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基于单片机的洗衣机设计
摘要
洗衣机是人们日常生活中常见的一种家电，已经成为人们生活中不可缺少的家用电器。在工业生产中应用也十分广泛。但是传统的基于继电器的控制，已经不能满足人们对洗衣机的自动化程度的要求了。随着单片机技术的发展，用单片机来作为控制器，能更好的控制洗衣机，并且控制方式灵活多样，控制模式可以根据不同场合的应用而有所不同。单片机以微小的体积和编程的灵活性而产生多种控制功能，完全可以满足设计的需求。本系统采用AT89C51单片机作为控制系统，设计目的主要是为了熟悉单片机系统设计的基本方法并实现基本的洗衣机功能。系统的控制面板主要由按键开关组成，按键选择洗衣机工作模式，并且可以根据需要调整洗涤时间长短。LED液晶显示器则显示洗衣机的工作模式和洗涤时间。洗衣机的整体电路模块包括按键矩阵、液晶显示、电机及驱动电路。控制程序设计包括定时中断服务程序、时间设定程序、外中断服务程序及主程序。整体来说系统设计基本达到设计目标。
关键词：单片机 控制 洗衣机 液晶屏 电机
Abstract
Washing machine is the People's Daily life common kind of home appliance, life has become a indispensable household electrical appliances. In the industrial production is also widely used. But the traditional relay-based control, cannot have satisfied people to the requirements of the automation degree of the washing machine. Along with the development of the single chip microcomputer by using single chip processor to as a controller, and can better control washing machines, and to control the way agile diversity, control mode according to different situation the application can be different. With a small volume and microcontroller programming flexibility and produce DuoZhong control function, and can meet the design requirements. The system USES AT89C51 single chip microcomputer as control system, the design purpose mainly to familiar with single-chip microcomputer system the basic method to design and realize the basic function of the washing machine. The system control panel composed mainly by button switches, key choice washing machine work mode, and may, according to needs to adjust the washing time length. LED LCD display of the washing machine is working mode and washing time. The washing machine of the whole circuit module includes key matrix, liquid crystal display, motor and power circuit. Control program design including timing interrupt service procedure, time setting process, and outside the interrupt service routine and main program. Overall system design to meet the design basic goals.

Keywords: Single-chip microcomputer control washing machine LCD screen motor
目录
摘 要 ……………………………………………………………………1
ABSTRACT…………………………………………………………………1
目 录 ……………………………………………………………………3
第一章 绪言 ……………………………………………………………4
1.1 背景材料………………………………………………………………………4
1.2 系统设计任务和要求…………………………………………………………8
1.2.1 设计任务.......................................................................................................8
1.2.2 系统设计要求…………….…………………………………………………………..10
1.3系统解决的问题和拟采用的研究手段………………………………………10
第二章 硬件设计………………………………………………………11
2.1 方案的选择与比较……………………………………………….……………………11
2.2 系统设计总体框图…………………………………………………………………….12
2.3 电路模块设计…………………………………………………………………………..12
2.3.1 控制电路…………………………………………………………...……………….12
2.3.2驱动电路…………………………………………………………………………….13
2.3.3显示电路………………………………………………….…………………………13
第三章 软件设计……………………………………………………….14
3.1控制程序设计…………………………………………………………………14
3.1.1 程序设计流程图…………………………………………………………………...14
3.1.2 程序代码…………………………………………………………………………...14
3.2模拟软件调试…………………………………………………………………21
3.2.1系统仿真图…………………………………………………………………………21
3.2.2 PCB图………………………………………………………………………………21
第四章 系统测试………………………………………………………22
3.1仪器设备………………………………………………………………………22
3.2数据测试………………………………………………………………………22
第五章 总结……………………………………………………………23
致 谢………………………………………………………………………………24
参考文献..……………………………………………………………………………25

