基于51單片機的搶答器設計

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1、畢業(yè)論文畢業(yè)論文 基于 51 單片機的搶答器設計 學生: 院系: 機電工程學院 班級:電氣自動化 學號: 指導教師: 裝訂交卷日期: 1 摘 要 搶答器作為一種工具，已廣泛應用于各種智力和知識競賽場合。但搶答 器的使用頻率較低，且有的要么制作復雜，要么可靠性低。作為一個單位，如果專門購 一臺搶答器雖然在經(jīng)濟上可以承受，但每年使用的次數(shù)極少，往往因長期存放使（電子 器件的）搶答器損壞，再購置的麻煩和及時性就會影響活動的開展，因此設計了本搶答 器。 本設計是以八路搶答為基本理念?？紤]到依需設定限時回答的功能，利用 AT89C51 單片機及外圍接口實現(xiàn)的搶答系統(tǒng)，利用單片機的定時器/計數(shù)器定時和記數(shù)

2、的原理， 將軟、硬件有機地結合起來，使得系統(tǒng)能夠正確地進行計時，同時使數(shù)碼管能夠正確地 顯示時間。用開關做鍵盤輸出，揚聲器發(fā)生提示。同時系統(tǒng)能夠實現(xiàn)：在搶答中，只有 開始后搶答才有效，如果在開始搶答前搶答為無效；搶答限定時間和回答問題的時間可 在 1-99s 設定；可以顯示是哪位選手有效搶答和無效搶答，正確按鍵后有音樂提示；搶 答時間和回答問題時間倒記時顯示，滿時后系統(tǒng)計時自動復位及主控強制復位；按鍵鎖 定，在有效狀態(tài)下，按鍵無效非法。 關鍵詞：AT89C51 LED 數(shù)碼管 搶答器 計時器 2 目 錄 1緒 論 1 1.1 課題研究的相關背景和選題的目的 1 1.2 課題研究的內(nèi)容 1 1.

3、3 搶答器目前存在的主要問題 1 2搶答器的系統(tǒng)概述 .2 2.1 系統(tǒng)的主要功能 2 2.2 搶答器的工作流程 3 2.3 搶答器的工作過程 4 3系統(tǒng)總體方案的設計 .5 3.1 硬件電路的設計 5 3.2 總體原理圖 6 3.3 顯示電路的設計 6 3.4 發(fā)聲電路 8 4軟件設計 .9 4.1 主程序系統(tǒng)結構圖 9 4.2 程序流程圖 9 4.3 主要程序分析 .10 5總結 15 參 考 文 獻.16 1 1 緒緒 論論 1.1課題的相關背景課題的相關背景和選題的目的和選題的目的 搶答器是一種應用非常廣泛的設備，在各種競賽、搶答場合中，它能迅速、客觀地 分辨出最先獲得發(fā)言權的選手。早

4、期的搶答器只由幾個三極管、可控硅、發(fā)光管等組成， 能通過發(fā)光管的指示辯認出選手號碼?，F(xiàn)在大多數(shù)搶答器均使用單片機(如MCS-51型) 和數(shù)字集成電路，并增加了許多新功能，如選手號碼顯示、搶按前或搶按后的計時、選 手得分顯示等功能。 通過這次設計，掌握 51 單片機的原理，了解簡單多功能搶答器組成原理，初步掌 握多功能搶答器的調整及測試方法，提高動手能力和排除故障的能力。同時通過本課題 設計與裝配、調試，提高自己的動手能力，鞏固已學的理論知識，建立單片機理論和實 踐的結合，了解多功能搶答器各單元電路之間的關系及相互影響，從而能正確設計、計 算定時計數(shù)的各個單元電路。 1.2 課題研究的內(nèi)容課題研

5、究的內(nèi)容 本系統(tǒng)采用模塊化設計智能搶答器，在搶答比賽中廣泛應用，各組分別有一個搶答 按鈕。主持人有開始和結束、復位鍵。在后臺主持人可以修改，搶答時間和選手回答問 題的時間設置，原始狀態(tài)下?lián)尨饡r間為 20s，回答問題時間為 30s。通過加鍵和減鍵修 改上述時間，改完后結束鍵確定。新時間開始有效，主持人按鍵開始后，選手開始搶答 為有效，數(shù)碼顯示屏顯示搶答時間倒計時和選手號，在最后五秒揚聲器發(fā)生提示。如果 主持人沒有按下開始鍵而選手就搶答視為犯規(guī)，數(shù)碼顯示屏顯示犯規(guī)者的代號，揚聲器 持續(xù)發(fā)生。主持人可按鍵結束，新一輪搶答開始。 通過研究并在設計驗證后發(fā)現(xiàn)，采用單片機技術設計的搶答器與目前常用的搶答器

