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1、 山东科技大学课程设计摘要此课程设计主要是通过编程来实现电子式数码管显示单相单用户的用电量，其硬件部分主要以C8051F360单片机为控制核心，连接电能计量、LED显示、掉电存储、按键清零等功能模块组成整个系统模块。通过对用户供电电压和电流实时采样，采用专用的电能表集成电路，对采样电压电流信号进行处理并相乘转换成与电能成正比的脉冲输出，再经过计数器和LED显示器，实现对单用户的用电情况进行掉电存储、按键清零等功能。用户的用电量可以就地读取，有效地提高了电能计量的准确性，而且整个电路具有线路布置简单，可靠性高等优点；另外在用户电子式电能表的前面有6位LED数码管，最高位数码管显示为户号，次高位显
2、示连接线，后四位为用户用电量，清楚的显示了用户的户号及其用电量。此次课程设计运用了单片机C8051F360主控芯片、AD7755电能脉冲的转换芯片、74HC165实现按键清零芯片、74HC164驱动八段译码显示器芯片及24C16防止掉电数据丢失等芯片，并通过protel画图、Multisim软件仿真、Silicon IDE开发环境进行软件编程调试、查找资料等学习工具，最终实现了用户电量在数码管上显示的功能。关键词：电能表；单片机C8051F360芯片；硬件设计；软件设计 ABSTRACT The curriculum design is mainly through programming t
3、o achieve the electronic digital display single users electricity, the hardwarepart mainly C8051F360 microcontroller as control core, connect theelectric energy metering, LED display, power-down memory, buttonreset function module of the system module. Based on the users power supply voltage and cur
4、rent real-time sampling, using special electric energy meter IC, for processing andmultiplication is converted into pulse output and power is proportional to the voltage and current sampling signal, and thenthrough the counter and LED display for single user of electricity to power storage, key feat
5、ures such as clear. The user of electricity consumption can be read in situ, effectively improve the accuracy of electric energy metering, and the whole circuit has simple circuitarrangement, high reliability; there are 6 LED digital tube in addition to the users of electronic watt-hour meter in fro
6、nt of the most high,digital tube display for households, and secondarily display line, after four for the user of electricity, clearly shows the users account number and power consumption. The curriculum design using the conversion pulse MCU C8051F360 main control chip, AD7755 chip, 74HC165 chip, 74
7、HC164 buttonreset drive eight decoding display chip and 24C16 avoid losing data,chip, and through the Protel drawing, The Multisim software simulation, Silicon IDE development environment for software programming and debugging, find information, learning tools, and ultimately the user of electricity
8、 in the digital tube display function.Keywords: electric energy meter; C8051F360 chip; hardware design; software design目录1绪论.2 1.1电能表在国内发展状况.2 1.2 课题的研究内容与意义.2 2 设计任务与主要要求.4 2.1 设计任务.4 2.2 设计的主要要求.43 设计原理分析.5 3.1设计的总体方案.5 3.2 设计方案框图.6 3.3 电能表总电路图.64 设计的主要内容.8 4.1硬件设计.8 4.1.1 C8051F360单片机电路部分.8 4.1.2