第1章 绪论

1.1 背景材料
一百年的风风雨雨走过来，洗衣机也经过了无数次的创新、改进，今天我们看到一个个外形精美的或滚筒或波轮洗衣机，可曾想到，它们可也是在历史长河 慢慢“进化”而来的。洗衣机被誉为历史上100个最伟大的发明之一，洗衣机的发明的确是一件伟大的事情，这使千千万万的妇女从繁重的家务劳动中解脱出来，光是这一点，就足够给这个发明记上一大功了。
首台电动洗衣机的发明
首先还是说一下洗衣机的诞生。任何事务的产生都有其特殊的时代背景，洗衣机当然也不例外，电动洗衣机的发明自然是要托福电力基础设备的进步，比如维尔纳·冯·西门子发明了电机原理，才让电器的发明和使用能为可能。
现在人们公认的一个说法是，1911年诞生了世界上第一台电动洗衣机，是由美国人阿尔几·费希尔于芝加哥制成。它由一种小型发电机供电，利用一个转动的大桶，把衣服和肥皂放在里面。在搅拌器叶片的作用下，衣物在肥皂水中剧烈地前后翻滚。
也是在这一年，罗·尤浦顿（Upton）机器公司在美国密西根州的圣约瑟夫成立，生产、销售电动洗衣机，并与西施公司（Sears）开展了第一笔洗衣机的销售业务，但这种机器并没有得到广泛的推广。这个公司，就是现在鼎鼎大名的惠而浦。

洗衣机的广泛推广时代
洗衣机的诞生到被人们普遍接受经过了大约十多年的时间，这期间主要是受到电力不足的约束。到了20世纪20年代，在西方国家，电力被普遍广泛应用，在1922年，美国的霍华德·斯奈德对洗衣机的洗涤结构进行了改革。把拖动式改为搅拌式，让水流和衣物强烈碰撞、摩擦，从而达到洗净衣服的目的，这就是著名的搅动式洗衣机。这种洗衣机在依阿华州被批量生产并风靡市场。这时，基本是洗衣机在普通家庭的一个广泛普及的过程。
与此同时，在欧洲大陆，同样发生了一个划时代的事件，1928年，第一款性能稳定、耗电量小、洗净度高的洗衣机由德国西门子推出，这就是滚筒式洗衣机，这种洗涤结构奠定了以后洗衣机发展的基础，甚至现在仍在普遍使用。
全自动时代的来临
到20世纪50年代，人们慢慢开始厌烦了烦琐的洗衣过程，这时候随着技术的进步，洗衣机的全自动化时代也全面来临。1947年，尤浦顿机器公司发明了全世界第一台全自动洗衣机。1948 年，正式开始使用“惠而浦”（英文Whirlpool，即有旋涡的水池之意）作为产品商标，并通过西施公司于对外销售第一台全自动洗衣机。这是一种“前置”式自动洗衣机。靠一根水平的轴带动的缸可容纳4000克衣服。衣服在注满水的缸内不停地上下翻滚，使之去污除垢。到了后来，更出现了现代的“上置”式自动洗衣机。

