毕业设计说明书基于C8051F130的工厂实时检测系统设计

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1、2012届毕业生毕业设计说明书题 目: 基于C8051F130的工厂实时检测系统设计 院系名称： 电气工程学院 专业班级：自动化F0805 学生姓名： 学 号： 指导教师： 杨建军 教师职称： 高级实验师 2012年 05月 11日目 次1 概述31.1 课题研究的目的31. 2 课题研究的意义31. 3 课题设计任务42 课题方案设计42.1 课题设计路线43 方案的实现53.1 总体方案设计53.2 控制器电路设计53.3 数据采集单元设计53.4 单片机系统部分73.4.1 单片机C8051F130的介绍73.4.2 单片机外围电路介绍73.5 温度控制113.8 RA8835液晶控制芯

2、片113.8.1 RA8835介绍113.8.2 LCD驱动信号123.8.3 LCD显示原理及接口电路123.9 系统软件设计133.9.1 系统流程图144 结束语15结 论16致 谢17参 考 文 献18附录A：19附录B：201 概述1.1 课题研究的目的 目前，我们已经了解以及学习了许多相关科目知识，如单片机及其应用，传感器与检测电路，A/D转换电路，D/A转换电路，放大电路设计，以及微型计算机原理及接口技术等，已经具备对参数的数据采集、放大、数据通信，对单片机进行编程并修改命令，还熟悉单片机指令及微型计算机控制电路的应用设计等能力，并具备一定的实践创新能力。通过对微控制器，检测电路

3、，压力传感器电路、温度检测电路以及串行通信电路的整合，构成一个可靠性高、稳定性好的检测系统电路，使其能够实现对液位、温度、电流、电压、功率的有效检测，并且在LCD上显示出测得的数据。本设计是以C8051F130单片机为核心，通过对生产过程中的电流、电压、压力、温度的测量，获得的参数通过通信模块将数据传送到微处理器，最后经过微处理器对检测参数和设定参数的对比处理，实现对生产过程的实时检测和管理。1. 2 课题研究的意义单片机的用处非常广，只要生活在现代城市中，我们肯定离不开单片机。以前，我们的前辈要想开发一个简单的逻辑控制产品，他们需要用到很多的分离器件才能完成，这样不仅麻烦，而且可靠性不高，如

4、今只需要用到一枚几块钱的单片机就能轻松完成。单片机具有极高的智能性，我们只需要编写出不同的程序就能够完成不同的控制工作。在工业控制领域中单片机已成为普遍采用的智能化控制工具，其已经深深地渗入到我们的日常生活当中小到玩具、家电行业，大到车载、舰船、飞机、探测机器人等电子系统20，在计量测试、工业过程控制、机械电子、金融电子、商用电子、办公自动化、工业机器人、军事和航空航天等领域中都可见到单片机的身影。以单片机为核心，与其他设备组成的各种测量、监视、控制等系统在工业生产中扮演着不可或缺的角色，所以以单片机为核心的控制系统在工业领域里具有很高的研究价值和研究意义。本课题来源于工厂生产，现在工厂中的产

5、品大部分来源于人工劳作，我们国家目前就是劳动密集型国家。手工生产效率低下，对环境中的温度和湿度的控制上不够精准，不能达到生产的理想环境和预想效果，我们此次研究的目的就是为了实现对环境的自动检测和控制，以实现工厂自动化生产，促进社会的自动化进程。1. 3 课题设计任务 本课题是基于C8051F130的工业实时检测系统的设计。根据以上分析、导师的指导和本的人各方面条件，来完成通过各种变送器（传感器）将电压、电流、功率、水的液位和蒸气温度度等参数转换成统一的电流或电压信号经过A/D转换后变成数据量送入单片机处理。通过该系统对生产过程的管理，可以使生产过程达到完美的地步，无需人为的去做每一项检测工作，

6、而且处理起来也方便快捷。这里充分利用了单片机作为智能器件的作用，是生产管理智能化、简单化。2 课题方案设计2.1 课题设计路线 工厂的实时检测系统是可以检测生产过程中的各种参数，如电压、电流、液位、温度等，并且具有显示功能的仪器，可以通过系统设定值与采集的数据值的对比进行直接控制，在第一时间作出合理的调整。 本系统中是由测温电路对水的温度进行测量，然后把水的温度数值传送给微控制器，当水的温度达到一定数值后，控制器就会命令加热模块开始对水加热。起初，我们可以在设定的一段时间内，对水进行加热并使其达到设定好的温度值后，并使其稳定在该温度一段时间。测液位电路对水的液位进行实时测量，并传送给微控制器，

