,以達到降低空氣濕度的目的;當室內空氣濕度過低時,控制系統自動啟動蒸汽機,增加空氣的水蒸氣,以達到增加濕度的目的,使空氣濕度保持在理想的狀態6
6、。(3)數碼管顯示當前的濕度。(4)鍵盤設置及調整濕度的初始值。2.2 系統的設計原理課程設計說明書 第2頁該濕度控制系統由濕度檢測電路7、 CPU 監控電路、顯示電路、 A/D 轉換電路、排風與加熱控制電路和微處理器等組成,其中微處理器 AT89C51 是整個系統的控制核心,它的原理電路如圖 3 所示。工作原理如下:濕度檢測電路將當前環境濕度信號通過 A/D 轉換后,送到處理器 AT89C51 中,然后處理器通過軟件的運行,將當前濕度信號通過 LED 顯示出來(顯示相對濕度值) ,并且處理器通過程序的運行,判斷當前濕度值是否在預先設定的范圍之內。假設不是,系統就會自動進行濕度的調節:當濕度檢
7、測電路檢測到當前環境濕度高于設定值的上限的時候,微處理器將使 P2.6 輸出低電平,起動減濕控制電路使吹風機開始工作,開始排風散熱降溫;當濕度檢測電路檢測到當前環境濕度低于濕度設定下限時,P2.7 輸出輸出低電平,使蒸汽機控制電路工作,開始加熱增加濕度8。系統硬件結構圖如下圖 3 所示。 圖 3 系統硬件結構圖3 系統的結構設計3.1 相對濕度檢測電路 濕度檢測系統的示意圖如圖4所示。課程設計說明書 第3頁 圖 4 系統示意圖 濕度傳感器 HS1101是采用專利設計的固態聚合物結構,具有響應時間快、高可靠性和長期穩定性特點, 不需要校準的完全互換性。可以應用于辦公自動化,車廂內空氣質量控制,家
8、電,工業控制系統等。在需要濕度補償的場合他也可以得到很大的應用。HS1101電容傳感器,在電路構成中等效于一個電容器件,其電容量隨著所測空氣濕度的增大而增大。涉及如何將電容的變化量準確地轉變為計算機易于接受的信號時,常用兩種方法:一是將 HS1101置于運放與阻容組成的橋式振蕩電路中,所產生的正弦波電壓信號經整流、直流放大、再 A/D 轉換為數字信號;另一種是將 HS1101置于555振蕩電路中,將電容值的變化轉為與之呈反比的電壓頻率信號,可直接被計算機所采集。3.1.1 NE555時基電路 NE555是一個能產生精確定時脈沖的高穩度控制器,其輸出驅動電流可達200mA.。在多諧振蕩器工作方式
9、時,其輸出的脈沖占空比由兩個外接電阻和一 個外接電容確定;在單穩態工作方式時,其延時時間由一個外接電阻和一個外接電容確定,它可以延時數微秒到數小時。NE555的框圖如圖5所示。 圖5 NE555框圖課程設計說明書 第4頁3.1.2 基于555振蕩電路的濕度測量電路設計 濕度檢測電路如圖6所示。 圖6 濕度檢測電路圖3.2 轉換模塊的設計3.2.1 A/D 轉換器 ICL7135ICL7135 是目前市場上廣泛流行的單片集成 4 位半雙積分 A/D 轉換器。由于ICL7135 具有 4 位半的精度(相當于 14 位二進制數) 、自動校零、自動極性輸出、單一參考電壓、動態字位掃描 BCD 碼輸出、
10、自動量程控制信號輸出、價格低等特點。 (1) 主要參數 CMOS 集成電路;雙積分轉換技術;單一參考電壓;采用 BCD 碼掃描輸出;能用閃爍顯示的方式表示超量程狀態;具有六路輸入/輸出(I/O)輔助信號,可以和微處理器相連,進行復雜的控制;具有自動轉換量程的過和欠量程信號;允許差分輸入;具有自動極性辨別功能和自動校零電路;雙電源供電;準確度高 0.005%1 個字;輸入漏電流低 1pA;分辨率高 14 位;零讀數漂移 課程設計說明書 第5頁0.5V/;輸入阻抗高 109;轉換速度慢 3 次/秒;噪聲低 15V。 (2)引腳排列合引腳說明: V-:負電源輸入端,典型值為-5V。 VREF:參考電