在1951年的欧洲，同样是如今的白色家电巨头——伊莱克斯推出了第一款家用洗衣机“飘翼”、“双翼”系列W20洗衣机，由哥德堡工厂生产。这种一种通过分离作用进行洗涤的机器。随着该产品的推出，伊莱克斯进入了新型家用洗衣机市场，并迅速取得了不错的销售业绩，从而奠定了自己在将来白电市场上的地位。
60年代的日本出现了带干桶的双桶洗衣机，人们称之为“半自动型洗衣机”。
　　70年代，生产出波轮式套桶全自动洗衣机。
　　70年代后期，以电脑（实际上微处理器）控制的全自动洗衣机在日本问世，开创了洗衣机发展史的新阶段。
　　80年代，“模糊控制”的应用使得洗衣机操作更简便，功能更完备，洗衣程序更随人意，外观造型更为时尚……
90年代，由于电机调速技术的提高，洗衣机实现了宽范围的转速变换与调节，诞生了许多新水流洗衣机。此后，随着电机驱动技术的发展与提高，日本生产出了电机直接驱动式洗衣机，省去了齿轮传动和变速机构，引发了洗衣机驱动方式的巨大革命。 之后，随着科技的进一步发展，滚筒洗衣机已经成了大家耳濡目染的产品。伴随着科技的进一步发展，相信新型更适合人们使用的洗衣机会给我们的生活带来新的方式。
1.2 系统设计任务和要求
单片机又称微控制器，或称嵌入式控制器。而现在的智能家电无一例外是采用微控制器来实现的，所以家用电器是单片机应用最多的领域之一。它是家用电器实现智能化的心脏和大脑。
  由于家用电器体积小，故要求其控制器体积更小以便能嵌入其结构之中。而家用电器品种多，功能差异也大，所以又要求其控制器有灵活的控制功能。单片机以微小的体积和编程的灵活性而产生多种控制功能，完全可以满足家用电器的需求。
单片机主要用于计算机外设、实时控制、仪器仪表、通信和家用电器等各个领域，是计算机技术和电子技术的综合性应用，在不同应用场合其技术要求各不相同，因此设计方法和研制的步骤不完全一样。
单片机应用系统由硬件和软件组成。硬件是指MCU、存储器、I/O接口和外设等物理器件的有机组合。软件是指系统监控程序的总称。在开发的过程中，它们的设计不能完全分开，二者需要互相配合、不断调整才能组成高性能的应用系统。单片机应用系统的开发包括系统总体设计、硬件设计、软件设计、系统调试等几个阶段，它们有时交叉进行。
1.2.1设计任务
 （1）系统总体设计任务
在进行系统设计之前，首先应根据对系统的功能要求及其应用环境等确定合理的、具体的功能和技术指标，对应用系统的可靠性、通用性、先进性、可维护性、以及成本等进行综合考虑，以尽量合理并符合相应的标准。然后根据市场上各种单片机的货源情况和单片机的性能及开发工具等因素选择合适的机型。接下来要根据系统中可能遇到的传感器、模拟电路、I/O接口、存储器和显示器等器件和设备进行器件选择，使之符合系统在精度、速度和可靠性等方面的要求。最后确定硬件和软件的功能划分。由于在系统设计中某些功能用硬件和软件都能实现，在设计中应综合考虑研制周期和成本等因素具体划分软硬件功能。
（2）系统硬件设计任务
硬件设计的任务是根据总体要求，在所选的MCU和各个元器件型号的基础上设计出系统的电路原理图，做一些必要的不见实验，以及工艺结构的设计加工，印刷电路板的设计制作和样机的组装等。在硬件设计中，需要考虑系统总线的负载能力、系统扩展时的片选方式、模拟电路的速度和精度等，如需扩展存储器则尽量用一片完成，这样既降低了成本，又减小了线路板的面积，同时提高了系统的可靠性。
（3）系统软件设计任务
单片机应用系统的软件设计是系统设计中最基本而且工作量较大的任务。与系统机上操作系统支持下的纯软件不同，单片机的软件设计是在裸机的条件下进行的，而且随应用系统的不同而不同。在软件中一般需考虑以下几个方面：
<1> 根据要求确定软件的具体任务细节，然后确定合理的软件结构。一般系统软件的主程序和若干个子程序及中断服务程序组成，详细划分主程序、子程序和中断服务程序的具体任务，确定各个中断的优先级。主程序是一个顺序执行的无限循环的程序，不停地顺序查询各种软件标志，以完成对事务的处理。在子程序和中断服务程序中，要考虑现场的保护和恢复，以及它们和主程序之间的信息交换方法。
<2> 程序的结构用模块化结构，即把监控程序分解为若干个功能相对独立的较小的程序模块分别设计，以便于调试。具体设计时可采用自底向上或自顶向下的方法。
<3> 在进行程序设计时，先根据问题的定义描述出各个输入变量和输出变量之间的数学关系，即建立数学模型，然后绘制流程图，再根据流程图用汇编语言进行具体程序的编写。
<4> 在程序设计完成后，利用相应的开发工具和软件进行程序的汇编，生成程序的机器码。
（4）系统的调试任务
在系统样机的组装和软件设计完成以后，就进入系统的调试阶段。应用系统的调试步骤和方法是相同的，但具体细节与采用的开发系统（即仿真器）及选用的单片机型号有关。调试的过程就是软硬件的查错过程，分为硬件调试和软件调试。
1.2.2系统设计要求
AT89C51单片机是ATMEL公司32位单片机系列产品之一，是一种40引脚双列直插式芯片。它内含8KB可反复烧录的FLASH存储器，RAM字节也有128个，32个I/O口，5个中断，2个定时，已经可以满足程序的需要，指令也和51系列兼容，基于上述特点，选择它来设计一台智能洗衣机，完全可以达到以下的功能：