7、做到实时控制液位的变化。该系统通过两个通信模块实现数据传输，由上位机设定好温度参数后，通过通信模块传给远处的微控制器，微控制器按照上位机设定好的温度数值来控制加热模块对水进行加热，同时微控制器把蒸汽的温度和水位高度通过通信模块传给上位机软件。显示模块把系统的温度值、高度值等各项数据实时显示在液晶屏幕上。温度控制采用PID算法，建立一个比例-积分-微分的数学模型，控制TCA785移相触发器通过控制BAT-20对水进行加热。使用RS-485实现单片机与上位机的通信，在0到100范围内可随意设定温度值来控制水温。3 方案的实现3.1 总体方案设计基于C8051F130的工业实时检测系统主要由以下几部

8、分组成：C8051F130为核心的微处理器系统、测温模块、加热模块、液位模块、显示模块、通信模块以及上位机软件。系统构成原理如图3.1所示。A/D转换通信模块测温模块加热模块微处理器系统D/A转换A/D转换通信模块液位模块上位机显示模块图3.1系统构成原理图3.2 控制器电路设计 本设计中采用C8051F130作为控制器件。显示器选用点阵式液晶模块RA8835。时钟设计采用的是AT45DB081的时钟，在电路中我们采用P0口的P0.5、P0.6、P0.7分别作为时钟器件的串行时钟线、数据线、复位线16，将VCC连接到备份电源，这样就可以在掉电的情况下依旧可以保存时间信息，这种记录方式方便于对长

9、时间的连续测试系统结果的分析以及对查找异常数据出现的原因有着重要意义16。3.3 数据采集单元设计数据采集单元采集水的液位、温度以及系统的电流、电压和功率。 a. 液位的采集 采用WDK505压力传感器来采集水的液位信号。该传感器具有性能稳定、体积小、重量轻、性能价格比高等特点，可以在正负压力测量中得到广泛应用。传感器信号经电子放大器转换成0-10mA或4-20mA统一输出信号。该芯片完全内置于不锈钢外壳，具有密封坚固，可靠性好，精度高的特点。 b. 温度的采集 采用三个电阻和PT100一起构成测量电路，当PT100的电阻值和其中一个的电阻值不一致时，测量电路输出一个毫伏级的压差信号，经LM3

10、24运算放大后，接入微控制器16，同时进行A/D转换。PTl00传感器为热敏电阻传感器，与温度成正比关系。铂热电阻的线性关系较好，在0到100之间变化时，最大非线性偏差小于0.5。铂热电阻阻值与温度有以下关系： (3.1)式中，A=0.00390802;B=-0.000000580;C= - 0.000000041183其阻值表达式可近似简化为： （3.2） 当温度变化1时，铂电阻PTl00的阻值变化近似为0.39。PT100测温接口电路如图3.2所示。图3.2 PT100测温接口电路 c. 电流与电压的采集 在系统上串联上毫伏电流表、毫伏电压表，将数据送到微控制器，通过液晶显示器显示出采集到

11、的数值。 d. 功率的采集 功率与电流、电压的关系为： P=UI （3.3) 将采集的电流、电压数值送给微处理器，计算后得到的数值经过显示器显示出功率值。3.4 单片机系统部分3.4.1 单片机C8051F130的介绍 C8051F130是Cygnl公司推出的高性能高运算速度产品,其执行指令速度最快可达100MIPS,该单片机具有8448( 8 K+ 256) 字节片内RAM 和128 K 字节的FLASH存储器，拥有64个输入输出端口,可以完全满足本设计的控制需求。该单片机具有高速CIP-51微控制器内核，而且与51单片机完全兼容，与MCS-51指令集完全兼容。将C8051F130应用于工厂

