(完整版)AT89C51一氧化碳报警设计.docx

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1、第一章 绪论1第一节 设计背景1第二节一氧化碳报警器概述1第三节 设计的目的及意义 1第二章 设计方案2第一节 单片机的介绍和选用2第二节 设计要求及思路2第三节 初始方案与确定2第四节 系统组成3第五节一氧化碳报警器系统的三大部分4第三章 硬件电路设计6第一节 单片机基础知识简介6第二节 模数转换部分电路设计7第三节 传感器部分电路设计8第四节 报警电路的设计 9第四章 软件设计10第一节 单片机编程 10第二节 汇编语言概况10第三节 源程序11结束语13谢辞14参考文献1512第一章绪论第一节设计背景一氧化碳（CO）为无色、无味、无刺激性气体，比重0.967，几乎不溶于 水，不易被活性炭

2、吸附。当碳物质燃烧不完全时，可产生CO，如人体短时间内吸 收较高浓度的C0，或浓度虽低，但吸时间较长，均可造成急性中毒。CO与血红 蛋白结合能力超过氧和血红蛋白的结合能力的200300倍，当CO与血红蛋白结合 形成的碳氧血红蛋白含量达到5%时，就会对人体产生慢性损害,达到60%时就会利用炼焦:迷，达到90%就会死亡。唐山开滦集团中润煤化工有限公司甲醇分厂, 过程产生的焦炉气，经过净化、湿脱硫、压缩、精脱硫、合成、精镭等工段生产出高品质甲醇。净化后焦炉气主要含量是CO,在生产现场周围不可避免的有煤气存在，如果环境中CO含量超出安全范围，常人很难发现，为了保证 人们生命健康和正常生产不受影响，实时

3、检测CO含量十分重要。所以基于单片 机设计制作一氧化碳报警器，来保障人们的生命财产安全。第二节一氧化碳报警器概述首先我们应该对国家标准规定的燃气报警器的种类有所了解。燃气报警器可分 为可燃气体泄漏仪（简称“检漏仪”），可燃气体报警控制器（简称“控 制 器”）、可燃气体探测器（简称“探测器”）、可燃气体报警器（简称“报 警 器”）四大系列产品。可燃气报警器的核心是气体传感器，俗称“电子鼻”。当气 体传感器遇到燃气时，传感器电阻随燃气浓度而变化，随之产生电信号，供燃气报 警器后继线路处理。经过电子路线处理变成浓度成比例变化的电压信 号，由线性电 路加以补偿，使信号线性化，经微机处理、逻辑分析，输出

4、各种 控制信号，即当燃 气浓度达到报警设定值时，燃气报警器发出声光报警信号。第三节 设计的目的及意义设计出性能更加可靠，经济实惠的一氧化碳报警器。意义在于:（1）成本低廉并能对一氧化碳准确报警。（2）该产品不需专业人员操作，只要放在合适位置，通电即可，连续使用方便，操作简单。（3）能起到预防一氧化 碳中毒的效果，使人们安全放心的工作。（4）出现一氧化碳漏或者着火时，报警 器能够立即鸣笛报警，告之工作人员及时采取措施。第二章设计方案第一节单片机的介绍和选用单片机是一种集成在电路芯片，是采用超大规模集成电路技术把具有数据处理 能力的中央处理器CPU随机存储器RAM、只读存储器ROM、多种I/O 口

5、和中断 系统、定时器/计时器等功能(可能还包括显示驱动电路、脉宽调制电路、模拟多 路转换器、A/D转换器等电路)集成到一块硅片上构成的一个小而完善的计算机系 统，目前单片机渗透到我们生活的各个领域，几乎很难找到哪个领域没有单片机的 踪迹。导弹的导航装置，飞机上各种仪表的控制，计算机的网络通讯与数据传输， 工业自动化过程的实时控制和数据处理，广泛使用的各种智能IC卡，民用豪华轿车 的安全保障系统，录像机、摄像机、全自动洗衣机的控制，以及程控玩具、电子宠 物等等，这些都离不开单片机，更不用说自动控制领域的机器人、智能仪表以及各 种智能机械了。因此，单片机的学习、开发与应用将造就一批计算机应用与智能