6、 相比，首先，電路連接簡單，大多數(shù)功能單元都通過程序設計在單片機內(nèi)部，第二，工 作性能可靠，抗干擾能力優(yōu)于目前搶答器。所以本研究是一個實用的工程設計，具有創(chuàng) 新性。 1.3 搶答器目前存在的主要問題搶答器目前存在的主要問題 隨著改革開放事業(yè)的不斷深入，促使人們學科學、學技術、學知識的手段多種多樣， 搶答器作為一種工具，已廣泛應用于各種智力和知識競賽場合。但是目前多數(shù)搶答器存 在 3 個不足之處：第一，現(xiàn)場線路連接復雜。因為每個選手位于搶答現(xiàn)場的不同位置， 每個選手與控制臺之間要有長長的連接線。選手越多，連接線就越多、越亂，這些連接 2 線不僅影響了現(xiàn)場的美觀，而且降低了搶答器的可靠性，增加了安

7、裝的難度，甚至影響 了現(xiàn)場人員的走動。第二，電路復雜。因為單片機只完成號碼處理、計時、數(shù)據(jù)運算等 功能，其它功能如選手號碼的識別、譯碼、計分顯示等仍只能通過數(shù)字集成電路完成。 采用單片機掃描技術識別選手搶按號碼時，電路的延遲時間較大。第三，選手搶按成功， 但出現(xiàn)沒有搶答被記錄的問題。 2 搶答器的系統(tǒng)概述搶答器的系統(tǒng)概述 2.1系統(tǒng)的主要功能系統(tǒng)的主要功能 本系統(tǒng)是借用單片機采用模塊化設計的八路搶答器，包括 8 路搶答按紐、計時顯示、 提示功能等、開始與結束控制按鈕、時限設定、各種相關顯示調控功能等，除享有搶答 按紐的權利功能外，還有人性化的提示功能和時間提示功能，主控系統(tǒng)的控制按鈕做開 始與

8、結束控制，根據(jù)活動參賽者的層次，對提前掄答者的行為設定為非法或阻隔，若設 有非法搶答控制功能時，在主控處帶有公示性顯示的非法掄答者的臺位號，對搶答限時 及回答問題限時設為倒計時，并有顯示提示。 系統(tǒng)的主要功能模塊方框圖如圖 1 所示。 AT89C51 單片機 4 位 七段 數(shù)碼 管顯 示 聲音電路 = 8 路搶答 按鍵輸入 復位電路 開始、結束 按鍵輸入 加一、減一 按鍵輸入 時鐘 圖 1 系統(tǒng)主要功能模塊 本系統(tǒng)采用模塊化設計的八路搶答器，在搶答比賽中廣泛應用，各組分別有一個搶 答按鈕。一共有 8 個按鍵輸入，分別對應 8 路選手的搶答按鍵。 3 主持人有開始和結束鍵。在后臺主持人可以修改，

9、搶答時間和選手回答問題的時間 設置，原始狀態(tài)下?lián)尨饡r間為 20s，回答問題時間為 30s。通過加鍵和減鍵修改上述時 間，改完后結束鍵確定。新時間開始有效，主持人按鍵開始后，選手開始搶答為有效， 數(shù)碼顯示屏顯示搶答時間倒計時和選手號，在最后五秒揚聲器發(fā)生提示。如果主持人沒 有按下開始鍵而選手就搶答視為犯規(guī)，數(shù)碼顯示屏顯示犯規(guī)者的代號，揚聲器持續(xù)發(fā)生。 主持人可按鍵結束，新一輪搶答開始。 單片機是整個搶答器的核心，內(nèi)部電路設計用匯編語言編寫。它完成了時間參數(shù)的 設定，搶按號碼的譯碼，保存；顯示；輸出，搶按及答題倒計時功能等。 2.2 搶答器的工作流程搶答器的工作流程 搶答器的基本工作原理：在搶答競