12、实时检测系统，可加快处理速度，充分利用其片上的功能模块达到更好的控制效果，并可简化硬件电路，提高系统可靠性17。C8051F130原理图如图3.3。图3.3 C8051F130原理图3.4.2 单片机外围电路介绍 外围电路主要配合控制器完成实时检测系统参数测量，主要由存储电路、RS-485通信、USB通信、TCA785移相调压控制电路等组成 。 a. 数据存储电路的设计 需要测量水的温度、液位、系统功率等参数。选取AT45DB081作为大容量存储器，容量可达8MB，把系统在相当长一段时间内采集到的数据存储在其中。电路中将C8051F130的P0.2、P0.3和P0.4引脚通过交叉开关配置为SP

13、I的CLK、MOSI和MISO信号线，分别与AT45DB081的时钟、串行输出和串行输入管脚相连18。将P3.0、P3.1和P3.2分别与AT45DB081的片选、复位和忙闲管脚相连16。存储器接口电路如图3.4所示。图3.4 存储器接口电路 b. RS485通信电路设计 在测试电路中，控制系统发送执行命令，由相对应接收模块接收命令并执行该命令。RS-485通信距离可以有几十米到几千米远，而RS-232通信接口一般都在二十米以内有效，因此采用RS485来实现多机通信，RS485标准接口为差分驱动结构16，上位机与控制器的输出信号标准不一致，须完成信号的转换。而它则是通过传输线驱动器MAX485

14、把逻辑信号转化为电位差信号，进而完成信号的传递，这种通信方式提高了信号的抗共模干扰能力。 c. USB通信接口电路设计 系统中PDIUSBD12与C8051F130之间的连接采用地址数据总线复用的方式，ALE作为地址锁存信号，A0接高电平，C8051F130的地址总线和数据总线直接和PDIUSBD12的数据总线相连。USB接口电路如图3.5所示。图3.5 USB接口电路 在工厂检测系统所处的环境中，会有很多电线、仪器仪表等电气元件能发出电磁辐射，影响检测的有效性。由于PDIUSBD12本身的静电放电保护能力有限，为有效防止静电放电时损害后面的元器件，故本系统中在D-、D+和地线之间并联一个瞬变

15、电压抑制器。其SN75240接口电路如图3.6所示。当A，B或C，D两端瞬间有高能量冲击时，它能把两端的阻抗值以极高的速度由高阻态变为低阻态，保护后面的电器元件不因瞬态高压而损坏。图3.6 SN75240接口电路d. TCA785控制模块 TCA785模块采用移相触发来实现。触发器TCA785可使受控器件在0V到220V之间实现无级改变。可控硅的输出连续可调，那是由于在每个正或负的周期中都有保持通、断的部分，能应用到多种性质的负载。本系统为加热模块设置了控制开关，PC机可控制开关的闭合，用LED显示开关状态。图3.7为控制原理图。 图3.7 控制原理图3.5 温度控制PID是工业生产中最常用的

16、一种控制方式，PID适用于需要进行高精度测量控制的系统，可根据被控对象自动演算出最佳PID控制参数。PID的工作基理是：由于外界各种扰动量不断产生，不断影响着控制对象，为使被控制对象保持在恒定值范围，在很小的波动范围内变化，控制作用就一定不能停止。若扰动量使得被控制对象变化很大，那么检测模块就会将变化值采集后经传感器送至PID控制器的输入端，并与给定值对比由此得到一个偏差值，PID控制器依照此偏差值，以给定的参数控制规律发出控制命令，去改变调节器的变化，从而使被控对象值发生变化，并趋向于给定参数，从而达到控制目的。PID控制原理如图3.8所示。比例（P）设定+y(t)e(t)执行部件积分（I）

17、反馈微分（D）图3.8 PID控制原理PID控制规律可以描述为： （3.4）本设计利用的是位置式PID算法，将温度传感器采集到的数值信号作为当前输入，然后与给定值进作差得出一个偏差，再对偏差进行PID运算输出结果，最后控制时钟进而控制加热模块。温度调节系统中PID参考数据：T: P=2060%,T=180600s,D=3-180s3.8 RA8835液晶控制芯片3.8.1 RA8835介绍RA8835是RAiO Tech所生产的LCD控制芯片，文字及图形可以在屏幕上混合显示，RA8835能在LCD屏幕上显示出文字和图像，LCD能显示层状文字和图像，能展示出多方位多角度的文字和图像的混合效果，在