6、化 控制的科学家、工程师。设计选用ATMEI公司的AT89C51和美国国家半导体公司 生产的ADC080。第二节设计要求及思路设计要求：报警器需在一氧化碳浓度达到100ppm时启动报警。具体实现如下 功能：(1)系统要求设置正常工作状态除正常工作状态外，LED红灯处于熄灭状态， 蜂鸣器处于关闭状态。(2)在正常工作状态下，绿灯应长亮。当室内一氧化碳浓度达到 100ppm 时系统应启动蜂鸣器报警，红灯闪烁。设计思路：采用单个传感器检测气体浓度， 将检测结果通过高精度运算放大器放大后送入模/数转换芯片中进行转换，传给单 片机进行数据处理。处理后的信息将通过单片机控制，驱动报警。第三节初始方案与确定

7、(1)初始设计以设计思路展开研究：根据该设计要实现的基本功能，设计大概 应该分为信号接收，信号处理，信号控制和信号响应四个部分。A.信号采集接收部分即通过检测一氧化碳气体浓度，并将这种变化量转换成电 压或者电流等模拟量的变化。B.信号处理部分是将接收部分得到的电压或电流等变化进行必要放大，为 后一 部分信号控制提供准备。C.信号控制部分是通过预定控制方式等实现对设计要求的准确操作。D.信号响应是通过事故处理部分和显示部分实现控制部分的要求。(2)对上述四个部分进行分析，得到如下一些基本的结论：A.信号接收部分为了能准且采集到气体浓度的变化应选用传感器敏感器件，为 使其有效部分的检测房间中气体浓

8、度，必须选用高温一氧化碳传感器。B.信号处理部分应该根据实际情况选用电荷放大，或比较器等装置，这部分电 路将包含在传感器接口电路中。C.控制部分为了实现精确控制，采用单片机较为合适。D.信号响应及报警部分，用蜂鸣器和LED灯即可。根据对上面设计系统的分析，我们得到该设计思想框图如下图2-1所示：图2-1设计思想框图(3)方案确定经过分析采用初始方案设计，即用单个传感器检测一氧化碳气 体浓度，将检测到的浓度结果通过运算放大器放大后送入模/数芯片ADC0809中进 行模一数转换，传入单片机中，由AT89C51单片机处理数据，并 利用单片机控制报 警器进行声音报警。分析：此设计十分简单，也十分实用。

9、虽然对气体浓度的采集不是很精确，但 报警方面已经十分符合设计目的。第四节系统组成本设计属于单片机应用系统。单片机在系统检测以及工程控制方面的应用，是 典型的嵌入式系统。通常将满足海量高速数据计算的计算机称为通用计算机系统； 而把面向工控领域对象，嵌入到工控系统中，实现嵌入式应用的计算机称之为嵌入 式计算机系统，简称嵌入式系统。嵌入式系统分为四种：工控机，通用CPU模块， 嵌入式微处理，单片机。嵌入式系统具有以下特点：(1)面对控制对象。如传感器信号输入、人机交互操作、伺服驱动等。(2) 嵌入到工控应用系统中的结构形态。(3) 能在工业现场环境中可靠运行的品质。(4) 突出控制功能。如对外部信息

10、的捕捉、对控制对象实时控制和有突出控制功能的指令系统(I/O控制、位操作和转移指令等)。单片机有唯一的专门为嵌入式应用系统设计的体系结构与指令系统，最能满足 嵌入式应用要求。单片机是完全按嵌入式系统要求设计的单芯片形态应用 系统， 能满足面对控制对象、应用系统的嵌入、现场的可靠运行及非凡的控制品质等要 求，是发展最快、品种最多、数量最大的嵌入式系统。第五节一氧化碳报警器系统的三大部分单片机应用系统的结构分三个层次。(1)单片机：通常指应用系统主处理机，即所选择的单片机器件。(2)单片机系统：指按照单片机的技术要求和嵌入对象的资源要求而构成的 基本系统，如时钟电路、复位电路和扩展存储器等与单片机

