디지털 온도센서 온도측정 디스플레이 시스템에 관한 졸업과제 제안
(보고서에는 주제의 의의, 국내외 개발 현황, 연구 내용, 연구 방법, 연구 방법 등이 포함되어 있음) )
1) 주제의 연구 의의
현대 정보기술의 급속한 발전과 함께 전통적인 산업의 점진적인 변화. 독립적으로 작동할 수 있는 온도 감지 및 디스플레이 시스템이 많은 분야에서 사용되어 온도 제어가 생산 및 생활에 널리 사용된다는 것을 인식하십시오.
온도는 일상생활, 산업, 의학, 환경보호, 화학공업, 석유 및 기타 분야에서 가장 일반적으로 사용되는 물리량입니다. 온도를 측정하는 기본 방법은 온도계를 사용하여 온도를 직접 읽는 것입니다. 온도를 측정하는 가장 일반적인 도구는 수은 유리 온도계 및 알코올 온도계와 같은 다양한 온도계입니다. 온도를 눈금 형태로 나타내는 경우가 많으며 눈금 값을 읽어 온도를 측정해야 합니다. 마이크로 컨트롤러와 온도 센서로 구성된 전자 스마트 온도계는 온도를 직접 측정하고 온도의 디지털 값을 얻을 수 있어 간단하고 편리하며 직관적이고 정확합니다. 기존 온도계와 비교하여 이 디자인에 도입된 디지털 온도계는 판독이 편리하고 온도 측정 범위가 넓으며 온도 측정이 정확하다는 장점이 있습니다. 출력 온도는 주로 온도 측정이 더 정확한 장소에 사용됩니다. 과학 연구 실험실에서 설계 컨트롤러는 마이크로 컨트롤러 AT89S51을 사용하고 온도 센서는 DS18B20을 사용하며 LCD1602 액정 디스플레이는 위의 요구 사항을 정확하게 충족할 수 있습니다.
2) 국내외 개발현황
현재 온도계는 원래의 유리온도계 관온도계로부터 현행 내열온도계, 열전대 온도계, 디지털 온도계, 전자 체온계 온도계 등 열전대, 열 저항기 및 방사 온도계와 같은 주요 온도 계측기는 기술적으로 성숙했지만 전통적인 상황에서만 사용할 수 있으며 특히 첨단 기술 분야에서 간단하고 빠르며 정확한 온도 측정 요구 사항을 충족할 수 없습니다. 이에 각국의 전문가들은 다양한 새로운 온도 센서와 특수하고 실용적인 온도 측정 기술을 개발하기 위해 경쟁하고 있으며, 예를 들어 광섬유, 레이저 및 원격 감지 또는 저장 기술을 사용하는 새로운 온도계가 실용화되었습니다.
2008년 이후 중국의 디지털 온도계 및 온도 조절기 시장은 급속도로 발전했으며, 국가 산업 정책은 전자 온도계 및 온도 조절기 산업이 첨단 제품 방향으로 발전하도록 장려하고 있으며, 국내 기업은 새로운 투자 프로젝트에 투자했습니다. 투자자들은 전자 온도계 및 온도 조절기 산업에 점점 더 많은 관심을 기울이고 있으며, 이는 전자 온도계 및 온도 조절기 산업에 대한 개발 수요를 증가시켰습니다. 본 논문에서는 기존 방식의 단점을 극복하기 위해 단일 칩 마이크로컴퓨터를 기반으로 한 온도 제어 시스템을 연구합니다.
3) 연구 내용 및 방법
디지털 온도 센서는 단일 지점 온도 감지를 수행하는 감지 장치로 사용됩니다. LCD1602 액정은 온도 값을 직접 표시하는 데 사용되며 단일 칩 마이크로컴퓨터 시스템은 전자 온도계의 제어 및 표시 시스템으로 사용됩니다.
이 시스템은 다음 세 가지 측면을 고려합니다.
(1) 감지 온도 범위: 0℃~100℃, 감지 분해능 0.5℃.
(2) LCD1602를 사용하여 온도 값을 표시합니다.
(3) 경고 값(직접 정의)을 초과하면 경보가 표시됩니다.
주로 DS18B20 온도 감지 기능을 사용하여 현재 온도 값을 감지하고 감지된 온도 값이 설정 온도 범위를 초과하면 정확한 감지를 위해 경보가 발생합니다. . 목적.
