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編寫者：楊顯潔日期：2023-12-15

中國地質(zhì)大學(xué)（北京）

目錄

1、摘要……………………21.1項目背景……………31.2項目的主要任務(wù)及內(nèi)容……………3

2、自行車的里程表總體方案設(shè)計………42.1任務(wù)分析與實(shí)現(xiàn)…………………42.2自行車的里程表硬件方案設(shè)計…………………42.3自行車的里程表軟件方案設(shè)計……………………5

3、自行車的里程表硬件電路設(shè)計………73.1概述…………………73.2傳感器及其測量系統(tǒng)………………73.3單片機(jī)的原理及應(yīng)用………………93.4顯示電路的設(shè)計……………………12

4、附錄……………………12

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1摘要

隨著居民生活水平的不斷提高，自行車不再僅僅是普通的運(yùn)輸、代步的工具，而是成為人們消遣、休閑、鍛煉的首選。自行車的速度里程表能夠滿足人們最基本的需求，讓人們能明白地知道當(dāng)前的里程等物理量。本文主要闡述一種基于霍爾元件的自行車的里程表的設(shè)計。以MSP430單片機(jī)為核心，OH1881霍爾傳感器測轉(zhuǎn)數(shù)，實(shí)現(xiàn)對自行車?yán)锍痰臏y量統(tǒng)計，將自行車的里程數(shù)用LCD實(shí)時顯示。文章詳細(xì)介紹了自行車的里程表的硬件電路和軟件設(shè)計。

硬件部分利用霍爾元件將自行車每轉(zhuǎn)一圈的脈沖數(shù)傳入單片機(jī)系統(tǒng)，然后單片機(jī)系統(tǒng)將信號經(jīng)過處理送顯示。軟件部分用C語言進(jìn)行編程，采用模塊化設(shè)計思想。該系統(tǒng)硬件電路簡單，子程序具有通用性，完全符合設(shè)計要求。

2自行車的里程表總體方案設(shè)計

2.1任務(wù)分析與實(shí)現(xiàn)

本設(shè)計的任務(wù)是：以MSP430單片機(jī)為處理核心，用傳感器將車輪的轉(zhuǎn)數(shù)轉(zhuǎn)換為電脈沖，進(jìn)行處理后送入單片機(jī)。里程的測量，是經(jīng)過計數(shù)器測出總的脈沖數(shù)，再經(jīng)過單片機(jī)的計算得出里程，其結(jié)果通過LCD液晶顯示屏顯示出來。

本系統(tǒng)總體思路如下：假定輪圈的周長為L，當(dāng)輪子每轉(zhuǎn)一圈，通過開關(guān)型霍爾元件傳感器采集到一個脈沖信號，并從引腳P2.5中斷0端輸入，傳感器每獲取一個脈沖信號即對系統(tǒng)提供一次計數(shù)。每次代表車輪轉(zhuǎn)動一圈，中斷數(shù)n輪圈的周長為L的乘積為里程值。

要求達(dá)到的各項指標(biāo)及實(shí)現(xiàn)方法如下：1.利用霍爾傳感器產(chǎn)生里程數(shù)的脈沖信號。2.對脈沖信號進(jìn)行計數(shù)。

實(shí)現(xiàn)：對霍爾傳感器脈沖信號進(jìn)行計數(shù)。

3.對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，要求用LCD液晶顯示屏顯示里程總數(shù)。實(shí)現(xiàn)：利用軟件編程，對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理得到需要的數(shù)值。最終實(shí)現(xiàn)目標(biāo)：自行車的里程表具有里程與顯示功能。

2.2自行車的速度里程表硬件方案設(shè)計

常用的測速元件有霍爾傳感器、光電傳感器和光電編碼器。里程測量傳感器的選擇也有以下幾種方案：使用光敏電阻對里程進(jìn)行測量、利用編碼器對車輪的圈數(shù)進(jìn)行測量、利用霍爾傳感器對里程進(jìn)行測量、利用干簧管型傳感器測量里程。