18、缓冲存储器上能存储文字、字符、图像数据。RA8835液晶屏控制芯片与EPSON的S1D13305芯片完全兼容，稳定度得到了加强，且有制程新、耗电低的优势，可大大降低成本。RA8835拥有强大的输入输出端口缓冲器，RA8835接口部分所属的引脚如表3.1所示。表3.1 RA8835引脚功能D0DBMCU数据总线，三个输入输出插口。将一个8位或16位微控制器总线练到这些数据线上CS低电平时RA8835能输入，通常连到RA8835系列内存的输出设备RD/E8080接口被选中，这个信号作为读闪光灯，RA8835输出缓冲区为可用；M6800接口被选中，这个信号充当时钟信号，时钟在高电平时，为数据读取或写

19、入WR8080接口被选中，此为写操作，M6800接口被选中，则为读/写控制信号。高电平时读数据，低电平时RA8835写入数据A08080接口时，为0时写数据和读状态标识；为1时，读数据和写指令操作RESRA8835重启时，低电平时可以输入，为增强稳定性，在供电压降低时确保不被触发SEL1、SEL2SEL1连接VDD或VSS防止噪音，若SEL1出现噪音，用最靠近的电容解耦到地面3.8.2 LCD驱动信号为给LCD矩阵提供有效的低电平驱动，RA8835可以直接控制X-和Y-驱动程序。引脚功能如下： XD0XD3：驱动程序数据输出； XSCL：门闩时钟； XECL：串联电路触发时钟； LP：门闩脉冲

20、；WF：交流传动输出； YSCL：YD门闩时钟； YD：Y脉冲数据输出； YDIS：省电模式信号输出。3.8.3 LCD显示原理及接口电路RA8835驱动LCD显示原理如图3.9所示。SRAMLCD驱动 LCD屏幕RA8835LCD驱动MCU图3.9 RA8835驱动LCD显示原理结构 图3.10为LCD接口电路。图3.10 LCD接口电路3.9 系统软件设计 进行软件设计的时候，要根据RA8835的内置寄存器来设计相应的驱动程序。RA8835的核心部分由振荡器、功能逻辑电路、显示RA管理电路、字符库管理电路和驱动时序的时序发生器等几部分组成19。RA8835能快速的对由MCU发来的指令代码进

21、行解析，并将对应数据存入相应的寄存器内，同时触发相应的逻辑功能电路。RA8825的显示RAM区是专用于文本方式显示的，其有64 KB空间。访问该区的每个数据都被解释为字符代码。RA8835可依据该字符代码确定字符所在位置，然后将相应的字模传送到显示模块，并在LCD上显示出该字符的8x8点阵块，即文本显示RAM区的一个字节对应液晶屏上的8x8点阵19。3.9.1 系统流程图 整个流程分为压力检测流程、温度检测流程、LCD显示流程分别对应图3.11、图3.12、图3.13。主控制器初始化完成数据清零，以及其他端口配置，刚开始一段时间先进行加热到设定值，并显示出数值；数据采集处理则是传感器开始执行实

22、时检测，并与设定值比较。一切数据显示均在LCD上实现。开始开始测温传感器初始化压力传感器初始化开始加热压力测量NN达到设定值 Y/N达到温度设定值 Y/NYY传送到控制器送到控制器 图3.11 压力检测流程 图3.12 温度检测流程图3.13 LCD显示流程4 结束语 工厂实时检测系统是工业上使用比较多的一种检测技术，本文就是针对工厂生产环境或者设备中一些敏感数据的检测所进行的探讨。由本设计还可以引申出对其他信号的采集与检测，做到监测与控制作用。由于传感器和其它器件本身并非理想线性，程序中对实测数据进行了线性补偿。另外，系统容易受到电磁干扰，用屏蔽电缆把传感器与控制器连接起来，减小信号受扰度。

23、结 论在准备设计的三个多月里，我查找了有关资料和相关数据，终于把系统设计的框架整理出来了，然后根据每一个框架结构进行解读分析，对每一份资料或者文献进行深入的学习和探索，了解了单片机的发展历程和和主要优点，尤其是单片机的作用。在本设计中采用的是C8051F130单片机，此单片机具有多数单片机的特性，其含CIP-51微控制器内核的特性让其在众多单片机系列中脱颖而出。对于工厂实时监测系统设计而言，功能特性或者电路在片内几乎内置的都有，所以省了不少外部电路设计。如今，实时监测系统设计论文终于完成， 在整个设计过程中，出现过很多的难题，比如硬件的选择，面对那么多具有同种功能却有许多不同型号的元件，选择就