이 시스템은 크게 네 부분으로 구성됩니다.
1) 센서 데이터 수집 부분은 온도 감지 모듈로, 서미스터를 사용하면 측정 범위 40도를 충족할 수 있습니다. 그러나 서미스터는 정확도, 반복성 및 신뢰성이 떨어지며 섭씨 1도에서 신호를 감지하는 데 적합하지 않습니다. 대신 지능형 통합 디지털 온도 센서 DS18B20을 사용할 수 있습니다.
DS18B20은 DALLAS Company에서 생산하는 1라인 디지털 온도 센서로 3핀 TO-92 소형 패키지로 구성되며 온도 측정 범위는 -55℃~+125℃이며 9비트로 프로그래밍할 수 있습니다. 12비트 A/D 변환 정확도로 온도 측정 분해능은 0.0625℃에 도달할 수 있으며 측정된 온도는 부호 확장 16비트 디지털 형식으로 직렬로 출력되며 작동 전력은 원격으로 도입되거나 기생 전력에 의해 생성될 수 있습니다. 여러 개의 DS18B20을 하나에 연결할 수 있습니다. 루트 라인에서 CPU는 많은 DS18B20과 통신하기 위해 하나의 포트 라인만 필요하므로 마이크로프로세서의 포트를 덜 차지하고 많은 리드와 논리 회로를 절약할 수 있습니다.
2) 온도 표시부는 LED 디지털 튜브 디스플레이 또는 LCD 액정 디스플레이를 사용할 수 있습니다. 이 모듈은 LCD1602를 사용합니다.
3) 상한 및 하한 경보 조정 모듈은 버튼을 통해 경보 온도를 설정하고 부저를 사용하여 경보합니다.
4) 마이크로컨트롤러 메인보드에 있는 스마트 모듈은 주로 센서 신호의 수신 및 처리를 완료하는 마이크로컨트롤러 부분을 의미합니다. 이 모듈의 설계는 먼저 마이크로컨트롤러 유형을 선택해야 합니다. 성능과 비용을 고려하여 AT89S52를 선택했습니다.
전체 시스템은 AT89S52의 제어하에 작동합니다. 작동 과정은 다음과 같습니다. 먼저 온도 버튼이 상한 및 하한 온도 범위를 설정한 다음 온도 센서 DS18B20이 현재 온도 신호를 수집합니다. 마이크로 컨트롤러는 이 신호를 수신하고 처리를 통해 액정 LCD1602에 현재 온도 값을 표시합니다. 측정된 온도가 설정 범위를 초과하면 부저가 경보 신호를 보냅니다.
이를 고려하여 이번 졸업 프로젝트의 목표는 다음과 같습니다.
(1) 전자 체온계의 신호 감지 부분을 디자인합니다.
(2) 디자인 전자체온계 신호처리부
(3) 전자체온계 메인 컨트롤러부 설계
(4) 전자체온계 표시부 및 경보부 설계
(5 ) 관련 소프트웨어 설계 작성 및 디버깅
(6) 실험 플랫폼 구축
(7) 전체 기계 디버깅
4) 향후 개발 글로벌 센서의 동향과 4대 중요분야(이전)
최근 몇 년 동안 센서 기술의 새로운 원리, 신소재, 신기술에 대한 연구가 더욱 심도 있고 광범위해졌으며, 새로운 품종, 새로운 구조와 새로운 응용이 끊임없이 등장하고 있습니다. 그 중 '5대 현대화'는 발전의 중요한 추세가 되었습니다.
첫 번째는 지능이며, 두 가지 개발 궤적이 함께 진행됩니다. 한 방향은 데이터 처리, 저장, 양방향 통신 등과 함께 다중 감지 기능을 통합하는 것입니다. 이를 통해 신호 감지, 변환 처리, 논리적 판단, 기능 계산, 양방향 통신 및 내부 기능을 완전히 또는 부분적으로 구현할 수 있습니다. 자체 테스트, 자체 교정 및 자체 보상, 자체 진단 및 기타 기능이 있으며 저비용, 고정밀 정보 수집, 데이터 저장 및 통신, 프로그래밍 자동화 및 기능 다양화의 특성을 가지고 있습니다. 예를 들어 미국 회사인 Linear Technology의 스마트 센서에는 ARM 아키텍처 기반의 32비트 프로세서가 탑재되어 있습니다. 또 다른 방향은 소프트센싱 기술, 즉 스마트 센서와 인공지능의 결합이다. 현재 퍼지추론을 기반으로 한 다양한 고도의 지능형 센서, 인공신경망, 전문가 시스템 등 인공지능 기술이 등장해 스마트 분야에 활용되고 있다. 주택 및 기타 측면 사용. 예를 들어, NEC는 다수의 센서 모니터링을 단순화하는 새로운 방법인 불변 분석 기술을 개발하여 올해 이를 인프라 시스템에 적용했습니다.