1、弱强洗涤功能。通过控制电机的转速来控制强洗弱洗。
2、洗涤时间设定功能。可以根据需要设定洗涤时间的长短。
3、液晶显示功能。洗衣机各种工作模式的选择和工作时间均可在液晶屏上显示。
4、制动功能 。不管洗衣机工作在什么状态，当按下制动键时，洗衣机立即停止工作。
1.3系统解决的问题和拟采用的研究手段
本课题主要是研究基于单片机的简易洗衣机控制系统软硬件设计。首先要熟悉设计内容，学习掌握单片机的使用方法；精确分析并设计出该控制系统的全部工作流程图，确定输入、输出的名称功能；设计系统软件并在PC机上仿真模拟调试；设计并制作硬件模拟电路盘，接电模拟调试；软硬件联合调试，实现全部功能，完成设计并撰设计论文。
针对课题采取以下研究方法及步骤：
1、各种元器件以及芯片的选择
2、硬件电路的设计
3、用C语言完成软件方面的设计
4、结合电路对程序进行调试
5、找出程序中的错误，改正这些错误

第二章 硬件设计
2.1方案的选择与比较
方案一：用FPGA/CPLD做控制器设计
采用FPGA或CPLD做为控制器，也可以实现设计的要求，实现洗衣机系统设计基本功能，但是使用FPGA缺点是设计比较复杂，引脚的锁定设定比较繁琐，周期比较长，运行的速度也不是很快，并且价格比较昂贵。
方案二：使用嵌入式系统设计
用嵌入式系统设计更容易实现洗衣机的智能化，使洗衣机系统的功能更加强大，但设计过程比较复杂，对汇编语言、C语言及C语言和汇编语言的混合编程等计算机语言的要求比较高，不适合初级设计人员设计使用。
方案三：用单片机做控制器
用单片机设计洗衣机，控制简单灵活，功能的控制和修改更加容易实现，单片机体积较小，制作出的系统也更小巧实用，并且单片机价格比较低，这样系统的总体性价比比较高，这种方案的使用比较普遍。因此，采用此方案来设计本系统。

2.2系统总体框图

经设计构思，系统总体框图如下：

89C52
时钟电路
键盘控制
控制端口
UNL
2003NNN
步进电机
时钟电路
显示端口
液晶显示屏

基于单片机89C52的洗衣机系统原理框图

2.3电路模块设计

2.2.1 控制电路

2.2.2驱动电路

2.2.3显示电路

第三章 软件设计
3.1控制程序设计
3.1.1 程序设计流程图

开始

设定初始值

读取键盘

开始运转

否
是
是否紧急制动?

时间结束停止
按制动键停止

3.1.2 程序代码
#include "reg52.h"
#include <stdio.h> //包含sprintf(),实数->字符串
void delay(unsigned int t);
#define uchar unsigned char
#define uint unsigned int
void time(void);
//Motor
sbit F1 = P1^0;
sbit F2 = P1^1;
sbit F3 = P1^2;
sbit F4 = P1^3;
sbit K1 = P3^0;//慢速
sbit K2 = P3^1;//中速
sbit K3 = P3^7;//快速
sbit K4 = P3^3;//确定
sbit K5 = P3^4;// 增加
sbit K6 = P3^5;// 减少
sbit K7 = P3^6;// 调节时间
sbit K8 = P3^2;//紧急制动
sbit lcdrs=P1^5;
sbit lcdrw=P1^6;
sbit lcden=P1^7;
unsigned char code FFW[8]={0xfe,0xfc,0xfd,0xf9,0xfb,0xf3,0xf7,0xf6}; //反转
unsigned char code FFZ[8]={0xf6,0xf7,0xf3,0xfb,0xf9,0xfd,0xfc,0xfe}; //正转
unsigned int key,K,rate;//rate调解速度
unsigned int rest,LedNumVal=1;//紧急关闭
/**********************************************************************
* *
* 步进电机驱动 *
* *
***********************************************************************/
void motor_ffw()
{
unsigned char i;
unsigned int j;
for (j=0; j<12; j++) //转1*n圈
{

for (i=0; i<8; i++) //一个周期转30度
{
if(K==1&&LedNumVal!=0) P1 = FFW[i]&0x1f; //取数据
if(K==2&&LedNumVal!=0) P1 = FFZ[i]&0x1f;
delay (rate); //调节转速
}
}
}