光敏電阻對光特別敏感，當(dāng)白天行駛時，外界光源將導(dǎo)致光敏電阻發(fā)出錯誤信號；光敏電阻對環(huán)境的要求相當(dāng)高，假使光敏或發(fā)光二極管被泥沙或灰塵所覆蓋，光敏電阻就不能再進(jìn)行確鑿測量；而編碼器必需安裝在車軸上，安裝較為繁雜；霍爾元件或干簧管不但不受天氣的影響，即使被泥沙或灰塵覆蓋也不會有影響，而且安裝便利。所以本設(shè)計采用霍爾元件對里程與速度進(jìn)行測量，既簡單易行，又經(jīng)濟(jì)適用。

使用霍爾傳感器獲得脈沖信號，其機(jī)械結(jié)構(gòu)也可以做得較為簡單，只要在轉(zhuǎn)軸的齒輪盤上粘上一粒磁鋼，霍爾元件固定在前叉上，當(dāng)車子轉(zhuǎn)動時霍爾元件靠近磁鋼，就有信號輸出，轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)時，就會不斷地產(chǎn)生脈沖信號輸出。假使在齒輪盤上粘上多粒磁鋼，可以實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)一周，獲得多個脈沖輸出。在粘磁鋼時要注意，霍爾傳感器對磁場方向敏感，粘之前可以先手動接近一下傳感器，假使沒有信號輸出，可以換一個方向再試。這種傳感器不怕灰塵、油污，在工業(yè)現(xiàn)場應(yīng)用廣泛。

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霍爾傳感器是對磁敏感的傳感元件，常用于信號采集的有OH1881，該傳感器是一個3端器件，外形與三極管相像，只要接上電源、地，即可工作，工作電壓范圍寬，使用十分便利。A44E的外形如圖2.1所示。

OH18811-Vcc2-GND3-OUT

圖2.1OH1881外形圖

單片機(jī)由于將CPU、內(nèi)存和一些必要的接口集成到一個芯片上，并且面向控制功能將結(jié)構(gòu)作了一定的優(yōu)化，所以它有一般芯片不具有的特點(diǎn)：

1.體積小、重量輕；2.電源單一、功耗低；3.功能強(qiáng)、價格低；

4.全部集成在一塊芯片上，布線短、合理；

5.數(shù)據(jù)大部分在單片機(jī)內(nèi)傳送，運(yùn)行速度快、抗干擾能力強(qiáng)、可靠性高。目前，單片機(jī)被廣泛的應(yīng)用于測控系統(tǒng)、工業(yè)自動化、智能儀表、集成智能傳感器、機(jī)電一體化產(chǎn)品、家用電器領(lǐng)域、辦公自動化領(lǐng)域、汽車電子與航空航天器電子系統(tǒng)以及單片機(jī)的多機(jī)系統(tǒng)等領(lǐng)域。在設(shè)計中選用的是MSP430單片機(jī)。

外部信號里程顯示里程顯示MSP430霍爾傳感器外部存儲器單片機(jī)里程顯示圖2.2系統(tǒng)的原理框圖

2.3自行車的里程表軟件方案設(shè)計

通過軟件控制單片機(jī)的功能是單片機(jī)的主要特點(diǎn)和優(yōu)點(diǎn)，程序的設(shè)計要考慮合理性和可讀性，遵循模塊化設(shè)計的原則，采用自頂向下的設(shè)計方法。模塊化設(shè)計使程序的可讀性好、修改及完善便利。

軟件設(shè)計包括主程序、行車過程中里程計算子程序、延時子程序、中斷服務(wù)子程序、顯示子程序等等。

中斷子程序是將傳感器產(chǎn)生的信號接入外部中斷，利用中斷對對里程進(jìn)行累加。

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數(shù)據(jù)處理子程序是將進(jìn)入單片機(jī)的脈沖信號與實(shí)際要顯示值之間有一定的對應(yīng)關(guān)系，經(jīng)過軟件編程顯示所需要的值。