11、构成了单片机系统。(3)单片机应用系统：能满足嵌入对象要求的全部电路系统。在单片机系 统的 基础上加上面向对象的接口电路，如前向通道、后向通道、人机交互通道(键盘、 显示器、打印机等)和串行通行口( RS232 )以及应用程序等。单片机应用系统三 个层次的关系如图2-2所示。中升机位用系转仪片机系统th 通tn图2-2单片机应用系统三个层次的关系以此理解，一氧化碳报警器同样具有单片机应用系统的三个层次。其中以 AT89C51单片机为核心构成单片机系统。在此系统中，检测信号进入单片机进行运算处理。为了更好的理清设计思路，将整个系统细分为三部分加以设计说 明。整个报警器由三个部分组成，分为三大模块

12、：浓度检测模块、主控模块和报警 模块。在本次设计中，使用的核心器件是 单片机和一氧化碳传感器为了保重整个系 统可靠的运行，设计中必须明确三大部分的实际联系：以单片 机为中心，其他各大 模块一一展开。其中，浓度检测及显示模块所实现的功能是将房间中的一氧化碳浓度值转换成为单片机能够处理的数字信号，并且浓度值显示出来：主控模块以单片 机为主，对其他模块的运行进行控制；报警模块 是此系统的外部电路，它的功能是 实现报警.系统框图如图2-3所示。图2-3 一氧化碳报警器系统组成框图下面就对各个模块的功能和实现形式做简单介绍：(1 )气体浓度检测模块一氧化碳报警器主要采用高稳定一氧化碳气体传感器 MQ-7

13、检测房间气体浓度，检测结果通过高精度运算放大器放大后送入模/数转换芯片ADC0809中进行转换。(2)主控模块 系统采用单片机控制，用的是AT89C51单片机，AT89C51单 片机是美国Intel公司推出的一种4K字节可编程FLASH存储器，低电压、高性 能CMOS 8位微处理器。单片机的可擦除只读存储器可以反复擦除1000次，数据可保留10年。它的主要功能既是和ADC0809芯片一起共同接受检测信号，又 可以通过对数字型号的处理来控制外围电路以及显示电路。模数转换芯片采用 ADC0809，接收经过运算放大器处理后的一氧化碳传感器的检测值，检测结果通过 ADC0809处理后才传给单片机进行数

14、据处理。处理后的信息将通过单片机控制， 以驱动报警。(3)报警模块此模块主要有蜂鸣器、LED灯组成，在气体浓度过大，超过 安全值时，蜂鸣器工作，提供报警服务。至此，本系统的三大模块功能和设计思路 已经确立，下文将介绍整个系统的详细设计过程，并且给出设计电路。第三章硬件电路设计第一节单片机基础知识简介介绍及主控电路设计：在实际的应用中，基本知识的掌握程度至关重要，他影 响到应用的好坏。硬件知识用来设计硬件电路，软件知识用来设计芯片处 理数据的 先后顺序，数据的获得途径以及对数据做怎样的处理，还有其他的一些驱动和显示 功能等等。本设计用到的硬件知识主要有：电子技术、单片机技术。在电子技术方 面分为

15、模拟电子技术和数字电子技术，模拟电子技术主要用来放大传感器检测信号和驱动反光二极管以及显示穿管器检测气体浓度；数字电子技术用来把模拟量转换 成数字量，把从刚起检测到的模拟量转换成数字值。利用单片机实现综合控制。主 控电路中，以单片机为主体，通过分析A/D转换的得到的数字值，控制事故处理模 块运行。设计采用的是AT89C51型单片机,AT89c51是一种带4K字节闪存可编程可擦除只读存储器的低电压、高性能 CMOS8位微处理器，俗称单片机。单片机的可擦除只读存储器可以反复擦除1000 次。由于将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中，ATMEL的AT89c51是一种高效微控制器，AT89c

16、2051是它的一种精简版本。AT89c单片机 为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。外形及引脚排列如图3-1 所示。图3-1单片机外形及引脚排列(1)主要特性：与MCS-51兼容4K字节可编程闪烁存储器。寿命：1000写/ 擦循环；数据保留时间：10年；全静态工作：0Hz-24MHz ；三级程序存储器锁定 128x8位内部RAM ； 32可编程I/O线；两个16位定时器/计数器；5个中断源； 可编程串行通道；低功耗的闲置和掉电模式；片内振荡器和时钟电路。(2)振荡器特性：XTAL1和XTAL2分别为反向放大器的输入和输出。该反向 放大器可以配置为片内振荡器。石晶振荡和陶瓷振荡均可