11、源輸入端,典型值為 1V,參考電壓的精度合穩定度將直接影響轉換度。 D5、D4、D3、D2、D1:BCD 碼數據的位選通信號輸出端,分別分位萬、千、百、十、個位。 B1、B2、B4、B8:BCD 碼數據輸出線。 BUSY:轉換狀態標志輸出端。積分器在積分過程中(對信號積分和反向積分)BUSY 輸出高電平,積分器反向積分過零后輸出低電平。 CLK:時鐘輸入端。雙極性模式:最高時鐘頻率為 125Hz,轉換速度為 3 次/秒;單極性 。 模式:最高頻率為 1MHz,這時轉換速度為 25 次/秒。 AGND:模擬地, INTOUT:積分器輸出。 AZIN:自調零輸入端。 BUFOUT:緩沖放大器輸出端
12、。 REFCAP-:外接參考電容引腳。 REFCAP+:外接參考電容引腳。 INLO:信號輸入低端。 INHI:信號輸入高端。 V+:正電源輸出端,典型值為+5V。 DGND:數字接地。 POL:極性輸出端。當信號為正時,POL 極性輸出為高電平;輸入信號為負時,POL 極性輸出為低電平。 R/:啟動轉換/保持控制端。該端接高電平時,ICL7135 為自動連續轉換狀態, H1/2。一次 A/D 轉換結束后,該端輸出 5 個負脈沖,分別選通高位到低位的 BCD 碼數據輸出,可利用該信號把數據打入到并行接口中供 CPU 讀取,這在和微處理接口時顯得非常重要。課程設計說明書 第6頁 OVERRANG
13、:過量標志輸入端。當輸入信號讀數超過轉換記數范圍時,該引腳輸出高電平。 UNDER:欠量程標志輸入端。當輸入信號讀數小于 9%或者更小時,該端輸出高電平。 ICL7135 引腳排列圖如圖 7 所示。 圖 7 ICL7135 引腳排列圖3.3 處理器模塊的設計3.3.1 單片機 AT89C51 簡介及應用1、AT89C51 性能及特點9AT89C51 是一種與 MCS51 單片機相兼容的、高性能的 8 位 CMOS 微控制芯片,采用 40 引腳 DIP 封裝,片內帶有 4KB 的快閃可編程/擦除只讀存儲器(FPEROM) 。是當前較先進的一種電擦除 8 位單片機,它與 MCS-51 指令系統完全
14、兼容,片內FPEROM 允許對程序存儲器在線重新編程。ATMEL 公司生產的這種 89C51 微控制器,將具有多種功能的 8 位 CPU 與 FPEROM 結合在同一芯片上,為很多嵌入式控制應用提供了設計靈活且價格適宜的方案。此外,AT89C51 還增加了在零頻下工作的靜態邏輯方式及空閑和掉電兩種可選的省電模式,在空閑模式下,CPU 停止工作,但 RAM,定時/計數器,串行口和中斷系統仍然工作.在掉電模式下,只保存 RAM 的內容,振蕩器停振,關閉芯片的所有其它功能,直到下一次硬件復位為止.其空閑和掉電兩種工作方式以及靜態邏輯運作等情況,與 MCSC51 相同。AT89C51 主要特性如下:課
15、程設計說明書 第7頁 AT89S51 單片機引腳圖如圖 8 所示 。 圖 8 AT89S51 單片機引腳圖 與 MCS-51 產品兼容;4K 字節可編程閃爍存儲器;壽命:1000 寫/擦循環;數據保留時間:10 年;全靜態工作:0Hz-24Hz;三級程序存儲器鎖定;128*8 位內部 RAM;32 可編程 I/O 線;兩個 16 位定時器/計數器;5 個中斷源;可編程串行通道;低功耗的閑置和掉電模式;片內振蕩器和時鐘電路;可編程全雙工串行;4KB 的在線可重復編程快閃存儲器,寫/檫可達 1000 次以上。2、端口及引腳介紹10:AT89S51 單片機的 40 個引腳中有 2 個專用于主電源引腳
16、,2 個外接晶振的引腳,4 個控制或與其它電源復用的引腳,以及 32 條輸入輸出 I/O 引腳。下面按引腳功能分為 4 個部分敘述個引腳的功能。 電源引腳 Vcc 和 VssVcc(40 腳):接+5V 電源正端;Vss(20 腳):接+5V 電源正端。 外接晶振引腳 XTAL1 和 XTAL2XTAL1(19 腳):接外部石英晶體的一端。在單片機內部,它是一個反相放大器的輸入端,這個放大器構成采用外部時鐘時,對于 HMOS 單片機,該引腳接地;對課程設計說明書 第8頁于 CHOMS 單片機,該引腳作為外部振蕩信號的輸入端。 XTAL2(18 腳):接外部晶體的另一端。在單片機內部,接至片內振