9、 +5V稳压电源的设计.9 4.1.3 74HC164驱动LED数码管显示的设计.11 4.1.4 24C16芯片掉电存储的设计.13 4.1.5 74HC165芯片按键清零的设计.14 4.1.6 AD7755电能转换设计.14 4.2 软件设计.17 4.2.1 主函数流程图.17 4.2.2 AT24C16读函数流程图.18 4.2.3 AT24C16写函数流程图.19 4.2.4 显示用户电量流程图.20 4.2.5按键扫描清零函数流程图.20 4.2.6 中断子程序流程图.215 课程设计总结.22参考文献.23附录一.24附录二.25附录三.271 绪论1.1电能表在国内发展状况
10、电能表是我国电工仪表行业中产量最大的产品。近几年，国家连续出台的多项与电能表行业发展相关的政策以及房地产产业的迅速发展，为电能表需求的上升及保持行业发展的相对稳定起到了一定的保障作用。 随着高新技术尤其是电子信息技术的快速发展，电子式、多功能、高精度、多费率、自动抄表等产品的优势突显，且已经逐步成为电能表发展的主流，在未来几年里，这种趋势将更加明显。且各行各业对电的需求越来越大，不同时间用电量不均衡的现象也日益严重。为缓解我国日趋尖锐的电力供需矛盾，调节负荷曲线，改善用电量不均衡的现象，全面实行峰、平、谷分时电价制度，“削峰填谷”，提高全国的用电效率，合理利用电力资源，国内部分省市的电力部门已
11、开始逐步推出了多费率电能表，对用户的用电量分时计费。在有条件的地区，即已经实行一户一表的居民用电区，也将有计划的开发低谷用电，实行峰谷电价，以提高电能利用率，提高居民的用电质量。通过城乡电网改造，电工仪器仪表行业步入了快速发展的轨道，同时也为行业企业提供了一个科技创新的平台，电工仪器仪表生产企业抓住机遇，通过对国外先进技术的兼收并蓄，并高标准、高起点自主开发了一系列高技术产品。电力用户是我国电工仪器仪表最大的用户群体，需求量占整个市场需求量的90%，对该类产品的销售起着决定性作用。国家城乡电网改造结束后，电工仪器仪表行业进入了平稳过渡期，以华立集团、宁波三星、林洋电子等为代表的行业企业不断拓宽
12、服务领域，寻求新的发展空间，从而在竞争中提高企业的核心竞争力，经过国内外市场的净化和洗礼，产品也发生了质的变化，开始从单纯量的增长向技术创新过渡，并步入高质量、高技术、高附加值时代，生产模式逐步向集约化大规模转变，核心竞争力不断增强，产品出口主要以电能表、便携式电表为主，出口辐射到几十个国家。特别是近几年，一些企业还通过在国外建厂等形式消化国内的市场，出口创汇不断攀升。 1.2 课题的研究内容与意义 电子式单用户多功能电能表，具有测量精度高，过载能力强，功率消耗低，性能稳定可靠，体积小，重量轻，操作方便；易于实现管理，适应工业、农业、民用等不同用户群体用电测量的需求。 本次课程所设计的单用户电
13、子式单相电能表采用单片机作为中央处理器，对用户的用电情况进行电能计量、LED显示，所以用户的用电量可以直接读取。电子式电能表与传统感应式电能表相比，有效地提高了电能计量的准确性。且电子式电能表无论在价格、功能、精度、可靠性等方面都优越于传统感应式电能表，具有的强大的功能特点和研究的必要性。 随着电子技术的发展与进步，电子式电能表越来越受到广大使用者的认同与青睐。面对新的形势，全面提高电子式电能表，尤其是技术含量高的产品的市场竞争力，重点突破多费率表和多功能表的现状，使电能表从数量优势向技术优势转变是电能表产业的发展趋势。电子式电能表是今后一段时间内的发展主流，技术含量高的产品发展空间大，经济效
14、益也好，更应该作为今后发展重点。而要发展电子式电能表，核心技术是关键。 2 设计任务与主要要求2.1 设计任务该课程设计任务要求完成基于C8051F360单片机的单用户电子式电能表的设计与调试。其中包括硬件设计、软件设计和程序调试三部分。主要由LED显示模块、AD7755电能脉冲转换模块、掉电存储模块和按键清零等模块组成。被测信号经AD7755转换后将电压、电流、电能等信号传输给单片机C8051F360主控芯片，然后C8051F360控制其他所有芯片的工作、计算和显示。LED显示模块采用数码管显示被测用户的户号、用电量；按键清零模块选用74HC165芯片来实现此功能；存储模块采用24C16，为
15、系统提供数据存储，可以实现掉电不丢失数据的功能。1.1.1 硬件设计硬件设计包括单片机的整体设计、稳压电源的设计、LED数码管显示的设计、24C16芯片掉电存储的设计、74HC165芯片按键清零的设计、AD7755电能转换器等电路的设计。1.1.2 软件设计软件设计包括用C8051F360单片机C语言编写的用户电量显示程序、按键清零程序、用户和电量显示程序、脉冲检测程序以及掉电保存等程序，并配有主函数和各子函数的流程图及其说明等。2.2 设计的主要要求1.该交流电能表能实现对单相单用户交流电能的测量；2.具有显示户号及用户用电量的功能； 3.具有按键清零的功能；4.具有掉电保存电能数据的功能；
16、5.计100个脉冲为1度电；6.计量精度为1%；7.最大计度容量：99.99kWh。 3 设计原理分析3.1设计的总体方案系统主要由电量采集转化电路、微处理器控制电路、非易失存储器电路、显示电路、供电控制电路、按键清零电路等部分组成。电路控制部分选用单片机芯片C8051F360，它具有片内上电复位、VDD监视、看门狗定时器等功能，是真正独立工作的片上系统；各电路电源部分选用稳压芯片MC7805，将交流电经过整流、滤波、稳压得到所需电源；数码管显示部分利用74HC164串入并出8位移位寄存器驱动数码管进行数据显示；数据掉电保存部分选用掉电存储芯片AT24C16 ，该芯片是用先进的铁电技术制造的1