17、采用。如采用外部时钟源 驱动器件，XTAL2应不接。有余输入至内部时钟信号要通过一个二分频触发器，因 此对外部时钟信号的脉宽无任何要求，但必须保证脉冲的高低电平要求的宽度。(3)芯片擦除：整个PEROM阵列和三个锁定位的电擦除可通过正确的控制 信号组合，并保持ALE管脚处于低电平10ms来完成。在芯片擦操作中，代码阵列 全被写“1”且在任何非空存储字节被重复编程以前，该操作必须被执行。此外， AT89C51设有稳态逻辑，可以在低到零频率的条件下静态逻辑，支持两种软件可选的掉电模式。在闲置模式下，CPU停止工作。但RAM，定时器，计数器，串口和 中断系统仍在工作。在掉电模式下，保存RAM的内容并

18、且冻结振荡器，禁止所用其他芯片功能，直到下一个硬件复位为止。第二节模数转换部分电路设计模数转换部分采用ADC0809芯片。ADC0809是M美国国家半导体公司生产 的CMOS工艺8通道，8位逐次逼近式A/D转换器。其内部有一个8通道多路开 吴，它可以根据地址码锁存译码后的信号，只选通8路模拟输入信号中的一个进行 A/D转换。是目前国内应用最广泛的8位通用A/D芯片。(1)主要特性：1、8路输入通道，8位A/D转换器，即分辨率为8位。2、具有转换起停 控 制端。3、转换时间为100gs (时钟为640kHz时)，130r s (时钟为500kHz 时)4、单个+ 5V电源供电。5、模拟输入电压范

19、围。+5V，不需零点和满刻 度校准。6、工作温度范围为-40+ 85摄氏度。7、低功耗，约15mW。(2)内部结构:ADC0809是CMOS单片型逐次逼近式A/D转换器，内部结构如图1322所 示，它由8路模拟开关、地址锁存与译码器、比较器、8位开关树型A/D转换 器、逐次逼近。(3)外部特性(引脚功能)：ADC0809芯片有28条引脚，采用双列直插式封装，如图3-2所示。下面说明 各引脚功能。IN0IN7 : 8路模拟量输入端。2-12-8 : 8位数字量输出端。 ADDA、ADDB、ADDC : 3位地址输入线，用于选通8路模拟输入中的一路.ALE ： 地址锁存允许信号，输入，高电平有效。

20、START ： A/D转换启动脉冲输入端，输入一个正脉冲(至少100ns宽)使其启动(脉冲上升沿使0809复位，下降沿启 动A/D转换)。EOC ： A/D转换结束信号，输出，当A/D转换结束时，此端输 出一个高电平(转换期间一直为低电平)。OE：数据输出允许信号，输入，高电平 有效。当A/D转换结束时，此端输入一个高电平，才能打开输出三态门，输出数 字量。CLK :时钟脉冲输入端。要求时钟频率不高于640KHZ。REF ( + )、REF(-)：基准电压。VCC ：电源，单一 + 5V。GND :地。其内部结构及引脚图 如 图3-2所示。、I MCI CIJK K C”：I I tIMB I

21、l)K. I孙 I检 l:科丁掩%一I” 一，ALE - T尬地铺图3.2 ADC0809内部图及引脚图第三节传感器部分电路设计(1)传感器的定义：人们通常将能把非电量转换成电量的器件称为传感器，传 感器实质是一种功能模块，起作用是将来之外界的各种信号转换成电信号：它是实 现测试与自动控制系统的首要环节。(2)传感器的作用：传感器是又称之为电五官，是获取自然和生产领域中信 息 的主要途径与手段。在现代工业生产尤其是自动化生产过程中，要用各种传感器来 监视和控制生产过程中的各个参数，使设备工作在正常状态或最佳状态，并使产品 达到最好的质量。没有众多的优良的传感器，现代化生产也就失去了基础。传感器