顯示子程序是將數(shù)據(jù)處理的結(jié)果送顯示器顯示。系統(tǒng)軟件總體流程圖如圖2.3所示。

開始初始化NP2.5=1?計算里程不進(jìn)行累加顯示里程顯示里程

圖2.3軟件總體流程圖

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3自行車的里程表硬件電路設(shè)計

3.1概述

自行車的里程表的硬件電路設(shè)計是基礎(chǔ)部分，它包括信號的捕獲、放大、整形，單片機(jī)的計算處理，數(shù)碼管的實(shí)時顯示和單片機(jī)外圍基本電路的設(shè)計，兩大主要器件就是傳感器和單片機(jī)。

傳感器是獲取自然或生產(chǎn)領(lǐng)域中信息的關(guān)鍵器件，是現(xiàn)代信息系統(tǒng)和各種設(shè)備不可缺少的信息采集工具。磁傳感器是一種將磁學(xué)量信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘柕钠骷蜓b置。隨著信息產(chǎn)業(yè)、工業(yè)自動化、醫(yī)療儀器等的飛速發(fā)展和計算機(jī)應(yīng)用的普及，需要大量的傳感器將被測或被控的非電信號轉(zhuǎn)換成可與計算機(jī)兼容的電信號。作為輸入信號，這就給磁傳感器的快速發(fā)展提供了機(jī)遇，形成了磁傳感器的產(chǎn)業(yè)。其中最具代表的磁傳感器就是霍爾傳感器，在自動檢測系統(tǒng)中，利用霍爾傳感器測轉(zhuǎn)數(shù)是一種最基本的測量工作。

單片機(jī)是本次設(shè)計的核心部件，它是信號從采集到輸出的橋梁，而且包括計算、定時、信息處理等功能。

3.2傳感器及其測量系統(tǒng)

本次設(shè)計信號的捕獲采用的是霍爾傳感器。霍爾器件具有大量優(yōu)點(diǎn)，它們的結(jié)構(gòu)穩(wěn)固、體積小、重量輕、壽命長、安裝便利、功耗小、頻率高（可達(dá)1MHz）、耐震動、不怕灰塵、油污、水汽及煙霧等的污染或腐蝕?；魻柧€性器件的精度高、線性度好；霍爾開關(guān)器件無觸點(diǎn)、無磨損、輸出波形明了、無抖動、無回跳、位置重復(fù)精度高。取用各種補(bǔ)償和保護(hù)措施的霍爾器件工作溫度范圍寬，可達(dá)－55℃～150℃。依照霍爾器件的功能可將它們分為：霍爾線性器件和霍爾開關(guān)器件，前者輸出模擬量，后者輸出數(shù)字量。按被檢測對象的性質(zhì)可將它們的應(yīng)用分為：直接應(yīng)用和間接應(yīng)用。前者是直接檢測出受檢測對象本身的磁場或磁特性，后者是檢測受檢對象上人為設(shè)置的磁場，用這個磁場來作被檢測的信息的載體。通過它，將大量非電、非磁的物理量例如力、力矩、位置、位移、速度、加速度、角度、角速度、轉(zhuǎn)數(shù)、轉(zhuǎn)速以及工作狀態(tài)發(fā)生變化的時間等，轉(zhuǎn)變成電量來進(jìn)行檢測和控制。

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3.2.1霍爾傳感器的測量原理

霍爾傳感器是利用霍爾效應(yīng)制成的一種磁敏傳感器。在置于磁場中的導(dǎo)體或半導(dǎo)體通入電流I，若電流垂直磁場B，則在與磁場和電流都垂直的方向上會出現(xiàn)一個電勢差Uh，這種現(xiàn)象稱為霍爾效應(yīng)。利用霍爾效應(yīng)制成的元件稱為霍爾元件。由于它具有結(jié)構(gòu)簡單、頻率響應(yīng)寬、靈敏度高、測量線性范圍大、抗干擾能力強(qiáng)以及體積小、使用壽命長等一系列特點(diǎn)，因此被廣泛應(yīng)用于測量、自動控制及信息處理等領(lǐng)域?；魻栃?yīng)原理圖如圖3.1所示。