10、賽或呼叫時，有多個信號同時或不同時送入主電 路中，搶答器內(nèi)部的寄存器工作，并識別、記錄第一個號碼，同時內(nèi)部的定時器開始工 作，記錄有關時間并產(chǎn)生超時信號。在整個搶答器工作過程中，顯示電路、聲音電路等 還要根據(jù)現(xiàn)場的實際情況向外電路輸出相應信號。搶答器的工作流程分為：系統(tǒng)復位、 正常流程、違例流程等幾部分，如圖2所示，下面分別予以介紹。 4 加載程序 運 行 行 開始 開始數(shù)碼管顯 示 FFF 開始搶 按時間倒計時 開始前有選手搶按 顯示違例選手號 碼并伴有語音報 警 倒計時結 束，超時 有選手 搶按 顯示 FFF顯示選手號碼，倒計 時時間,語音報警，答 題,答題時間倒計時 正常流程違規(guī)流程 若

11、超過答題 時間，則數(shù) 碼管顯示 FFF 答題完畢 根據(jù)選手表現(xiàn)， 規(guī) 則由主持人減分 圖2 搶答器工作流程 2.3 搶答器的工作過程搶答器的工作過程 1、如果想調節(jié)搶答時間或答題時間，按“加一”鍵或“減一”鍵進入調節(jié)狀態(tài)， 此時會顯示現(xiàn)在設定的搶答時間或回答時間值，如想加一秒按一下“加 1s“鍵，如果想減 一秒按一下“減 1s”鍵，時間 LED 上會顯示改變后的時間，調整范圍為 099s， 0s 時 再減 1s 會跳到 99，99s 時再加 1s 會變到 0s。 5 2、主持人按“搶答開始“鍵，會有提示音，并立刻進入搶答倒計時（預設 20s 搶答時 間） ，如有選手搶答，會有提示音，并會顯示其

12、號數(shù)并立刻進入回答倒計時（預設 30s 搶答時間） ，不進行搶答查詢，所以只有第一個按搶答的選手有效。倒數(shù)時間到小于 5s 會每秒響一下提示音。 3、如倒計時期間，主持人想停止倒計時可以隨時按“停止”按鍵，系統(tǒng)會自動進 入準備狀態(tài)，等待主持人按“搶答開始”進入下次搶答計時。 4、如果主持人未按“搶答開始”鍵，而有人按了搶答按鍵，犯規(guī)搶答，LED 上不 斷閃爍 FF 和犯規(guī)號數(shù)并響個不停，直到按下“停止” 鍵為止。 3 系統(tǒng)總體方案的設計系統(tǒng)總體方案的設計 3.1 硬件電路的設計硬件電路的設計 本設計分為硬件設計和軟件設計，這兩者相互結合，不可分離，為使硬件電路設計 盡可能合理，應注意以下幾方面

13、： (1) 盡可能采用功能強的芯片，以簡化電路，功能強的芯片可以代替若干普通芯片， 隨著生產(chǎn)工藝的提高，新型芯片的的價格不斷下降，并不一定比若干普通芯片價格的總 和高。 (2) 留有設計余地。在設計硬件電路時，要考慮到將來修改擴展的方便。因為很少 有一錘定音的電路設計，如果現(xiàn)在不留余地，將來可能要為一點小小的修改或擴展而被 迫進行全面返工。 (3) 程序空間，選用片內(nèi)程序空間足夠大的單片機，本設計采用 AT89C51 單片機。 (4) RAM 空間，AT89C51 內(nèi)部 RAM 不多，當要增強軟件數(shù)據(jù)處理功能時，往往 覺得不足。如果系統(tǒng)配置了外部 RAM，則建議多留一些空間。如選用 8155

14、作 I/O 接口， 就可以增強 256 字節(jié) RAM。如果有大批數(shù)據(jù)需要處理，則應配置足夠的 RAM，如 6264，62256 等。隨著軟件設計水平的提高，往往只要改變或增加軟件中的數(shù)據(jù)處理算 法，就可以使系統(tǒng)功能提高很多，而系統(tǒng)的硬件不必做任何更換就使系統(tǒng)升級換代。只 要在硬件電路設計初期考慮到這一點，就應該為系統(tǒng)將來升級留足夠的 RAM 空間，哪 怕多設計一個 RAM 的插座，暫不插芯片也好。 (5) I/O 端口：在樣機研制出來后進行現(xiàn)場試用時，往往會發(fā)現(xiàn)一些被忽視的問題， 而這些問題不是靠單純的軟件措施來解決的。如有些新的信號需要采集，就必須增加輸 入檢測端；有些物理量需要控制，就必須