두 번째는 모빌리티로, 무선 센서 네트워크 기술 적용이 가속화되고 있다. 무선 센서 네트워크 기술의 핵심은 노드 자원 제한(에너지 공급, 컴퓨팅 및 통신 기능, 저장 공간 등)을 극복하고 센서 네트워크 확장성, 내결함성 및 기타 요구 사항을 충족하는 것입니다. 이 기술은 매사추세츠 공과대학(MIT)이 발행하는 테크놀로지 리뷰(Technology Review) 매거진이 선정한 미래 인류 생활에 지대한 영향을 미칠 10대 신기술 중 1위로 선정됐다. 현재 연구 개발의 초점은 주로 라우팅 프로토콜 설계, 위치 확인 기술, 시간 동기화 기술, 데이터 융합 기술, 임베디드 운영 체제 기술, 네트워크 보안 기술, 에너지 하베스팅 기술 등에 있습니다. 지금까지 일부 선진국과 도시에서는 스마트 홈, 정밀 농업, 산림 모니터링, 군사, 스마트 빌딩, 스마트 교통 등 분야에 이 기술을 적용해 왔습니다.
예를 들어, MIT의 독립 회사인 VoltreePower LLC는 미국 농무부의 의뢰를 받아 캘리포니아 산림 및 기타 장소에 온도 센서를 설치하고, 산불을 감지하고 화재 손실을 줄이기 위한 센서 네트워크를 구축했습니다.
세 번째는 소형화인데, MEMS 센서에 대한 연구개발이 갑자기 등장했다. 통합 마이크로 전자 가공 기술이 점점 성숙해짐에 따라 MEMS 센서는 반도체 처리 공정(예: 산화, 포토리소그래피, 확산, 증착 및 에칭 등)을 센서 제조에 도입하여 대규모 생산을 달성하고 센서 개발의 기반을 마련했습니다. 소형화는 중요한 기술 지원을 제공했습니다. 최근에는 일본, 미국, 유럽연합 등에서 반도체 소자, 마이크로 시스템 및 마이크로 구조, 속도 측정, 마이크로 시스템 처리 방법/장비, 마이크/스피커, 레벨링/레인지/자이로, 포토리소그래피 제판 공정 및 재료 특성 결정. /분석 및 기타 기술 분야에서 중요한 진전이 있었습니다. 현재 MEMS 센서 기술 연구 및 개발은 주로 다음과 같은 방향으로 진행됩니다. (1) 전력 소비를 줄이면서 소형화, (2) 정확도 향상, (4) MEMS 센서 개발 및 지능화, MOMES 센서(마이크로 광학과 결합), 생화학 센서(생명공학 및 전기화학과 결합), 나노센서(나노기술과 결합) 등 생물학 및 기타 기술 분야에 교차 통합된 새로운 센서입니다.
넷째는 다기능 통합 센서가 주목을 받고 있다는 점이다. 센서 통합에는 두 가지 범주가 포함됩니다. 하나는 동일한 유형의 여러 센서를 통합하는 것입니다. 즉, 동일한 기능을 가진 여러 감지 요소가 통합 프로세스를 사용하여 동일한 평면에 배열되어 선형 센서(예: CCD 이미지 센서)를 형성합니다. ). 다른 하나는 다기능 통합입니다. 예를 들어, 여러 가지 서로 다른 민감한 구성요소가 동일한 실리콘 칩에 제조되어 통합 다기능 센서를 형성하며, 집적도가 높으며 크기가 작고 보정이 용이합니다. 센서 개발의 주요 방향. 루이파 반도체는 제품 기능 향상을 위해 여러 센서를 결합한 모듈을 센서 허브로 사용할 것을 제안했고, 도시바는 맥박, 심전도, 체온, 신체 활동을 동시에 감지할 수 있는 웨이퍼 수준의 결합 센서를 개발해 올해 3월 출시했다. 4가지 생체신호 정보를 기다린 후 스마트폰, 태블릿 등의 센서 모듈 Silmee에 무선으로 데이터를 전송합니다.