ZYXLBdIbUh圖3.1霍爾效應(yīng)原理圖

3.2.2集成開關(guān)型霍爾傳感器

OH1881集成霍爾開關(guān)由穩(wěn)壓器A、霍爾電勢發(fā)生器(即硅霍爾片)B、差分放大器C、施密特觸發(fā)器D和OC門輸出E五個基本部分組成，如圖3.2（a）所示。(1)、(2)、(3)代表集成霍爾開關(guān)的三個引出端點(diǎn)。在電源端加電壓Vcc，經(jīng)穩(wěn)壓器穩(wěn)壓后加在霍爾電勢發(fā)生器的兩端，根據(jù)霍爾效應(yīng)原理，當(dāng)霍爾片處在磁場中時，在垂直于磁場的方向通以電流，則與這二者相垂直的方向上將會產(chǎn)生霍爾電勢差VH輸出，該VH信號經(jīng)放大器放大后送至施密特觸發(fā)器整形，使其成為方波輸送到OC門輸出。當(dāng)施加的磁場達(dá)到工作點(diǎn)時，觸發(fā)器輸出高電壓(相對于地電位)，使三極管導(dǎo)通，此時OC門輸出端輸出低電壓，尋常稱這種狀態(tài)為開。當(dāng)施加的磁場達(dá)到釋放點(diǎn)時，觸發(fā)器輸出低電壓，三極管截止，使OC門輸出高電壓，這種狀態(tài)為關(guān)。這樣兩次電壓變換，使霍爾開關(guān)完成了一次開關(guān)動作。工作點(diǎn)與釋放點(diǎn)的差值一定，此差值稱為磁滯，在此差值內(nèi)，V0保持不變，因而使開關(guān)輸出穩(wěn)定可靠，這也就是集電成霍爾開關(guān)傳感器優(yōu)良特性之一。傳感器主要特性是它的輸出特性，即輸入磁感應(yīng)強(qiáng)度B與輸出電壓V0之間的關(guān)系。OH1881集成霍爾開關(guān)是單穩(wěn)態(tài)型，由測量數(shù)據(jù)作出的輸出特性曲線如圖3.2(b)所示。測量時，在1、2兩端加5V直流電壓,在輸出端3與1之間接一個1k?的負(fù)載電阻。

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(1)VCCVO/VABCDEGND(a)(2)OUT(3)1296305工作點(diǎn)(ON)(V)釋放點(diǎn)(OFF)101520B/mT(b)

圖3.2集成開關(guān)型霍爾傳感器

3.3單片機(jī)的原理及應(yīng)用

3.3.1單片機(jī)原理簡介

單片機(jī)是指集成在一個芯片上的微型計算機(jī)，也就是把組成微型計算機(jī)的各種功能部件，包括CPU(CentralProcessingUnit)、隨機(jī)存儲器RAM(RandomAccessMemory)、只讀存儲器ROM(Read-onlyMemory)、基本輸入/輸出(Input/Output)接口電路。定時器/計數(shù)器等部件都制作在一塊集成芯片上，構(gòu)成一個完整的微型計算機(jī)從而實(shí)現(xiàn)微型計算機(jī)的基本功能。單片機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖如圖3.4所示。

TINT定時/計數(shù)器中斷系統(tǒng)P0-P1并行I/OMSP430串口I/OTXD口口存儲器RXD1.中央處理器（CPU）

中央處理器是單片機(jī)最核心的部分，主要完成運(yùn)算和控制功能。2.內(nèi)部存儲器

內(nèi)部存儲器包括內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲器（內(nèi)部RAM）和內(nèi)部程序存儲器。存儲器是由大量的寄放器所組成，其中每一個寄放器就稱為一個存儲單元。

圖3.4單片機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖

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3.定時/計數(shù)器

單片機(jī)的定時器和計數(shù)器是同一結(jié)構(gòu)，只是計數(shù)器記錄的是單片機(jī)外部發(fā)生的事件，由單片機(jī)的外部電路提供計數(shù)信號；而定時器是由單片機(jī)內(nèi)部提供一個十分穩(wěn)定的計數(shù)信號。