15、增加輸出端。如果在硬件電路設計就預留出一 些 I/O 端口，雖然當時空著沒用，那么用的時候就派上用場了。 6 3.2 總體原理圖總體原理圖 圖 3 系統(tǒng)原理圖 圖中 U1 為單片機 AT89C51，U2 為芯片 74HC30，U3 為芯片 74LS04。K1K8 分 別為 8 路搶答按鍵，分別接到單片機的 P1.0P1.7 中。開始按鍵與結束按鍵分別接到單 片機的 10、11 腳，由于單片機的 10、11 腳既有串行接口 RXD、TXD 功能，又有 P3.0、P3.1 的 IO 端口功能，此處按鍵用到單片機 10、11 腳的 IO 端口功能。搶答時間 調整按鍵和回答時間調整按鍵分別接到單片機的

16、 13、14 管腳，加一按鍵和減一按鍵分 別接到單片機的 15、16 管腳。4 位七段數(shù)碼管段選 P0 口。4 位七段數(shù)碼管的位選接 P2 口低 3 位，蜂鳴器輸出為 P3.7 口。 3.3 顯示電路的設計顯示電路的設計 顯示功能與硬件關系極大，當硬件固定后，如何在不引起操作者誤解的前提下提供 盡可能豐富的信息，全靠軟件來解決。 在這里我們使用的是七段數(shù)碼管顯示，通常在顯示上我們采用的方法一般包括兩種： 一種是靜態(tài)顯示，一種是動態(tài)顯示。動態(tài)顯示相對靜態(tài)顯示而言占用端口資源少。在本 7 設計中根據(jù)實際情況采用的是動態(tài)顯示的方法。 通過查表法，將其在數(shù)碼管上顯示出來，其中 P0 口為字型碼輸入端，

17、P2 口低 3 位 為字選段輸入端。在這里我們通過查表將字型碼送給 7 段數(shù)碼管顯示的數(shù)字，數(shù)碼管顯 示原理如下： MOV A,R3 MOVC A,A+DPTR MOV P2,#0feH MOV P0,A ACALL DELAY MOV DPTR,#DAT2 MOV A,R5 MOVC A,A+DPTR MOV P2,#0fdH MOV P0,A ACALL DELAY MOV A,R4 MOVC A,A+DPTR MOV P2,#0fbH MOV P0,A ACALL DELAY RET 4 位七段數(shù)碼管顯示電路如圖 4 所示。 8 圖 4 共陰極數(shù)碼管 圖 4 中數(shù)碼管采用的是 4 位七段

18、共陰數(shù)碼管，其中 AH 段分別接到單片機的 P0 口， 由單片機輸出的 P0 口數(shù)據(jù)來決定段碼值，位選碼 COM1、COM3、COM4 分別接到單 片機的 P2.0、P2.1、P2.2，由單片機來決定當前該顯示的是哪一位。在圖中還有八個 1K 的電阻，連接在 P0 口上，用作 P0 口的上拉電阻，保證 P0 口沒有數(shù)據(jù)輸出時候處于高 電平狀態(tài)。 3.4 發(fā)聲發(fā)聲電路電路 本文設計如圖 5 所示。圖中單片機的 14 腳輸出具有復合功能，此處用到了單片機 17 腳的 IO 端口功能，單片機通過內(nèi)部定時器的操作實現(xiàn)交替變換的波形輸出驅動揚聲 器發(fā)聲。 圖 5 發(fā)聲電路 9 4 軟件設計軟件設計 4.

