单片机多功能电称研发设计方案.docx
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单片机多功能电称研发设计方案
Q260046902专业做论文
中国石油大学(华东)现代远程教育
毕业设计(论文)
题目:
基于单片机多功能电子称的设计
学习中心:
重庆信息工程专修学院奥鹏学习中心
年级专业:
0409级电气工程及自动化
学生姓名:
杨建学号:
0451480449
指导教师:
韩亚军职称:
讲师
导师单位:
重庆信息工程专修学院
中国石油大学(华东)远程与继续教育学院
论文完成时间:
年月
中国石油大学(华东)现代远程教育
毕业设计(论文)任务书
发给学员杨建
1.设计(论文)题目:
基于单片机多功能电子称的设计
2.学生完成设计(论文)期限:
年月日至年月日
3.设计(论文)课题要求:
设计一个用单片机来实现电子秤的功能。
它能实现一般测重工具不能实现的数据,具有良好的准确性和修改性,为人们的公平起了很重要的作用。
4.实验(上机、调研)部分要求内容:
利用所学的单片机编程,并在实验平台操作其程序,在设计的图形中必须在实验室中操作将其流程实验成功后,再规范处理.把内容和实践相结合达到统一.在调研的过程中要了解到单片机的内部结构以及一般电子称的结构,这样才能更好的理解到多功能电子称的结构及原理.
5.文献查阅要求:
[1]施汉谦,宋文敏.电子秤技术.北京:
中国计量出版社,1991
[2](德)曼弗雷德·柯希克主编,邹炳昌,施昌彦译.称重手册.北京:
中国计量出版社,1991
[3]蔡常青.我国非自动衡器型式实验的现状与发展.中国计量科学研究院2002
[4]贾伯年,俞朴.传感器技术.南京:
东南大学出版社1992
[5]李名兆低成本低功耗电子秤的设计.电子技术1997
[6]刘笃仁,韩保君.传感器原理及应用技术.西安:
电子科技大学出版社,2003
[7]查明华,陈晓勤,张如一电子秤中平行梁弹性元件的性能分析.力学与实践,1997
[8]廉晓霞.电阻应变式称重传感器的原理及故障分析.工业计量2003
[9]金篆芷,王明时.现代传感技术.北京:
电子工业出版社,1995
[10]单成祥.传感器的理论与设计基础及其应用北京:
国防工业出版社,1999
[11]阎宝珠,施昌彦等.JJG555-96非自动秤通用检定规程.北京:
计量出版社,1997
[12]康华光.电子技术基础.北京:
高等教育出版社1999
[13]刘君华.智能传感器系统.西安:
西安电子科技大学出版社,2000
[14]凌志浩.智能仪表原理与设计技术.上海:
华东理工大学出版社2003杨宝清。
现代传感器技术基础。
北京:
中国铁道出版社2001
[15]蒋焕文,孙续.电子测量。
北京:
计量出版社,1983
[16]严钟豪,谭祖根.非电量测量技术。
北京:
机械工业出版社,1983
[17]刘迎春,传感器原理设计与应用。
长沙:
国防科技大学出版社,1989
6.发出日期:
年月日
7.学员完成日期:
年月日
指导教师签名:
学生签名:
摘要
现代社会的发展对其称重技术提出了更高的要求。
目前,台式电了秤在商业贸易中的使用已相当普遍,但存在较大的局限性:
体积大、成本高、需要工频交流电源供应、携带不便、应用场所受到制约。
但是在工业测量中还没有让人们期待的电子秤出现。
多年来,人们一直期待测量准确、价格低廉的在工业发展中起到巨大作用的电子秤投放市场。
本文设计了一种电子秤,论述了仪器的工作原理,介绍了仪器的误差来源与误差分配,给出了仪器电路设计与软件流程,探讨了仪器的工程设计技术。
针对应变式称重传感器非线性影响大的问题,提出并建立了应变式称重传感器的非线性影响模型与校正模型,为电子秤的低成本准确称量奠定了理论基础。
电子秤是主要由电源、称重传感器、单片机、键盘/开关、LED显示器等部分构成。
主要技术指标为:
称量范围300kg—500kg;分度值0.01kg。
精度等级m级。
电源5v。
仪器的技术指标参考了目前国内市场上使用最多、国内外产量最大的电子衡器的技术指标,其合理性无疑加大了产品投放市场后的竞争能力。
仪器主要功能有自检、计价、累计、单价设定、过载报警等。
目前国际化的趋势是电子秤向小型化,模块化,集成化,智能化,其技术性能趋向于速率高,准确度高,稳定性该,可靠性高等,其功能趋向是称重计量的控制信息和非控制信息并重的智能化电子秤。
关键词:
单片机;应变式电阻器;放大器;滤波器
第1章前言
质量是测量领域中的一个重要参数,称重技术自古以来就被人们所重视。
公元前,人们为了对货物交换量进行估计,起初采用木材或陶土制作的容器对交换货物进行计量。
以后,又采用简单的秤来测定质量。
据考证,世界上最古老的计量器具出土于中东和埃及,最古老的衡器和砝码出自于埃及。
秤是最普遍、最普及的计量设备,电子秤取代机械秤是科学技术发展的必然规律。
低成本、高智能化的电子秤无疑具有极其广阔的市场前景。
本章简述称重技术和衡器的发展过程,论述提出新型电子秤的意义,、关键技术及工作重点等
1.1称重技术和衡器的发展
衡器是通过作用于被测量物体的重力来确定该物体质量的计量器具。
在整个衡器的发展过程中,先后主要出现了六种类型的衡器:
架盘天平、不等臂平台秤、吊车秤、倾斜象限杆秤、弹簧秤和自动秤。
其中,不等臂平台秤(“十进秤”)是当今动态轨道衡的鼻祖,至今它仍是最通用的一种秤。
电子衡器种类繁多,且涉及到贸易结算和广大消费者的利益,所以为世界各国政府普遍关注和重视,并被确定为我国强制管理的法制计量器具。
电子衡器是自动化称重控制和贸易计量的重要手段,对于加强企业管理、严格生产、贸易结算、交通运输、港口计量和科学研究都起到了重要作用。
目前电子衡器主要分为非自动衡器和自动衡器。
我国电子衡器经过40多年的不断改进与完善,从最初的机电结合型发展到现在的全电子型和数字智能型。
我国电子衡器的技术装备和检测实验手段基本达到国际90年代中期的水平。
电子衡器制造技术及应用得到了新发展。
电子称重技术从静态称重向动态称重发展。
计量方法从模拟测量向数字测量发展。
测量特点从单参数测量向多参数测量发展,特别是对快速称重和动态称重的研究与应用。
但就总体而言,我国电子衡器产品的数量和质量与工业发达国家相比还有较大差距,其主要差距是技术与工艺不够先进、工艺装备与测试仪表老化、开发能力不足、产品的品种规格较少、功能不全、稳定性和可靠性较差等。
电子衡器己从过去的引进技术进入了自行开发和设计的时期,尤其是用于非自动衡器方面的称重显示控制器的开发突飞猛进。
而市场上普遍使用的是非自动衡器,它主要用于贸易结算方面,也是群众接触最多的电子衡器,例如其中普遍使用的电子计价秤、电子台秤和电子汽车衡。
自动衡器一般较常见于工矿企业的配料秤、定量包装秤等。
1.2电子秤的发展现状
中国的科技技术近几年来飞速发展,我国的电子产品的发展也是日新月异。
正如本文所介绍的电子秤的发展技术从静态向动态称重发展,计量方法从模拟测量向数字测量发展;测量特点从单参数测量向多参数测量发展。
特别是对快速称重和动态称重的研究应用,但总体来说我国产品的数量和质量与发达国家还有较大差距,其主要差距是技术和工艺不够先进,工艺装备与测量仪表老化,开发能力不足,产品的品种规格少,功能不全,稳定性和可靠性较差等。
针对这些问题我们也做出了相应的调整,赶上国际形势,目前国际化的总发展趋势是;小型化,模块化,集成化和智能化,其技术性能趋向于速率高,准确度高,稳定性高,可靠性高,其功能趋向于称重计量的控制信息和非控制信息的并重。
智能化功能就向着综合性和组合性方向发展。
1.3本文的主要工作
全文分为6部分:
第一章阐述电子秤的发展现状,,指出研究新型电子秤的意义,介绍本文的组成。
第二章介绍传统应变式称重传感器存在的不足,设计了一种应变式称重传感器,介绍了它的测量原理、结构设计、尺寸设计和工艺设计,