17、蕩器的反相放大器的輸出端。當采用外部時鐘時,對于 HMOS 單片機,該引腳作為外部振蕩信號的輸入端。對于 CHMOS 芯片,該引腳懸空不接。 控制信號或與其它電源復用引腳 控制信號或與其它電源復用引腳有 RST/VPD、ALE/P、PSEN 和 EA/VPP 等 4 種形式。 (A) RST/VPD(9 腳):RST 即為 RESET,VPD 為備用電源,所以該引腳為單片機的上電復位或掉電保護端。當單片機振蕩器工作時,該引腳上出現持續兩個機器周期的高電平,就可實現復位操作,使單片機復位到初始狀態。當 VCC 發生故障,降低到低電平規定值或掉電時,該引腳可接上備用電源VPD(+5V)為內部 RA
18、M 供電,以保證 RAM 中的數據不丟失。 (B) ALE/ P (30 腳):當訪問外部存儲器時,ALE(允許地址鎖存信號)以每機器周期兩次的信號輸出,用于鎖存出現在 P0 口的低(C) PSEN(29 腳):片外程序存儲器讀選通輸出端,低電平有效。當從外部程序存儲器讀取指令或常數期間,每個機器周期 PESN 兩次有效,以通過數據總線口讀回指令或常數。當訪問外部數據存儲器期間,PESN 信號將不出現。 (D) EA/Vpp(31 腳):EA 為訪問外部程序儲器控制信號,低電平有效。當 EA端保持高電平時,單片機訪問片內程序存儲器 4KB(MS52 子系列為 8KB) 。若超出該范圍時,自動轉
19、去執行外部程序存儲器的程序。當 EA 端保持低電平時,無論片內有無程序存儲器,均只訪問外部程序存儲器。對于片內含有 EPROM 的單片機,在EPROM 編程期間,該引腳用于接 21V 的編程電源 Vpp。 輸入/輸出(I/O)引腳 P0 口、P1 口、P2 口及 P3 口 (A).P0 口(39 腳22 腳):P0.0P0.7 統稱為 P0 口。當不接外部存儲器與不擴展 I/O 接口時,它可作為準雙向 8 位輸入/輸出接口。當接有外部程序存儲器或擴展 I/O口時,P0 口為地址/數據分時復用口。它分時提供 8 位雙向數據總線。對于片內含有 EPROM 的單片機,當 EPROM 編程時,從 P0
20、 口輸入指令字節,而當檢驗程序時,則輸出指令字節。 (B).P1 口(1 腳8 腳):P1.0P1.7 統稱為 P1 口,可作為準雙向 I/O 接口使用。課程設計說明書 第9頁對于 MCS52 子系列單片機,P1.0 和 P1.1 還有第 2 功能:P1.0 口用作定時器/計數器2 的計數脈沖輸入端 T2;P1.1 用作定時器/計數器 2 的外部控制端 T2EX。對于EPROM 編程和進行程序校驗時,P0 口接收輸入的低 8 位地址。(C).P2 口(21 腳28 腳):P2.0P2.7 統稱為 P2 口,一般可作為準雙向 I/O 接口。當接有外部程序存儲器或擴展 I/O 接口且尋址范圍超過
21、256 個字節時,P2 口用于高 8位地址總線送出高 8 位地址。對于 EPROM 編程和進行程序校驗時,P2 口接收輸入的8 位地址。(D).P3 口(10 腳17 腳):P3.0P3.7 統稱為 P3 口。它為雙功能口,可以作為一般的準雙向 I/O 接口,也可以將每 1 位用于第 2 功能,而且 P3 口的每一條引腳均可獨立定義為第 1 功能的輸入輸出或第 2 功能。P3 口的第 2 功能如表 1 所示。表 1 單片機 P3.0 管腳含義引腳第二功能P3.0RXD (串行口輸入端 0)P3.1TXD(串行口輸入端)P3.2INT0 (部中斷 0 請求輸入端,低電平有效)P3.3INT1(中