22、 技术在发展经济、推动社会进步方面的重要作用，是十分明显的世界各国都十分 重视这一领域的发展。相信不久的将来，传感器技术将会出现一个飞跃，达到与其 重要地位相称的新水平。(3)传感器的组成：传感器一般由敏感元件、传感元件和测量电路三部分组成 有时还加上辅助电源。通常可用方框图表示。敏感元件一一直接感受被测量，并输 出与被测量成确定关系的其他量的元件。传感元件一一又称变换器，传感元件可以 直接感受被测量而输出与被测量成确定关系的电量。也可以不直 接感受被测量，而只感受与被测量成确定关系的其他非电量。测量电路一一能把传感元件输出的电信号转换为便于显示、记录、控制和处理的有用电信号的 电路。使用较多

23、的是电桥电路，也是用其他特殊电路，如高阻抗输入电路、脉冲调 宽电路、维持震荡的激振电路等。由于传感元件的输出信号一般比较小，为了便于 与显示和记录，大多数测量电路还包括了放大器。传感器与ADC0809的连接检测数据从INO 口输入，转换完毕送给单片 机 P1 口供单片机进行数据处理。第四节 报警电路的设计报警电路采用了蜂鸣器以及放光二极管。在设计中，单片机2.0F2.1尸2.2分 别控制灯以及蜂鸣器，通过编程让传感器的数据和给定值进行比较。如果大于则 报警，即蜂鸣器鸣叫，发光二极管闪烁。电路图如图3-3所示。第四章软件设计第一节单片机编程本次设计用汇编语言编写程序。由于程序十分简单，所以用汇编

24、语言能够 更直 观更便于理解。下面介绍一下汇编语言：汇编语言是面向机器的程序设计 语言。在 汇编语言中，用助记符代替操作码，用地址符号或标号代替地址码。这样用符号代 替机器语言的二进制码，就把机器语言变成了汇编语言。于是汇 编语言亦称为符号 语言。使用汇编语言编写的程序，机器不能直接识别，要由一种程序将汇编语言翻 译成机器语言，这种起翻译作用的程序叫汇编程序，汇编程序是系统软件中语言处 理系统软件。汇编程序把汇编语言翻译成机器语言 的过程称为汇编。第二节汇编语言概况汇编语言是一种功能很强的程序设计语言，也是利用计算机所有硬件特性并能 直接控制硬件的语言。汇编语言，作为一门语言，对应于高级语言的

25、编译器，需 要一个“汇编器”来把汇编语言原文件汇编成机器可执行的代码。高级 的汇编器如 MASM，TASM等等为我们写汇编程序提供了很多类似于高级语言的特征，比如结 构化、抽象等。在这样的环境中编写的汇编程序，有很大一部分是 面向汇编器的伪 指令，已经类同于高级语言。现在的汇编环境已经如此高级，即使全部用汇编语言 来编写windows的应用程序也是可行的，但这不是汇编语 言的长处。汇编语言的 长处在于编写高效且需要对机器硬件精确控制的程序。(1)汇编语言直接同计算机的底层软件甚至硬件进行交互，它具有如下一些优 点：1 .能够直接访问与硬件相关的存储器或I/O端口； 2.能够不受编译器的限 制，

26、对生成的二进制代码进行完全的控制；3.能够对关键代码进行更准确的控 制，避免因线程共同访问或者硬件设备共享引起的死锁；4.能够根据特定的应用 对代码做最佳的优化，提高运行速度；5.能够最大限度地发挥硬件的功能。(2)汇编语言是一种层次非常低的语言，它仅仅高于直接手工编写二进制的 机器指令码，因此不可避免地存在一些缺点：1.编写的代码非常难懂，不好 维 护；2.很容易产生bug，难于调试；3.只能针对特定的体系结构和处理器进行优 化；4.开发效率很低，时间长且单调。(3)汇编语言的特点：1 .面向机器的低级语言，通常是为特定的计算机或系 列计算机专门设计的。2.保持了机器语言的优点，具有直接和简