第三章介绍以单片机MCS-518051为信息处理核心的电子秤的硬件设计方案,详细分析各单元的硬件电路,并给出相关电路原理图。
第四章是根据仪器的硬件构成和功能要求,对系统软件进行模块化设计,给出主要程序流程图。
第五章分析仪器误差来源,介绍误差分配和误差的计算方法。
第六章对仪器的工程设计做出详细论述,包括低功耗设计、抗干扰设计和可靠性设计。
1.4本文的创新
本文的创新在于:
(1)系统地研究了电子秤技术,设计了一种采用全电子原理、结构简单、功能齐全、耗电少、价格低的电子秤。
这种智能功能强、具有广阔的市场应用前景的电子秤,国内外未见成熟、实用产品。
(2)深入研究了应变式称重传感器的工作机理,建立了应变式传感器自校正数学模型,为电子秤的低成本准确称量奠定了理论基础。
(3)完成了电子秤的电路设计、智能功能设计和工程设计,可望在短期内形成电子秤产品。
第2章电子秤的测量原理
在电子秤中,传感器是最关键的部件,也是设计中最难处理的环节,其性能的好坏直接决定了电子秤的性能。
生产电子秤的主要难点就是传感器。
设计称重传感器的指导思想是:
追求良好的自然线性,尽量有较高的输出灵敏度,抗侧向能力强,结构简单,易于加工和密封,长期稳定性要好。
2.1称重传感器
现代科学技术的发展,特别是微型计算机技术的普及,及国民经济的发展使各工业领域普遍要求用电子衡器来检测重量信息。
电子称重技术由单一的称量用途,延伸到生产过程和工艺流程等过程控制领域,特别是物流中各环节的自动检测和监控。
电子衡器用于电子称重,是国家重点管理的6种计量器具之一。
称重传感器是电子衡器产品和电子称重系统的核心部件,其特性直接影响电子衡器整机的性能。
因此,其性能的优劣或质量的高低,对整个称重控制系统起到至关重要的作用。
准确度、稳定性和可靠性是称重传感器的重要的质量指标,同时也是用户最关心的问题。
工业与商业用电子秤的称重传感器技术与制造工艺,美、德等工业发达国家的著名制造公司处于国际市场引导者的领先地位。
我国称重传感器的研制与生产起步较晚,具有一定规模的称重传感器制造公司处于市场挑.钱者或市场追随者地位。
根据国际计量联合会的会议录,应变式称重传感器占总称重传感器的90%以上。
在自动称量及电子衡器方面,国外有80%使用电阻应变式称重传感器,国内的使用量约占90%—95%以上。
原因是电阻应变式称重传感器无论是敏感元件还是电阻应变计,还是传感器弹性体结构设计、弹性体材料加工处理、线路补偿以及检测仪表等方面,技术都比较成熟,测量精度比较高,稳定性也比较好,并且更有利于产业化和规模化生产。
2.1.1应变式称重传感器
2002年全国衡器工业展览会,展现了我国衡器工业发展的最新阶段。
在自动称量和电子衡器技术中,电阻应变式称重传感器用于静态、动态条件下测力或称重,目前市场上使用的称重传感器大都采用应变式称重传感器。
应变式称重传感器主要由弹性体、电阻应变计、检测电路三部分组成。
弹性体是一个有特殊形状的结构件,主要作用是将力转换为形变。
应变计是将变形转变成电阻变化的传感元件。
应变计通常有金属箔式应变计、半导体应变计(包括薄膜式半导体应变计)、金属薄膜应变计及厚膜应变计等,但目前,应用最广的仍是由金属合金箔制成的各种箔式应变计量。
检测电路的主要部件是惠斯登电桥,它可以比较方便地解决称重传感器的补偿问题,其功能是把电阻应变片的电阻变化转变为相应的电信号输出。
物料的重量通过电子秤的秤体或料斗作用于应变式称重传感器,传感器的弹性体在外力作用下产生弹性变形,使粘贴在它表面的电阻应变片也随同产生变形,电阻应变片变形后,它的阻值将发生变化(增大或减小)。
再经相应的检测电路,把这一电阻变化转换为电信号(电压或电流)输出,从而完成将外力变换为电信号的过程。
电阻应变式称重传感器是基于这样一个原理:
弹性体(弹性元件,敏感梁)在外力作用下产生弹性变形,使粘贴在他表面的电阻应变片(转换元件)也随同产生变形,电阻应变片变形后,它的阻值将发生变化(增大或减小),再经相应的测量电路把这一电阻变化转换为电信号(电压或电流),从而完成了将外力变换为电信号的过程。
2.1.2传感器工作原理与分析
电阻应变片是把一根电阻丝机械的分布在一块有机材料制成的基底上,即成为一片应变片。
他的一个重要参数是灵敏系数K。
我们来介绍一下它的意义。
设有一个金属电阻丝,其长度为L,横截面是半径为r的圆形,其面积记作S,其电阻率记作ρ,这种材料的泊松系数是μ。
当这根电阻丝未受外力作用时,它的电阻值为R:
(2-1)
当它的两端受F力作用时,将会伸长,也就是说产生变形。
设其伸长ΔL,其横截面积则缩小,即它的截面圆半径减少Δr。
此外,还可用实验证明,此金属电阻丝在变形后,电阻率也会有所改变,记作Δρ。
对式(2-1)求全微分,即求出电阻丝伸长后,他的电阻值改变了多少。
我们有:
(2-2)
用式(2-1)去除式(2-2)得到
(2-3)
另外,我们知道导线的横截面积S=πr2,则Δs=2πr*Δr,所以
(2-4)
从材料力学我们知道
(2-5)
其中,负号表示伸长时,半径方向是缩小的。
μ是表示材料横向效应泊松系数。
把式(2-4)(2-5)代入(2-3),有
(2-6)
其中:
(2-7)
式(2-6)说明了电阻应变片的电阻变化率(电阻相对变化)和电阻丝伸长率(长度相对变化)之间的关系。
需要说明的是:
灵敏度系数K值的大小是由制作金属电阻丝材料的性质决定的一个常数,它和应变片的形状、尺寸大小无关,不同的材料的K值一般在1.7—3.6之间;其次K值是一个无因次量,即它没有量纲。
在材料力学中ΔL/L称作为应变,记作ε,用它来表示弹性往往显得太大,很不方便常常把它的百万分之一作为单位,记作με。
这样,式(2-6)常写作:
(2-8)
2.1.3材料设计
选用具有低温度系数、热膨胀系数小、几何尺寸长期稳高绝缘电阻、低吸潮性和高表面电阻等优点的玻璃作为绝缘材料。
应变片传感器是高阻抗器件,其绝缘性能、机械结构的稳定性等,直接影响工作特性的稳定。
因此,应变片传感器的绝缘材料必须有很高的绝缘性能、足够的机械强度、高形状稳定性及良好的抗湿性能。
设计时,还应考虑应变片传感器材料的膨胀系数与金属部件的膨胀系数相匹配,以获得高的环境稳定性。
2.1.4应变式传感器的几何尺寸设计
本文主要使用的是应变片BLR-1型传感器起技术指标如下该传感器采用空心圆圆柱体应变筒作为敏感元件,有良好的动,静态性能,配用数字测量仪可作各种静,动态拉,压力的测量,分析及控制如图2-1,
图2-1应变式传感器外型图
2.2A/D转换电路设计
MC14433是美国Motorola公司推出的单片3位半A/D转换器,其中集成了双积分式A/D转换器所有的CMOS模拟电路和数字电路。
具有外接元件少,输入阻抗高,功耗低,电源电压范围宽,精度高等特点,并且具有自动调零和自动极性转换功能,只要外接少量的电阻器件即可构成一个完整的A/D转换器,其主要功能特性如下:
精度:
读数的±0.05%±1字
模拟电压输入量程:
1.999V和199.9mV两档
转换速率:
2-25次/s
输入阻抗:
大于1000MΩ
电源电压:
±4.8V—±8V
功耗:
8mW(±5V电源电压时,典型值)
采用字位动态扫描BCD码输出方式,即千、百、十、个位BCD码分时在Q0—Q3轮流输出,同时在DS1—DS4端输出同步字位选通脉冲,很方便实现LED的动态显示。
MC14433最主要的用途是数字电压表,数字温度计等各类数字化仪表及计算机数据采集系统的A/D转换接口。
下面介绍一下引脚功能。
VDD,VEE,VSS:
分别为正电源,负电源和地,一般情况分别接+5V,-5V和地线。
VREF,VAG;分别为基准电源正端和模拟地。
对于200mV电压量程,VREF端输入200mv的基准电压;对于2V电压量程,VREF端输入2v的基准电压。
V1:
模拟电压输入端。
R1,R1/C1,C1:
分别为外接积分电阻,积分电容端。
C01,C02:
外接自动调零电容端。
DL:
实时控制端。
若输入一个正脉冲,则本次A/D转换结果输出:
否则输出端仍保持原有数据不变。
一般情况下,将DL与EOC端相连,则每次A/D转换结果都被输出。
CL1,CL0:
分别为时钟输入,输出端,外接振荡电阻即可产生时钟信号。
EOC:
A/D转换结束标志输出端,正脉冲输出。
:
超量程信号输出端,低电平有效。
DS4—DS1:
为输出位的选通信号输出端,分别表示当前的输出是个,十,百,千位。
Q3—Q0:
数据输出端,分时输出转换结果的个,十,百,千位数值的BCD码。
MC14433内部计数器的计数范围是0—1999,转换结果可以分4次输出。
它的主要功能是把经过放大滤波的模拟信号转换为数字信号的仪器。
如图(2-2)所示电路
图2-2MC14433A/D转换器电路图
电路图A/D如图所始MC14433把模拟电路转换为数字电路CD4511为显示译码器,通过显示译码器把信息传到LED显示电路及键盘电路。
2.3放大电电路设计路及滤波
放大电路FX7650和HA-2900,SN62088均属于第4代运算放大器,它们是在应用CMOS集成工艺实现数字和模拟技术相结合的基础上,采用斩波稳零技术,其性能接近理想运放。
前置放大电路采用FX7650放大器,其主要特点是:
外接器件少,功耗低,电压范围宽,精度高,价格低廉等,深受广大用户的青睐。
放大电路是把电源电路传过来的微小信号转换为可供电路使用的电压信号其主要的参数如下:
输入直流参数
(1)输入失调电压U10
输入端短路时,由于内部的差动放大电路不完全对称,输出电压不为零。
要使集成运算放大器输出为零,需要在输入端加入补偿电压。
该电压越小越好。
(2)输入失调电压的温漂aUIO
是在确定的温度范围内,U10随温度变化的平均功率。
普通运放一般在(10—20)之间
(3)输入偏置电流IIB
集成运放输入时,两个输入端输入偏置的直流平均值。
即
(4)集成运放零输入时,两个输入端输入偏置的直流电流之差。
即
(5)输入失调电流的温漂aII0
在确定的温度范围内,I10随温度变化的平均率。
典型值在几千微安每度。
放大器是把电源电压放大,本文把电源电压放大为5V,从而供给电路使用。
滤波电路是具有对信号频率有选择性的电路。
它的功能是让特定频率范围内的信号通过,阻止特定频率范围外的信号通过。
本文设计的滤波器为有源低通滤波器,有源滤波电路一般由RC滤波网络和集成运放构成,在适当的直流电压偏置下,不仅有滤波作用,而且有放大作用。
有源滤波电路不适用大电流电路,仅适合做信号处理。
在分析滤波电路中经常使用拉氏变换中,将电压电流用象函数U(s)和I(s)表示。
因此,电阻R(s)=R,电容的容抗Zc(s)=1/Sc。
电感的感抗Zl(s)=sL。
于是传递函数:
传递函数中分母s的最高指数称为滤波器的阶段数。
如令s=jw,带入上式,即得到电路图(2-3)所示的电路图
图2-3放大滤波电路图本文设计的放大滤波器在电子秤中的应用
第3章电子秤电路设计
硬件电路是决定仪器性能的重要因素。
电子秤智能仪器的硬件设计以轻巧、简单、低功耗、低成本为原则,尽量采用集成化芯片,减小电路规模。
本章对电子秤的电路设计进行介绍,并对几种主要单元电路分别进行详细论述。
仪器电路设计中,需注意以下几点:
(1)考虑到传感器的问题,在电路设计上,最大限度的降低对传感器的精度要求
(2)设计的电路,在保证质量稳定的前提下,追求尽可能低的成本。
(3)尽量采用低功耗、微功耗集成化芯片,减小电路复杂性。
3.1电子秤的构成
图3-1单片机硬件电路框
3.2电源电路
为使仪器能按照要求正常工作,第一步设计,即精确、稳定的电源供给设计是至关重要。
电子秤供电电源为5v电池,经DC-DC电源变换后成为各电路单元稳定的SV供电电压。