22、斷 1 請求輸入端,低電平有效)P3.4T0(時器/計數器 0 計數脈沖端)P3.5T1(時器/計數器 1 數脈沖端)P3.6WR(部數據存儲器寫選通信號輸出端,低電平有效)P3.7RD(部數據存儲器讀選通信號輸出端,低電平有效)3.4 濕度的調節模塊設計1、濕度調節的原理及結構框圖當環境的濕度超出我們預先設定的濕度范圍時,通過濕度檢測電路以及 A/D 轉換,把相應的信號送入主處理器 AT89C51 中,通過軟件的判斷,確定當前的濕度值是否在合適的范圍,如果不是,就自動的發出信號,啟動濕度調節,例如當相應環境濕度大于預先設定的濕度值時,通過單片機發出信號,經功率驅動放大電路,啟動抽風機的課程設
23、計說明書 第10頁工作,減少空氣中水蒸氣的含量,以達到降低空氣濕度的目的;當環境相應濕度小于預先給定的濕度值時,仍然的通過單片機發出信號,經功率放大電路,啟動加濕器的工作(其實也就是一個蒸汽機相關的機械) ,增加空氣中的水蒸氣,以達到增加空氣中濕度的目的。總之,我們所要做的工作就是要使空氣濕度保持在我們需要的理想狀態。濕度調節電路的設計如圖 9 所示。 單片機輸出信號繼電器吹風機/蒸汽機電源 圖 9 濕度調節的結構框圖2、濕度調節硬件結構圖 圖 10 為濕度控制硬件圖,圖中采用了兩只光電耦合器件、兩個繼電器、和兩只發光二極管。其中光電耦合器件是將處理器(單片機)輸出的信號轉換為繼電器的輸入信號
24、,而繼電器又與吹風機和蒸汽機的電源線相連11,這樣,處理器輸出的信號就可以通過光電耦合電路和繼電器電路來控制機械(吹風機或蒸汽機)的動作。濕度調節的硬件結構如圖 10 所示。 圖 10 濕度硬件控制電路3、濕度調節原理實現本濕度調節電路包含兩個方面,一方面就是增加濕度的蒸汽機,也就是用來增加空氣濕度的加濕設備,另一方面就是降低濕度的的吹風機,也就是用來減小空氣中的課程設計說明書 第11頁濕度,這兩個方面合起來,就是實現空氣濕度的自動調節。3.5 顯示模塊設計 1、LED 顯示器的介紹 LED 顯示器是由發光二極管組,其結構如圖所示,其中 7 個發光二極管按“8”行排列,用于顯示數字,字母等符號
25、,一個發光二級管圓點形狀,右下角用于顯示小數點,LED 顯示器共陰極和共陽極兩種類型12。 2、單片機與 LED 接口在單片機應用系統中 LED 顯示器有動態和靜態兩種顯示方式,所謂的靜態顯示方式就是需要在顯示的字符各段通過連續的電流,動態顯示方式就是需要顯示的字符斷續通過電流,對于動態顯示,當需要顯示多個字符時輪流給每個字符通以電流,由于輪流的速度很快,發光二極管的余輝以及人的視覺暫留等因素,雖然在同一時刻只有一個顯示器通電,但人們看起來都是所有的顯示器都穩定的顯示。數碼管顯示原理如圖 11 所示。 圖 11 數碼管原理圖3.6 按鍵模塊的設計鍵盤可分為兩類:獨立式和矩陣式,本文只用到了獨立
26、式鍵盤,故只對獨立鍵盤課程設計說明書 第12頁作簡要說明。 獨立式鍵盤電路,各個鍵相互獨立,每個按鍵獨立的與一根輸入線相連,一根線上的工作狀態不會影響其他輸入線的工作狀態,通過檢測輸入線的電平狀態就可以很容易判斷那個按鍵按下了。 為中斷方式,任何一個按鍵按下時通過門電路都會向 CPU 申請中斷,在中斷服務程序中讀入 P1 口的值,從而判斷是那個鍵被按下, 為查詢方式,在平時,所有的數據輸入線都通過上拉電阻被連接成高電平,當任何一個鍵被按下時,與之相連的數據輸入線將被拉成低電平,要判斷是否有鍵按下,只要用位處理指令即可。4 軟件的設計及實現1、程序設計及其流程圖如圖 12 所示。 (a) 主程序