19、1 主程序系統(tǒng)結構圖主程序系統(tǒng)結構圖 系統(tǒng)初始化模塊 按鍵模塊 非 法 搶 答 模 塊 正 確 搶 答 模 塊 調 整 搶 答 時 間 模 塊 調 整 回 答 時 間 模 塊 數(shù)碼顯示模塊 圖 6 軟件系統(tǒng)結構圖 4.2 程序流程圖程序流程圖 在本設計中包括了以下主要的程序：主程序，查詢程序，非法搶答程序，搶答時間 調整程序，回答時間調整程序，倒計時程序，正常搶答處理程序，犯規(guī)處理程序，顯示 及發(fā)聲程序。主流程圖如 7 所示： 10 顯示 FFF 開始鍵 加一鍵 減一鍵 回答 時間 調整搶 答時間 搶 按 非法搶 答處理 顯示 犯規(guī) 正常 搶答 顯示搶答 號并倒計時 Y Y Y 初始化 圖 7

20、 程序設計流程圖 4.3 主要程序分析主要程序分析 主程序： OK EQU 20H ;搶答開始標志位 RING EQU 22H ;響鈴標志位 DATA0 EQU 36H ;搶答按鍵口數(shù)據(jù)存放地址 ORG 0000H AJMP MAIN ORG 0003H AJMP INTT0 11 ORG 000BH AJMP T0INT ORG 001BH AJMP T1INT ORG 0040H MAIN: MOV R1,#20 ;初設搶答時間為 20s MOV R2,#30 ;初設答題時間為 30s mov 38h,#60 ;啟用錦囊時間從 60s 倒計時 MOV TMOD,#11H ;設置未定時器/模

21、式 1 MOV TH0,#0F0H MOV TL0,#0FFH ;越高發(fā)聲頻率越高,越尖 MOV TH1,#3CH MOV TL1,#0B0H ;50ms 為一次溢出中斷 SETB EA SETB ET0 SETB ET1 ;允許二個中斷,T0/T1 CLR OK CLR RING SETB TR1 SETB TR0 ;一開始就運行定時器,以開始顯示 FFF.如果 想重新計數(shù),重置 TH1/TL1 就可以了 非法搶答處理程序： FALSE1: MOV R3,#01H AJMP ERROR FALSE2: MOV R3,#02H AJMP ERROR FALSE3: MOV R3,#03H AJ

22、MP ERROR FALSE4: MOV R3,#04H 12 AJMP ERROR FALSE5: MOV R3,#05H AJMP ERROR FALSE6: MOV R3,#06H AJMP ERROR FALSE7: MOV R3,#07H AJMP ERROR FALSE8: MOV R3,#08H AJMP ERROR 正常搶答處理程序： TRUE1: ACALL BARK MOV A,R2 MOV R6,A ;搶答時間 R2 送 R6 MOV R3,#01H CLR OK ;因為答題的計時不再查詢搶答，所以就鎖了搶答 AJMP COUNT TRUE2:ACALL BARK MOV

23、 A,R2 MOV R6,A MOV R3,#02H CLR OK AJMP COUNT TRUE3:ACALL BARK MOV A,R2 MOV R6,A MOV R3,#03H CLR OK AJMP COUNT TRUE4:ACALL BARK 13 MOV A,R2 MOV R6,A MOV R3,#04H CLR OK AJMP COUNT TRUE5: ACALL BARK MOV A,R2 MOV R6,A MOV R3,#05H CLR OK AJMP COUNT TRUE6: ACALL BARK MOV A,R2 MOV R6,A MOV R3,#06H CLR OK A

24、JMP COUNT TRUE7: ACALL BARK MOV A,R2 MOV R6,A MOV R3,#07H CLR OK AJMP COUNT TRUE8: ACALL BARK MOV A,R2 MOV R6,A MOV R3,#08H CLR OK AJMP COUNT 14 犯規(guī)搶答程序： ERROR: MOV R0,#00H MOV TH1,#3CH MOV TL1,#0B0H MOV 34H,R3 ;犯規(guī)號數(shù)暫存與(34H) HERE: MOV A,R0 CJNE A,#06H,FLASH ;0.3s 向下運行-滅并停響 CLR RING MOV R3,#0AH MOV R4

25、,#0AH MOV R5,#0AH ;三燈全滅 AJMP CHECK1 FLASH: CJNE A,#0CH,CHECK1 ;下面是 0.8s 的情況，響并顯示號數(shù)并清 R0，重新計 SETB RING MOV R0,#00H MOV R3,34H ;取回號數(shù) MOV R5,#0BH MOV R4,#0BH ;顯示 FF 和號數(shù) AJMP CHECK1 CHECK1: JNB P3.1,QUIT1 ACALL DISPLAY AJMP HERE QUIT1: CLR RING CLR OK AJMP START 發(fā)聲程序： BARK: SETB RING ACALL DELAY1 15 ACA