다섯 번째는 신소재 기술의 혁신으로 다양한 새로운 센서의 등장이 가속화됐다는 점이다. 새로운 감응 소재는 센서의 기술 기반이며 소재 기술 연구 및 개발은 성능 향상, 비용 절감 및 기술 업그레이드를 위한 중요한 수단입니다. 기존의 반도체 소재, 광섬유 등 외에도 유기감응소재, 세라믹 소재, 초전도체, 나노미터 및 생물학적 소재 등이 연구개발 핫스팟이 되었고, 바이오센서, 광섬유 센서, 가스 센서, 디지털 센서 등 새로운 센서도 등장하고 있다. 빠른 속도로 등장하고 있습니다. 예를 들어, 광섬유 센서는 광섬유 자체의 민감한 기능을 활용하거나 광섬유를 사용하여 광파를 전송하는 센서로, 고감도, 강한 반전자기 간섭 능력, 내식성, 우수한 절연성 등의 특성을 가지고 있습니다. 현재 광섬유 센서는 측정 가능한 물리량이 70개 이상이며, 측정된 가스 농도를 그에 따른 전력 출력으로 변환할 수 있는 가스 센서의 개발 전망은 넓습니다. 그것에는 좋은 안정성, 좋은 반복성, 좋은 동적 특성, 빠른 응답, 쉬운 사용 및 유지 관리 기능이 있으며 응용 분야가 매우 넓습니다. BCC Research에 따르면 바이오센서와 화학 센서는 2014년부터 2019년까지 연평균 복합 성장률이 9.7%로 가장 빠르게 성장하는 센서 부문이 될 것으로 예상됩니다.
미래에 주목해야 할 4가지 주요 영역
재료과학, 나노기술, 마이크로 전자공학 및 기타 분야의 첨단 기술과 경제 및 사회 요구 사항의 획기적인 발전 개발, 네 가지 주요 분야는 센서가 될 수 있습니다. 미래 기술 개발의 초점입니다.
첫 번째는 웨어러블 애플리케이션입니다. 미국 ABI 조사기관의 전망에 따르면 2017년에는 웨어러블 센서 수가 1억 6천만 개에 달할 것이라고 합니다. Google Glass로 대표되는 웨어러블 기기는 하드웨어 혁신으로 가장 많이 회자되는 제품입니다. Google Glass에는 자이로스코프 센서, 가속도 센서, 자기 센서, 선형 가속도 센서 등 10개 이상의 센서가 내장되어 있어 기존 단말기에서는 달성할 수 없는 일부 기능을 구현합니다. 예를 들어 사용자는 눈 깜박임만으로 사진을 찍을 수 있습니다. 눈. 현재 웨어러블 디바이스의 적용분야는 외장시계, 안경, 신발 등에서 전자피부 등 더 넓은 분야로 확대되고 있다. 최근 도쿄대학교는 피부에 부착할 수 있는 유연한 웨어러블 센서를 개발했습니다.
센서는 필름 형태로, 단위 면적당 무게가 일반 종이의 1/27 수준인 3g/m2에 불과하고, 두께도 2미크론에 불과하다.
두 번째는 무인운전이다. 미국 기업 IHS는 자율주행 발전을 촉진하기 위해 센서 기술을 적용하는 것이 돌파구를 가속화하고 있다고 지적했다. 이 분야에서 구글의 자율주행차 프로젝트는 자동차에 설치된 카메라, 레이더 센서, 레이저 거리 측정기를 통해 초당 20회 간격으로 자동차 주변 지역에 대한 실시간 교통 정보를 생성하는 등 중요한 성과를 거두었다. 인공지능 소프트웨어를 활용해 관련 도로 상황의 미래 동향을 분석, 예측하고 이를 구글 지도와 결합해 도로 내비게이션을 제공한다. Google의 자율주행차는 이미 네바다주, 플로리다주, 캘리포니아주 도로 주행 승인을 받았습니다. 아우디, 메르세데스-벤츠, BMW, 포드 등 글로벌 자동차 대기업들은 모두 자율주행 기술 연구개발에 착수했으며, 일부 모델은 양산에 가까워졌다.