24、成了其中一个难题，经过认真比较，花费了时间，终于选出我觉得合适的元件清单。还有就是原理图的设计，驱动原理和液晶显示原理以及利用C8051F130单片机完成整个监测及显示功能，让我意识到只是对单片机基础知识的学习是不够的，还需要切实的去做，去实践，这样才能真正做到理解，才会运用，做到预想的结果。总的来说，遇到的问题不少，但是都在指导老师和同学们的帮助下解决了，在不断的学习及实践中我体会到：做设计是一个不断学习、不断加深认识、不断得到提高的过程，从最初做开题报告时对实时监测系统的认识是比较模糊的，到最后对整个设计有了深刻的认识，我意识到实践对于学习的重要性。通过完成我的毕业设计，我体会到“书到用时

25、方恨少”的意境，只有具备了知识，才能比较轻松的完成课题，还有对待未解决的问题，要细细审查，了解了关键之处，处理起来就轻松多了。 致 谢大学四年的学习，我不但收获了知识，还收获了成熟。四年的读书生活，陪伴我渡过的是我的敬爱的老师和亲爱的同学们、朋友们。在我学习上遇到困难或者是生活上遇到无法自己解决的问题时都是靠老师和同学们的帮助才解决的，在此我要谢谢他们。在做毕业设计过程中，我都查过大量资料，还多次请教老师和同学，使我对自动化方面有了更深的认识，在专业方面有了更进一步的了解和学习。我在实践方面得到了长足的提升，对单片机应用方面有了更深的体会，尤其是动手能力得到的提高是最大的。在此，我要对给过我帮

26、助的所有指导老师和同学表示深深的感谢。课题的成功完成，少不了老师的不耐其烦的指导和同学热心的帮助，你们对我的帮助我铭记在心。 授人以鱼不如授人以渔，我不仅接受了新观念，还树立了宏伟的目标。从我接到任务通知书的那天起，杨老师就开始指导我早做准备，为的就是能有多点时间看资料，把课题顺利完成，现在设计的完成是与您的悉心指导分不开的。最后一次感谢我的指导老师，没有您的指导，我很难顺利完成任务。参 考 文 献1 曹巧媛主编. 单片机原理及应用(第二版)M. 电子工业出版社，20022 何力民编. 单片机高级教程M.北京：北京航空航天大学出版社，20003 金发庆等编. 传感器技术与应用M.北京：北京机械

27、工业出版社，20024 肖洪兵. 跟我学用单片机M. 北京航空航天大学出版社,2002.8 5 何立民. 单片机高级教程M. 第1版北京航空航天大学出版社,2001 6 赵晓安. MCS-51单片机原理及应用.M 天津大学出版社，2001，3 7 李广第单片机基础第1版M.北京： 北京航空航天大学出版社，19998 夏路易,石宗义. 电路原理图与电路设计教程Protel 99SEM.北京希望电子出版社，20029 XILINX COMPANYM. Field Programmable Array Gatas Data Book10 John F. WakerlyM DIGITAL DESIGN

28、11 何立民编著. MCS-51系列单片机应用系统设计系统配置与接口技术.M北京：北京航空航天大学出版社，199012 房小翠编著.单片机使用系统设计技术M.北京：北京航空航天大学出版社，199913 赵亮,侯国锐等编著.单片机C语言编程与实例M. 人民邮电出版社， 200214 李群芳,黄建等.单片微型计算机与接口技术M.北京：电子工业出版社， 200115 涂时亮.单片微机控制技术M.上海：复旦大学出版社，199416严旭东等.基于C8051F020的车辆散热系统参数测试电路研究J 电子设计工程 2009年11期 17苏锐等.基于C8051F130的动中通天线控制系统J现代电子技术 200

29、6年17期18王苏佳.动态力测量系统的研究J大连交通大学 2007 19邓亚平等.基于C8051F021和RA8835的液晶显示系统设计J电子元器件应用 2009年9期20：罗卫星等单片机原理及应用课程教学方法探讨J科技情报开发与经济 2008年5期附录A：系统总图：附录B：RA8835驱动显示程序：/RA8835写指令void RA8835_write_command(unsigned char commandcode) clr_CS1(); DDRC=0xff; /C口转为输出口 PORTC=commandcode; set_CD; set_RD; clr_WR(); set_WR();