在设计中要求电源芯片技术指标满足电路要求、耗电省、安全性好、占空比小、重量轻、性能价格比高。
电子秤电源设计选用7805芯片。
3.2.1电源7805
本文采用采用的是三端7805稳定电源,固定式三端稳压7805是由输出脚V0,输入脚V1和接地脚GND组成,它的稳压值为+5v它属于CW78XX系列的稳压器,输入端接电容可以进一步的滤波,输出端也要接电容可以改善负载的瞬间影响,此电路的稳定性也比较好,只是采用的电容必须要漏电流要小的钽电容,如果采用电解电容,则电容量要比其它的数值要增加10倍
其主要优点:
(1)电路简单,稳定调试方便
(2)价格便宜,适合于对要求苛刻的产品
(3)电路中几乎没有高频或者低频辐射信号的元件,工作频率低,EMI等方面易于控制。
串联型直流稳压电路的输出电压U0与基准电压Uz成正比,因此,基准电压的稳定性将直接影响稳压电路输出电压的稳定性。
在W7800系列三端集成稳压器中,采用一种能带间隙式基准源,这种基准源具有低噪声,低温漂的特点,在单片式大电流集成稳压器中被广泛应用。
在W7800系列三端集成稳压器中,已将三种保护电路集成在芯片内部,它们是限流保护电路,过热保护电路和过压保护。
在本文设计中所用的电源为7805其主要的技术参数如下:
输入电压:
10V
输出电压:
5V
电压调整率:
0.076%/V
电流调整率:
40mV
最小压差:
2V
输出电阻:
17
峰值电流:
2.2A
电路可以用电阻来提高输出电压。
假设流过电阻R1,R2的电流比三端集成稳压器的静态电流I大得多,则可认为输出电压为:
U0=(1+R2/R1)U1
从而得到想要的电压值。
如图3-2所示电源电路
图3-2电源7805电路图
3.3单片机系统设计
MCS-51单片机是美国INTE公司于1980年推出的产品,与MCS-48单片机相比,它的结构更先进,功能更强,在原来的基础上增加了更多的电路单元和指令,指令数达111条,MCS-51单片机可以算是相当成功的产品,MCS-51以其典型的结构和完善的总线专用寄存器的集中管理,众多的逻辑位操作功能及面向控制的丰富的指令系统,堪称为一代“名机”,为以后的其它单片机的发展奠定了基础。
正因为其优越的性能和完善的结构,导致后来的许多厂商多沿用或参考了其体系结构,有许多世界大的电气厂商丰富和发展了MCS-51单片机,例如PHILIPS、Dallas、ATMEL等著名的半导体公司都推出了兼容MCS-51的单片机产品,就连我国的台湾WINBOND公司也发展了兼容C51(人们习惯将MCS-51简称C51,如果没有特别声明,二者同指MCS-51系列单片机)的单片机品种一直到现在,MCS-51系列或其兼容的单片机仍是应用的主流产品,各高校及专业学校的培训教材仍与MCS-51单片机作为代表进行理论基础学习。
我们也以这一代表性的机型进行系统的讲解。
MCS-51系列单片机主要包括8031、8051和8751等通用产品,其主要功能如下:
(1)8位CPU
(2)4kbytes程序存储器(ROM)
(3)128bytes的数据存储器(RAM)
(4)32条I/O口线
(5)111条指令,大部分为单字节指令
(6)21个专用寄存器
(7)2个可编程定时/计数器
(8)5个中断源,2个优先级
(9)一个全双工串行通信口
(10)外部数据存储器寻址空间为64kB
(11)外部程序存储器寻址空间为64kB
(12)逻辑操作位寻址功能
(13)双列直插40PinDIP封装
(14)单一+5V电源供电
MCS-51具有比较大的寻址空间,地址线宽达16条,即外部数据存储器和程序存储器的寻址范围达216=64kB,这作为单片机控制来说已是比较大的,这同时具备对I/O口的访问能力。
此外,MCS-51采用模块化结构,可方便地增删一
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- 单片机 多功能 研发 设计方案