세 번째는 의료와 건강 모니터링이다. 국제적으로 유명한 의료 산업의 거대 기업을 포함하여 국내외 많은 의료 연구 기관이 의료 분야에 센서 기술을 적용하는 데 중요한 진전을 이루었습니다. 예를 들어, Rohm은 현재 근적외선(NIR)을 사용하는 이미지 센서를 개발하고 있습니다. 원리는 근적외선 LED를 조사하고 특수 카메라 소자를 사용하여 반사된 빛을 포착하고 파장을 변경하여 이미지를 얻는 것입니다. 근적외선을 조사한 후 영상처리를 이용하여 혈관 등을 더욱 생생하게 보이게 합니다. 일부 연구 기관에서는 신체에 내장되거나 삼킬 수 있는 재료로 센서를 만드는 데 진전을 이루었습니다. 예를 들어 미국 조지아 공과대학에서는 압력 센서와 무선 통신 회로를 탑재한 체내 내장 센서를 개발하고 있다. 이 장치는 전도성 금속과 절연 필름으로 구성돼 있으며, 주파수 변화에 따라 압력 변화를 감지할 수 있다. 진동 회로가 형성되어 기능이 완료된 후 체액에 용해됩니다.
넷째는 산업제어이다. GE는 2012년 '산업 인터넷: 지능과 기계의 경계를 깨다' 보고서에서 스마트 센서를 통해 인간과 기계를 연결하고, 소프트웨어와 빅데이터 분석을 결합하면 물리학과 재료과학의 한계를 뛰어넘고 세상을 바꿀 수 있다고 제안했다. 세계.작동 모드. 보고서는 또한 산업 인터넷을 배치함으로써 미국의 다양한 산업이 1%의 효율성 향상을 달성할 수 있고, 에너지 산업은 15년 내에 1%의 연료(약 660억 달러)를 절약할 수 있다고 지적했습니다. 2013년 1월, GE는 뉴욕의 한 배터리 제조 회사에 10,000개 이상의 센서를 설치하여 생산 중 온도, 에너지 소비, 기압 등의 데이터를 모니터링하고 생산을 감독할 수 있었습니다.
이 외에도 더치쉘, 후지전기 등 다국적 기업도 이 분야에 나서고 있다.
센서 산업화 발전의 중요한 추세
최근 기술 연구 개발의 지속적인 심화, 비용 절감, 성능 및 신뢰성 향상으로 인해 사물 인터넷, 모바일 인터넷, 고급 장비 제조의 급속한 발전에 힘입어 대표적인 센서 응용 시장이 빠르게 발전하고 있습니다. BCC리서치 분석에 따르면 글로벌 센서 시장 규모는 2014년 795억 달러, 2019년 1,161억 달러로 연평균 성장률 7.9%로 성장할 것으로 예상된다.
아시아태평양 지역이 가장 유망한 시장이 될 것이다. 현재 미국, 일본, 유럽 국가는 첨단 센서 기술과 성숙한 업스트림 및 다운스트림 산업 지원 시설을 보유하고 있으며 중급 및 고급 센서 제품의 주요 생산자이자 최대 응용 시장입니다. 동시에 아시아 태평양 지역은 가장 유망한 미래 시장이 되었습니다. 인테크컨설팅은 아시아태평양 지역의 시장점유율이 향후 몇 년간 계속해서 성장해 2016년에는 38.1%로 증가할 것으로 예상하는 반면, 북미와 서유럽의 시장점유율은 소폭 감소할 것으로 내다봤다.
교통과 정보통신은 시장에서 가장 빠르게 성장하는 분야가 되었습니다. 인테크 컨설팅(Intech Consulting)의 전망에 따르면, 세계 자동차 센서 시장은 2016년 419억 7천만 유로에 달해 세계 시장의 22.8%를 차지할 것이며, 정보통신 산업도 2016년에는 421억 6천만 유로에 달해 세계 시장의 22.9%를 차지할 것으로 예상된다. , 최대 규모의 단일 애플리케이션 시장이 될 수 있습니다. 의료, 환경 모니터링, 석유 및 가스 파이프라인, 스마트 그리드 및 기타 분야의 혁신적인 애플리케이션은 새로운 핫스팟이 될 것이며 앞으로 더 많은 시장 수요를 창출할 것으로 예상됩니다.