30、set_CS1(); /RA8835写数据void RA8835_write_data(unsigned char data) clr_CS1(); DDRC=0xff; /C口转为输出口 PORTC=data; clr_CD; set_RD; clr_WR(); set_WR(); set_CS1(); void RA8835_clr() unsigned int i=32768; RA8835_write_command(0x4c); /光标右移 RA8835_write_command(0x46); /设置光标地址为00 RA8835_write_data(0x00); RA8835_w

31、rite_data(0x00); RA8835_write_command(0x42); /连续写数据命令 while(i-) RA8835_write_data(0x00); /液晶显示屏初始化子程序void LCDinit( void ) unsigned int i; clr_reset; /LCD复位 delay(2); set_reset; wait; delay(1); RA8835_write_command(0x40); /初始化指令= RA8835_write_data(0x30); /无边界,单屏,8X8点阵,内部字符发生器 RA8835_write_data(0x87);

32、 /固定交流驱动波形,字符间距最宽 RA8835_write_data(0x07); /字符高及行间距选择 RA8835_write_data(0x27); /一行显示39个字符 RA8835_write_data(0x42); /工作频率时间常数 RA8835_write_data(0xf0); /LCD行数240行RA8835_write_data(0x28); /LCD一行所占的显示缓冲区字节数低位RA8835_write_data(0x00); RA8835_write_command(0x44); /设定显示区RAM首地址和字节数=RA8835_write_data(0x00); /

33、首地址0 RA8835_write_data(0x00); RA8835_write_data(0xf0); /240行-第一显示区RA8835_write_data(0x00); RA8835_write_data(0x40); RA8835_write_data(0xf0); /240行-第二显示区RA8835_write_data(0x00); RA8835_write_data(0x00); RA8835_write_data(0x00); RA8835_write_data(0x00); RA8835_write_command(0x5a); /显示画面水平位移量RA8835_wri

34、te_data(0x00); RA8835_write_command(0x5b); /显示区属性及合成方式RA8835_write_data(0x0d); /两显示层异或逻辑,图形显示方式, 二重合成 delay(1); RA8835_clr(); /清屏程序 RA8835_write_command(0x59); /显示打开 RA8835_write_data(0x15); /关闪烁 /往屏幕指定位置刷点阵函数9用时要指明图形区首地址，点阵图在屏幕的行列位置(行用字节数表示）/点阵的行列尺寸（行用字节数表示），点阵数组的存储首地址。/字节and为图像控制，设0xff则显示原始图象，设0xa

35、a则图象变虚，此字节与图象数据相与后，再显示void bmpdis(unsigned int start,unsigned char wh,unsigned char wl,unsigned char bmph,unsigned char bmpl,const unsigned char *ico_p,unsigned char and) unsigned char bl,bh; unsigned int startbmp; startbmp=start + 40*wh+wl; for (bh=0;bh8);RA8835_write_command(0x42); /连续写数据命令 for (b

36、l=0;blbmpl;bl+) RA8835_write_data(*ico_p&and); ico_p+; startbmp+=40; /往屏幕指定位置刷点阵函数9点阵图在屏幕的行列位置(行用字节数表示）/点阵的行列尺寸（行用字节数表示），点阵数组的存储首地址。/反白显示，与第一屏相异或，以实现反白void fbxs(unsigned int start,unsigned char wh,unsigned char wl,unsigned char bmph,unsigned char bmpl,unsigned char and) unsigned char bl,bh; unsigned

37、 int startbmp; startbmp=start + 40*wh+wl; for (bh=0;bh8); RA8835_write_command(0x42); /连续写数据命令 for (bl=0;blbmpl;bl+) RA8835_write_data(0xff&and); startbmp+=40; 复制到51程序里需要根据你的系统改动， 里面有些函数，需要预先定义， delay()是延时函数。还有你用单片机那个口作为数据口，这都要修改。 clr_CD; /将320240的CD置低电平 set_RD; /将320240的RD置低电平 clr_WR(); / 将320240的WR置低电平 set_WR(); / 将320240的WR置高电平 set_CS1(); / 将320240的CS置高电平