4.中斷系統(tǒng)

中斷系統(tǒng)在計算機(jī)中起著十分重要的作用，是現(xiàn)代計算機(jī)系統(tǒng)中廣泛采用的一種實(shí)時控制技術(shù)，能對突發(fā)事件進(jìn)行及時處理，從而大大提高系統(tǒng)的實(shí)時性能。

5.串行I/O接口

串行I/O口的數(shù)據(jù)各位按順序傳輸，其特點(diǎn)是需要一對傳輸線，成本低；但速度慢，效率低，適合靜態(tài)顯示。

6.并行I/O接口

并行I/O接口的數(shù)據(jù)所有位同時傳送。其特點(diǎn)是傳輸速度快，效率高；但傳送多少位就需要多少根傳輸線，因此傳送成本高，適合動態(tài)顯示。

3.3.2單片機(jī)的引腳功能介紹

MSP430是片內(nèi)置16位中央處理器（CPU）和Flash存儲單元，功能強(qiáng)大，適合

于大量較為繁雜控制場合應(yīng)用。

RST：復(fù)位信號。當(dāng)輸入的復(fù)位信號延續(xù)兩個機(jī)器周期以上的高電平日即為有效，用以完成單片機(jī)的復(fù)位初始化操作。

XTALl和XTAL2：外接晶體引線端。當(dāng)使用芯片內(nèi)部時鐘時，此二引線端用于外接石英晶體和微調(diào)電容；當(dāng)使用外部時鐘時，用于接外部時鐘脈沖信號。

VSS：地線。VCC：+3.3V電源。

3.3.3單片機(jī)中斷系統(tǒng)介紹

中斷是指當(dāng)計算機(jī)執(zhí)行正常程序時，系統(tǒng)中出現(xiàn)某些急需處理的事件，CPU暫時中止當(dāng)前的程序，轉(zhuǎn)去執(zhí)行服務(wù)程序，以對發(fā)生的更緊迫的事件進(jìn)行處理，待處理終止后，CPU自動返回原來的程序執(zhí)行。由片內(nèi)特別功能寄放器中的中斷允許寄放器IE控制CPU是否響應(yīng)中斷請求。

中斷：中斷裝置和中斷處理程序統(tǒng)稱為中斷系統(tǒng)。中斷系統(tǒng)是計算機(jī)的重要組成部分。實(shí)時控制、故障自動處理、計算機(jī)與外圍設(shè)備間的數(shù)據(jù)傳送往往采用中斷系統(tǒng)。中斷系統(tǒng)的應(yīng)用大大提高了計算機(jī)效率。

中斷響應(yīng)和中斷返回：

當(dāng)CPU收到中斷請求后，能根據(jù)具體狀況決定是否響應(yīng)中斷，假使CPU沒有更急、

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更重要的工作，則在執(zhí)行完當(dāng)前指令后響應(yīng)這一中斷請求。CPU中斷響應(yīng)過程如下：首先，將斷點(diǎn)處的PC值（即下一條應(yīng)執(zhí)行指令的地址）推入堆棧保存下來，這稱為保護(hù)斷點(diǎn)，由硬件自動執(zhí)行。然后，將有關(guān)的寄放器內(nèi)容和標(biāo)志位狀態(tài)推入堆棧保存下來，這稱為保護(hù)現(xiàn)場，由用戶自己編程完成。保護(hù)斷點(diǎn)和現(xiàn)場后即可執(zhí)行中斷服務(wù)程序，執(zhí)行完畢，CPU由中斷服務(wù)程序返回主程序，中斷返回過程如下：首先恢復(fù)原保存寄放器的內(nèi)容和標(biāo)志位的狀態(tài)，這稱為恢復(fù)現(xiàn)場，由用戶編程完成。中斷優(yōu)先級尋常，系統(tǒng)中有多個中斷源，計算機(jī)給每個中斷源規(guī)定了優(yōu)先級別，稱為優(yōu)先權(quán)。當(dāng)有多個中斷源同時發(fā)出中斷請求時，但中斷系統(tǒng)只能按一定的次序來響應(yīng)和處理?？勺钕缺豁憫?yīng)的中斷具有最高優(yōu)先權(quán)，按優(yōu)先級別順序進(jìn)行處理。這樣，當(dāng)多個中斷源同時發(fā)出中斷請求時，優(yōu)先權(quán)高的中斷能先被響應(yīng)，只有優(yōu)先權(quán)高的中斷處理終止后才能響應(yīng)優(yōu)先權(quán)低的中斷。中斷嵌套當(dāng)CPU響應(yīng)某一中斷時，假使在中斷服務(wù)子程序中設(shè)置了GIE位，此時將發(fā)生中斷嵌套。當(dāng)中斷嵌套杯激活時，任何正在執(zhí)行中斷服務(wù)子程序的中斷將會被打斷，無論它的中斷優(yōu)先級如何。