/******************************************************
*
* 延时程序
*
********************************************************/
void delay(uint z) //0.2 ms
{ uint x,y;
for(x=z;x>0;x--)
for(y=100;y>0;y--);
}

/*********************************
*
*
*读取键盘
********************************/
void getkey()
{
key=1;
rest=0;
do
{ P3 = 0xff;
if((K1||K2||K3||K4)!=0)
{delay(2);
if((K1||K2||K3||K4)!=0)
{if(K1==0)
key=1;
if(K2==0)
key=2;
if(K3==0)
key=3;
if(K4==0)
{ rest=rest%2+1;}
} ;

};
} while(rest==0);

}
/****************************
'
'读取时间设置
*****************************/
void shijian()
{ unsigned int j=0;
do
{ P3=0Xff;
if((K5&&K6&&K7)!=1) //判断
{ delay(2);
if((K5&&K6&&K7)!=1)
{if(K5==0)
LedNumVal++;
if(K6==0)
LedNumVal--;
if(K7==0)
j=1;
delay(150);
} ;
};
if(LedNumVal>=6)
LedNumVal=6;
if(LedNumVal==0)
LedNumVal++;
time();
}while(j==0);

}

/**************写命令*****************/
void write_com(uchar com)
{
lcdrs=0;
lcdrw=0;
lcden=0;
P2=com;
delay(5);
lcden=1;
delay(5);
lcden=0;
}
/*************写数据******************/
void write_date(uchar dat)
{
lcdrs=1;
lcdrw=0;
lcden=0;
P2=dat;
delay(5);
lcden=1;
delay(5);
lcden=0;
}

/*************写字符串******************/
void write_str(uchar *str)
{
uchar idata i;
for(i=0;str[i]!='\0';i++)
write_date(str[i]);
}
/***********液晶初始化***************/
void init(void )
{ delay(75);
write_com(0x38); //模式：8位数据，两行，5*7字体
delay(25);
write_com(0x38);
delay(25);
write_com(0x38);
write_com(0x38);
write_com(0x08);
write_com(0x01);
write_com(0x06);
write_com(0x0c);
}
void time()
{unsigned int i,time;
unsigned char num[3];
time=LedNumVal*10;
sprintf(num,"%3d",time);
write_com(0x80+0x40);
for(i=0;i<3;i++)
{
write_date(num[i]);

}
write_str("min");
}

/*****************************
*
*
*中断系统
*****************************/

void int0()interrupt 0
{
LedNumVal=0;
time();
}
/*****************************
*
* 主函数
*****************************/

main()
{ unsigned int t;
unsigned int n ;
//变量定义

init();
EA=1;
EX0=1;
IT0=0;//开外部中断 3.2

while(1)
{ write_com(0x80);
write_str("enter key:");
time();
getkey();

if(key==1)
{rate=20;
write_com(0x80);
write_str("deng ji : 1");} //慢 4
if(key==2)
{rate=15;write_com(0x80);
write_str("deng ji : 2");} //中 3
if(key==3)
{ rate=10;
write_com(0x80);
write_str("deng ji : 3");} //快 2

shijian();
time();

t=rate/5; //求其速度与时间的比值 时间比值为4 3 2
n=0;
do
{
K=1;
motor_ffw();
K=2;
motor_ffw();//时间比值为8 6 4 公倍数为24 周期比为 8 6 4
n++;//比值为 3 4 6
if((t==4)&&(n%3)==0)
{LedNumVal--;time();}
if((t==3)&&(n%4)==0)
{LedNumVal--;time();}
if((t==2)&&(n%6)==0)
{LedNumVal--;time();}

} while(LedNumVal!=0);
time();

}
}

3.2模拟软件调试

3.2.1系统仿真图

3.2.2 PCB图

第四章 系统测试
3.1仪器设备
本系统设计和测试过程中所用到的仪器设备如下：
电烙铁、转印机、EDA试验箱、单片机系统开发板、数字电压表等。

3.2 测试数据
系统正常工作时，单片机各引脚工作电压如下表所示：

引脚
电压
引脚
电压
P0.0
4.7V
P2.0
0.3V
P0.1
4.7V
P2.1
4.7V
P0.2
4.7V
P2.2
4.7V
P0.3
4.7V
P2.3
4.7V
P0.4
4.7V
P2.4
0.3V
P0.5
4.7V
P2.5
4.7V
P0.6
0.3V
P2.6
4.7V
P0.7
0.3V
P2.7
0.3V
EA
4.7V
P3.0
4.7V
P3.1
4.7V
P3.2
4.7V
P3.3
4.7V
P3.4
4.7V
P3.5
4.7V
P3.6
4.7V
P3.7
4.7V