기업의 인수합병(M&A)이 점점 활발해지고 있습니다. 미국, 독일, 일본 등의 대형 센서 회사는 탄탄한 기술 연구 개발 기반을 갖추고 있으며 각 회사는 자체 기술 우위를 형성했으며 전반적인 시장 경쟁 패턴이 초기에 확립되었습니다(첨부 표).
대기업들이 합병과 재편을 통해 기술표준과 특허를 통제하고 점차 고급·정밀·첨단 센서와 신형 센서 시장을 독점하고 있다는 점에 주목해야 한다. 대기업의 경쟁 압력 하에서 중소기업은 "소형(중간) 및 정교함, 소규모 및 전문화" 방향으로 발전하고 있으며, 독점 기술을 개발하고 특정 시장 부문에서 제품을 포지셔닝하고 있습니다. 통계에 따르면 2010년 7월부터 2011년 9월까지 센서 업계에서 20건 이상의 대규모 인수합병이 있었습니다. 예를 들어, 미국 사모펀드 Veritas Capital III는 PerkinElmer의 조명 및 감지 솔루션(IDS) 사업을 현금 5억 달러에 인수했으며, 영국 회사 Spectris는 American Omega Engineering Company의 온도 및 측정 장비 제조 사업을 4억 7,500만 달러에 인수했습니다. . 현재 신흥시장 국가에서 M&A 거래가 점점 더 많이 이루어지고 있습니다.
5) 참고문헌
[1] Hu Ye, Yao Pengyi. Protel 99 SE 회로 설계 및 시뮬레이션 튜토리얼, Beijing: Machinery Industry Press, 2005
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[7] Sun Huanming. 51개의 단일 칩 마이크로컴퓨터 C 언어 프로그램 응용 사례에 대한 자세한 설명. 베이징: 베이징 항공 우주 대학 출판부, 2011
디자인 제목
개요: (내용은 다음과 같습니다. 노래 글꼴 크기 4)
현대 정보 기술의 급속한 발전과 전통적인 산업 변혁의 점진적인 실현으로 자동 온도 감지 및 디스플레이 시스템이 많은 분야에서 널리 사용되었습니다. 사람들은 온도 감지의 정확성, 편의성 및 속도에 대한 요구 사항이 점점 더 높아지고 있습니다. 기존 온도 센서는 더 이상 사람들의 요구를 충족할 수 없으며 점차 새로운 온도 센서로 교체됩니다.
이 기사에서는 간단한 온도계를 디자인하고 만듭니다. 이 설계는 마이크로컨트롤러 AT89S52와 온도 센서 DS18B20을 사용하여 자동 온도 측정 및 제어 시스템을 구성합니다. 온도 값은 실제 필요에 따라 임의로 설정되고 자동으로 제어됩니다. 이 설계에서는 AT89S52 마이크로 컨트롤러가 주 제어 장치로 사용되며 DS18B20은 온도 센서로 사용되어 LCD 디지털 튜브 직렬 포트를 통해 데이터를 전송하여 온도 표시를 실현합니다. DS18B20을 통해 측정된 온도 값을 직접 읽고 데이터 변환을 수행한 후 온도 상한 및 하한을 설정하여 알람 온도를 설정합니다. 그리고 경보 온도에 도달하면 시스템이 자동으로 경보를 울립니다.
본 글의 설계는 온도 측정 회로, 메인 제어 회로, 경보 회로 등 여러 측면에서 분석, 설명됐다. 이 장치는 마이크로컨트롤러에 의한 처리 및 제어를 용이하게 하기 위해 디지털 신호를 마이크로컨트롤러에 직접 전송할 수 있습니다. 또한 온도계는 온도 측정 장치를 직접 사용하여 온도를 측정할 수도 있습니다. 이는 데이터 전송 및 처리 프로세스를 단순화합니다. 이 디자인의 장점은 주로 강력한 조작성, 간단한 구조 기반 및 넓은 확장 공간에 반영됩니다.
키워드: 마이크로컨트롤러, 온도계;