中斷服務(wù)函數(shù)

MSP430C語言書寫規(guī)則:#pragmavector=****_VECTOR__interuptvoid函數(shù)名

(void){/*dosomething*/}

解釋：#pragmavector=這一句用來設(shè)置中斷向量****_VECTOR代表中斷向量值，

包含上表中斷向量項中的所有定義。__interupt關(guān)鍵字，用于修飾中斷服務(wù)函數(shù)，即，所有的中斷服務(wù)函數(shù)必需擁有這個關(guān)鍵字的修飾。問題：interrupt和__interrupt的區(qū)別。中斷服務(wù)函數(shù)返回類型必需是void，即沒有函數(shù)返回值，同時函數(shù)參數(shù)也必需是void，即沒有函數(shù)參數(shù)。注意：

同一中斷只能擁有一個中斷服務(wù)函數(shù)。

在中斷服務(wù)函數(shù)終止之前，要對中斷標(biāo)志進(jìn)行復(fù)位。

假使在中斷服務(wù)子程序中設(shè)置了GIE位，此時將發(fā)生中斷嵌套。詳見中斷嵌套。中斷的反應(yīng)時間為6個機(jī)器周期，中斷返回需要5個機(jī)器周期。中斷詳細(xì)規(guī)律見

TI文檔。

Px口中斷是8位共用一個中斷向量，所以中斷服務(wù)函數(shù)需要主動查詢具體哪個端

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3.4顯示電路的設(shè)計

在正常狀況下，通過液晶顯示當(dāng)前路程值。其硬件和連線顯示圖如下圖：

附錄：

#include//引用頭文件#defineucharunsignedchar#defineuintunsignedint#include#include

//ucharString1[]={\

longintcount=0;

longintmillisecond;longintsecond;longintminute;longinthour;

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#pragmavector=PORT2_VECTOR__interruptvoidPORT2(void){

P2IFGcount++;

millisecond=countP;if(millisecond>50)millisecond=0;

second=(count/50)`;if(second>59)second=0;

minute=(count/3000)`;if(minute>59)

minute=0;

hour=(count/180000)$;if(hour>23)hour=0;}

voiddelay(volatilelongunsignedinttime){

while(time--);//延時子程序}

voidWriteCommandLcd(unsignedcharwdata)//向1602液晶寫入命令子程序；{

P2OUT//RS清零，代表命令；P2OUT//RW清零；P2OUT//使能E清零；

delay(100);//短暫延時，代替檢測忙狀態(tài)P2OUT|=0x04;//使能E置1；P1OUT=wdata;//送出命令或數(shù)據(jù)

delay(100);//短暫延時，代替檢測忙狀態(tài)

P2OUT//使能E清零，下降沿將命令或數(shù)據(jù)送入1602；

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}

voidWriteDataLcd(unsignedcharwdata)//向1602液晶寫入數(shù)據(jù)子程序；{

P2OUT|=0x01;//RS置1，代表數(shù)據(jù)；P2OUT//RW清零；P2OUT//使能E清零；

delay(100);//短暫延時，代替檢測忙狀態(tài)P2OUT|=0x04;//使能E置1；P1OUT=wdata;//送出命令或數(shù)據(jù)