第五章 总结
计算机时代的已经到来，给人类带来的冲击是前所未有的，同时它也为人们的生活提供了实现飞跃的机遇。我们的家用电器要面向现代化、面向世界、面向未来。我的这个系统就本着这种方向去实现。
这个设计洗衣机要完成洗衣工作，除了对一般洗衣过程的人工工作及效能进行模拟之外，还要根据洗衣机的机械电子性质进行有关控制和检测。对于一台全自动洗衣机而言，首先要求能完成洗衣功能；同时还要根据用户的不同要求设置几种不同的洗衣程序；还要考虑水流的情况决定洗涤的弱强情况；另外，还要对洗衣过程出现的故障进行诊断；保证高速运转是脱水的安全性等实现的功能。
在进行系统设计之前，根据对系统的功能要求及其应用环境等确定合理的、具体的功能和技术指标，对应用系统的可靠性、通用性、先进性、可维护性、以及成本等进行综合考虑，以尽量合理并符合相应的标准。然后根据市场上各种单片机的货源情况和单片机的性能及开发工具等因素选择合适的机型。接下来要根据系统中可能遇到的传感器、模拟电路、I/O接口、存储器和显示器等器件和设备进行器件选择，使之符合系统在精度、速度和可靠性等方面的要求。最后确定硬件和软件的功能划分。由于在系统设计中某些功能用硬件和软件都能实现，在设计中综合考虑研制周期和成本等因素具体划分软硬件功能。
虽然我们系统设计的目的基本达到了，但洗衣机系统的功能还不是很完善，程序的设计方面也存在缺点，有些简单的想法却用了很长的代码来实现造成了代码冗余，还有部分想法没有实现。我们将在今后的学习中不断完善自己。

致 谢
经过一个学期的努力，我们已基本将我们的毕业设计--基于AT89C51单片机的洗衣机控制系统设计完成。首先最要感谢的是我们的指导老师孙惠章老师。在本次设计任务中我们遇到了好多困难，是老师在我们不知所措的时候给了我们精心指导，老师严谨的治学态度、对科研工作的执着追求、谦逊和蔼的风范对自己产生的深远影响，使自己受益终生。在他的严格要求下，我们的设计有了很大的进展，每次的指导我们都会从中获得丰富的理论知识同时也会提高实践能力，这对我将来进一步学习电子方面的知识有着极大的帮助。同时，还要感谢学校为我们安排了这个教学环节，给我们一个很好的把理论转化为时间的机会。也要感谢在此次设计过程中给予我们极大帮助的各位老师和同学。这次毕业设计使我们懂得了理论与实际相结合是很重要的，只有理论知识是远远不够的，只有把所学的理论知识与实践相结合起来，从理论中得出结论，才能真正为社会服务，从而提高自己的实际动手能力和独立思考的能力。在设计的过程中遇到问题，可以说得是困难重重，这毕竟第一次做的，难免会遇到过各种各样的问题，同时在设计的过程中发现了自己的不足之处，对以前所学过的知识理解得不够深刻，掌握得不够牢固，通过这次毕业设计之后，一定把以前所学过的知识重新温故。再次对各位老师的帮助表示衷心的感谢。

参考文献
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[2]张金 现代电子系统设计[M].电子工业出版社，2010.7
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[4]李永东. 交流电机数字控制系统[ M] . 北京: 机械工业出版社,2002.
[5]李秉操.单片机接口技术及在工业控制中的应用[M].陕西:陕西电子出版社,1992.
[6]王晓明.电动机的单片机控制[M].北京：航天航空大学出版社,2002.5
[7]林全新,苏丽娟. 单片机原理与接口技术[M].北京：人民邮政出版社，2002
[8]周航慈. 单片机应用程序设计技术[M]. 北京：北京航空航天大学出版社，2002