27、流程圖 (b) A/D 轉換子程序流圖課程設計說明書 第13頁 (c)顯示子程序流程圖 (d) 按鍵子程序流圖 圖 12 程序設計及流程圖2、 程序流程圖說明程序流程圖說明:在本程序的設置中,A/D 轉換是通過每次轉換完成后產生中斷來通知處理器,并將轉換結果送如處理器的存儲器中保存;顯示子程序采用單獨的子程序,作為主程序的調用子程序,以保證 LED 管的連續顯示。主程序流程圖如(a) ,將鍵盤查詢子程序和顯示調用子程序作為它的程序運行的循環環節;A/D 轉換中斷處理程序如程序流程圖(b) ,采用中斷處理程序,保持了濕度檢測信號的不斷及時更新;流程圖(c)就是顯示子程序,它直接通過單片機的端口,
28、不停的送出字位顯示和字數的顯示;(d)就是鍵盤處理子程序,鍵盤采用獨立鍵盤,在有鍵按下時,首先判斷那個鍵按下,然后根據相應的鍵作出相應的處理,在此程序中,鍵盤采用的是脈沖式按鍵方式,按鍵按下一下,處理器作出一次相應的回應。課程設計說明書 第14頁 總 結 濕度檢測技術一直是世界上的一個難題,本文在這里也只能是作出一些簡單的探討。 首先系統初始化由 HS1101 傳感器讀取環境濕度并自身將其轉換成數字信號,然后送入 51 單片機,如果該數據低于預設最低值或高于預設最高值,則報警電路和控制電路將被接通,起到提醒和控制的作用,并將數據送入 51 單片機在 LCD 上顯示。如果濕度正常即處于預設范圍,
29、則報警電路和控制電路不會動作,并將數據送入單片機在LCD 上顯示,之后進入下次的監控流程。 以 AT89S51 單片機為系統的濕度控制系統,可自動檢測并顯示濕度。可根據要求設定濕度的閾值進行控制,它克服了電子式濕度控制系統電路結構較復雜,控制精度低等特點。系統具有與上位機通信的功能,方便對濕度進行統一的管理,具有很強的實用性。課程設計說明書 第15頁 致 謝 在此次課程設計完成之際,首先,在本課題的設計過程中,我的指導老師栗紅霞老師傾注了大量的心血,從寫作提綱,到一遍又一遍地指出每稿中的具體問題,嚴格把關,循循善誘,在設計過程中,老師給我提供了很多資料和專業知識的指導,借此向栗紅霞老師表示最真
30、摯的謝意。 除此之外,在課程設計進行當中,我還要感謝我的同學,在我沒有思路進行下去的時候,他們幫助我分析電路功能和電路結構,讓我找到了切入點,在此深表感謝。感謝他們給予我的無私幫助,正是他們的鼓勵和幫助之下,我得以順利完成了這篇課程設計。最后再一次感謝所有在此次課程設計中曾經幫助過我的老師和同學,以及在設計中被我引用或參考的論著的作者。課程設計說明書 第16頁參考文獻1 李玉忠.中國濕度與水分測量技術的現狀J.分析儀器,2003 年第 l 期:2223.2 盧崇考,洲明軍,露琳.濕度計量基準與標準傳感器世界J.2000 年第 6 卷第 10期 :1416.3 陳沛霖.空氣濕度計算中大氣壓的影響
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32、35.9 丁元杰.單片機原理及應用M.機械工業出版社,1999.8 :4048.10 余錫存.單片機原理與接口技術M.西安電子科技大學出版社,2003.411 余永權.單片機在控制系統中的應用M.電子工業出版,2001.112 龔永彬.采用單片機設計溫濕度控制儀J.今日電子,2002 年第 2 期.課程設計說明書 第17頁 附 錄程序設計:(1)主程序設計: ORG 0000H LJMP MAIN ORG 000BH LJMP TIMA ORG 0100MAIN: MOV SP ,#40H ;給堆棧賦初值 MOV 20H,#00H ;給位存儲單元清零MOV 71H,#20H ;相對濕度初始最小值 MOV 72H,#80H ;相對濕度初始最大值 MOV 73H,#00H ;當前相對濕度存儲單元清零 MOV TMOD,#01H ; MOV TL0,#0BEHMOV TH0,#63
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