26、LL DELAY1 CLR RING ;按鍵發(fā)聲 RET TO 溢出中斷(響鈴程序) ： T0INT: MOV TH0,#0ECH MOV TL0,#0FFH JNB RING,OUT; CPL P3.7 ;RING 標志位為 1 時候 P3.7 口不斷取反使喇叭 發(fā)出一定頻率的聲音 OUT: RETI T1 溢出中斷(計時程序)： T1INT: MOV TH1,#3CH MOV TL1,#0B0H INC R0 RETI 5 總結總結 本文研究與設計的八路多功能搶答器采用了通用的電子元器件，利用AT89C51單片 機及外圍接口實現(xiàn)搶答系統(tǒng)，利用單片機的定時器/計數(shù)器定時和記數(shù)的原理，將軟、

27、硬件有機地結合起來。理論聯(lián)系實踐，體現(xiàn)出大學生動手能力。通過查資料和搜集有關 的文獻，培養(yǎng)了自學能力和動手能力。并且由原先的被動的接受知識轉換為主動的尋求 知識，這可以說是學習方法上的一個很大的突破。在以往的傳統(tǒng)的學習模式下，我們可 能會記住很多的書本知識，但是通過畢業(yè)論文，我們學會了如何將學到的知識轉化為自 己的東西，學會了怎么更好的處理知識和實踐相結合的問題。把握重點、攻克難關，學 到用到、活學活用。在設計過程中由于時間倉促有很多地方難免存在不足之處，硬件設 計已經(jīng)完成，在軟件設計中有些功能還尚未開發(fā)出來。但在以后的工作中，我們會嚴格 要求自己，追求完美。 16 在這次設計中遇到了很多實際

28、性的問題，在實際設計中才發(fā)現(xiàn)，書本上理論性的東 西與在實際運用中的還是有一定的出入的，對于單片機設計，其硬件電路是比較簡單的， 主要是解決程序設計中的問題。而程序設計是一個很靈活的東西，它反映了你解決問題 的邏輯思維和創(chuàng)新能力。它才是一個設計的靈魂所在。因此在整個設計過程中大部分時 間是用在程序上面的。很多子程序是可以借鑒書本上的，但怎樣銜接各個子程序才是關 鍵的問題所在，這需要對單片機的結構很熟悉。因此可以說單片機的設計是軟件和硬件 的結合，二者是密不可分的。 但是，通過這次設計我也發(fā)現(xiàn)自己的很多不足之處。在設計過程中我發(fā)現(xiàn)自己考慮 問題很不全面，自己的專業(yè)知識掌握的很不牢固，所掌握的計算機

29、應用軟件還不夠多， 我希望自己的這些不足之處能在今后的工作和學習中得到改善。而且，通過這次設計， 我懂得了學習的重要性，學會了堅持和努力，這將為以后的學習做出了最好的榜樣！ 參參 考考 文文 獻獻 1 程相波,衛(wèi)安軍.基于 MCS-51 單片機的八路搶答器設計方法研究J.北京工業(yè)職業(yè) 技術學院學報,2007,(2). 2林凌,李剛,丁茹,李小霞.新型單片機接口器件與技術M.西安:西安電子科技大學出 版社,2005 年. 3李增生.對搶答器的改進J.電子制作,2000,(12). 4馬軻瀛.八路數(shù)字搶答器系統(tǒng)J.華商，2007,(23). 5高偉.AT89 單片機原理及應用M.北京:國防工業(yè)出版社，2008 年. 6蔡朝陽.單片機控制實習與專題制作M.北京:北京航空航天大學出版社,2006 年. 7楊凌霄.微型計算機原理及應用M.江蘇:中國礦業(yè)大學出版社,2004 年. 8丁建偉.搶答器電路設計J.蘭州工業(yè)高等?？茖W校學報,2008,(04). 9 胡學海.單片機原理及應用系統(tǒng)設計M.北京:北京電子工業(yè)出版社，2005 年. 10王靜霞.單片機應用技術（C 語言版） 北京：電子工業(yè)出版社 2009 年