27、捷的特点。3. 可有效地访问、控制计算机的各种硬件设备，如磁盘、存储器、CPU、I/O端口 2等。4.目标代码简短，占用内存少，执行速度快，是高效的程序设计语言。 经常与高级语言配合使用，应用十分广泛。对于不同型号的计算机，有着不同 的结构的汇编语言。汇编语言由于采用了助记符号来编写程序，比用机器语言 的二进制代码编程要方便些，在一定程度上简化了编程过程。汇编语言的特点 是用符号代替了机器指令代码，而且助记符与指令代码一一对应，基本保留了 机器语言的灵活性。使用汇编语言能面向机器并较好地发挥机器的特性， 质量较高的程序。5.得到第三节源程序OEORGLJMPORGMAIN:CLRCLRLCAL

28、LSETBCLRLCALLSETBMOVMOVCLRCLRSUBBJNCSJMPBIT P3.1 0000HMAIN 0030HP2.0P2.2DELAY CLRSTST DELAY OEP1,#0FFH A,P1 OE CA,#67H ALERM MAIN报警值汇编源程序：ST BIT P3.0ALERM: SETB P2.2SETB P2.0MOV R4,#255DJNZ R4,$CLR P2.0MOV R5,#255DJNZ R5,$SJMP ALERM DELAY: MOV R2,#250 AA: MOV R3,#255DJNZ R3,$DJNZ R2,AARETEND1结束语在设计过

29、程中，经常会遇到这样那样的情况，就是心里老想着这样的接法可以 行得通，但实际接上电路，总是实现不了，因此耗费在这上面的时间用去很多.我趁 着做毕业设计的同时也对课本知识有了巩固和加强，由于课本上的知识太多，平时 课间的学习并不能很好的理解和运用各个元件的功能，而且考试内容有限，所以在 这次毕业设计过程中，我们了解了很多元件的功能，并且对 于其在电路中的使用有 了更多的认识。经过两个多月的设计里，过程曲折可谓一语难尽。在此期间我们 也失落过，也曾一度热情高涨。从开始时的满富激情 到后来汗水背后的复杂心情， 点点滴滴无不令我回味无长。通过这次毕业设计使我懂得了理论与实际相结合是 很重要的，只有理论

30、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，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。谢辞当我以学子的身份踏入大学校门的那天起，便已注定我将在这里度过人生中最 美丽的青春年华。提笔写下“致辞”，我才惊觉自己即将真正离开，人生亦从此展 开新的画卷。尽管不舍，却更珍惜，因为我的生命中有那么多可爱的 人值得感激。 他们使我的大学生活充满了色彩，无论收获、遗憾，对我

31、来说都是一笔宝贵的财富。 两年的大学生活不知不觉中就要结束了，在这段难忘的生活中，有我许多美好的回 忆。在这份大学的最后一页里，首先感谢学院给我们提供这个能自我展示的平台， 感谢我的指导教师程普、刘慧敏、张新岭老师，你们从一开始的论文方向的选定， 到最后的整篇文论的完成，都非常耐心的对我进行指导。给我提供了大量数据资料 和建议，告诉我应该注意的细节问题，细心的给我指出错误，修改论文。谢谢我辅 导员老师们，从大一到大二是你的悉心教导、孜孜不倦我们才能顺利的完成学业。 我要感谢在我二年的学习中无私传授我知识的各位老师，是你们将自己宝贵的财富 无私地奉献给了我们，让我们能在学业上有所成绩；是你们让我

32、倍感教师职业的伟 大，交给我们知识，又不忘教育我们如何做人！我会在你们的教诲下成功步入社会， 在社会中尽自己的所能来回报社会和国家对我们的培养。我会踏踏实实做人，勤 勤恳恳的工 作，在今后的路途中也许也会有坎坷和困难，但我已经不是入学之初的 我，经受磨练的勇气和克服苦难的决心已经在老师和父母的指导教育下成长起来了， 所以在未来的人生中我会努力前行，风雨无阻。再次感谢所有给予我支持和帮助 的老师、同学和朋友们。参考文献1 .肖洪兵跟我学用单片机北京航空航天大学出版社20022 .赵晓安单片机原理及应用天津大学出版社20013 .李广第单片机基础北京航空航天大学出版社19994 .徐惠民、安德宁单片微型计算机原理接口与应用北京邮电大学出版社19965 .夏继强单片机实验与实践教程北京航空航天大学出版社20016 .吴运昌模拟集成电路原理与应用华南理工大学出版社19957 .康华光电子技术基础高教出版社20088,王爽汇编语言