17、6K位的非易失忆的记忆体；按键清零部分利用74HC165并入串出8位移位寄存器实时扫描按键，根据按键要求对相应用户电量清零；电量采集转化电路采用AD7755脉冲转化芯片将电量采集后转化为脉冲信号，用户的计量脉冲信号，经I/O接口电路连接到系统总线，在微处理器的控制下，采集并计其脉冲信号，达到100个脉冲时电量自加1kWh。3.2 设计方案框图根据3.2节中对总电路方案的设计可得到总的方案框图如下图3.1所示：线路电压线路电流电压互感器电流互感器电能转换脉冲芯片AD7755光电耦合 C8051F360 单片机74HC164及八段译码显示 E2PRM24C1674HC165键盘清零稳压电源稳压电源
18、图3.1 设计总体框图3.3 电能表总电路图 用protel软件绘制单相单用户电能表的总电路图如下图3.2所示： 图3.2 电能表总电路图4 设计的主要内容4.1硬件设计 此课程设计采用的是以单片机C8051F360芯片为核心的电路板，此板的各部分原理图及内部连接图见附录一所示。C8051F360单片机整体电路板包含的模块主要有C8051F360单片机、LED/FMQ报警、RS-232通信、USB接口、电源接口、LM336-2.5、下载/复位、外接器件、5V-3.3V、两路AD输入、信号输入、PCF8563、AT24C16、74HC165、74HC164显示等。本次设计中主要用到的部分有C80
19、51F360单片机、AT24C16掉电存储、 74HC164驱动数码管显示以及74HC165按键等模块，下面将详细介绍各模块。4.1.1 C8051F360单片机电路部分C8051F360单片机为主要控制部件，其电路图如下图4.1.1所示。它具有片内上电复位电路、VDD监视器、看门狗定时器和时钟振荡器器件，是真正能独立工作的片上系统。FLASH 存储器还具有在系统重新编程能力，可用于非易失性数据存储，并允许现场更新 8051 固件。用户软件对所有外设具有完全的控制，可以关断任何一个或所有外设以节省功耗。其P1.0、P1.1口产生的脉冲向74HC164显示输送数据，使其显示相关信息；P2口接拨码
20、开关，模拟AD7755电量脉冲；PCF8563、24C16部件实时存储用户电量信息，并在掉电后保存，单片机上电复位后能够从中读取数据。 图4.1.1 C8051F360单片机电路单片机电路设计中P2口接一并排开关，此设计中只用到P2.0口，实现了对单用户电脉冲输入的模拟；P1.0和P1.1接八段数码管控制其显示；P1.3和P1.6分别接AT24C16的SDA和SCL管脚来控制存储部分的电路；P1.2、P1.4和P1.5这三个口分别与74HC165芯片的对应管脚相连接，来实现用户电量按键清零的功能。4.1.2 +5V稳压电源的设计电源电路是整个系统能稳定工作的前提和关键，系统中的各个单元电路都需
21、要使用直流电源供电，本设计采用自制电源供电方式，将220V交流市电通过电源变压器变换成交流低压，再经过桥式整流电路整流和滤波，在固定式三端稳压器的两端形成一个并不十分稳定的直流电压，此直流电压经过W7805的稳压和电容的频率补偿，便在稳压电源的输出端产生了精度高、稳定度好的直流输出电压。 用Multisim电路仿真软件制作出的+5V稳压电源电路图如下图4.1.2所示。图4.1.2 +5V稳压电源电路图 将图4.1.2中的+5V稳压电源电路图进行仿真，其结果如下图4.1.3所示。 图4.1.3 +5V直流稳压电源仿真结果4.1.3 74HC164驱动LED数码管显示的设计 图4.1.4 74HC
22、164驱动LED数码管显示电路 如图4.1.4所示为74HC164驱动LED数码管显示电路，设计中单片机的P1.0、P1.1口产生的脉冲向74HC164显示输送数据，使其显示相关信息，两个输入端或者连接在一起，或者把不用的输入端接高电平，一定不要悬空。电路设计中74HC164是高速硅门 CMOS 器件，是比较典型的移位寄存器，它与低功耗肖特基型 TTL (LSTTL) 器件的引脚兼容。74HC164是 8 位边沿触发式移位寄存器，串行输入数据，然后并行输出。数据通过两个输入端（DSA 或 DSB）之一串行输入，任一输入端可以用作高电平使能端，控制另一输入端的数据输入，其管脚图如图4.1.5所示
23、。74HC164的使用原理为：时钟信号从低电平变为高电平的时候将输出一个数据到输出端D0，当时钟第二次由低电平变为高电平的时候将输出第二个数据到D0，而第一个数据将转移到D1端口。依此类推，每一个时钟周期中都有一个串行数据输出到D0，而其他的数据则不断往高位移动直到所有数据传输结束。如果不再有时钟周期输入，则这些数据将暂存在输出端。图4.1.5 74HC164引脚图数码管由8个发光二极管（以下简称字段）构成，通过不同的组合可用来显示数字0 9、字符A F、H、L、P、R、U、Y、符号“-”及小数点“.”。数码管的外形结构连接如下图4.1.6所示。图4.1.6 数码管管脚连接图通过以上对74HC
24、164驱动数码管显示电路各个模块的介绍，联系单片机的控制原理，可得到C8051F360单片机控制74HC164驱动数码管显示的具体过程如下：单片机外接8片74HC164作为8位LED显示接口，把单片机的P1.0作为数据输出线，P1.1作为移位时钟脉冲。其中A、B（第1、2脚）为串行数据输入端，2个引脚按逻辑与运算规律输入信号，共一个输入信号时可并接。CLK为时钟输入端，可连接到P1.1端。每一个时钟信号的上升沿加到CLK端时，移位寄存器移一位，8个时钟脉冲过后，8位二进制数全部移入74HC164中。Q0Q7并行输出端分别接LED显示器的ge各段对应的引脚上。在给出了8个脉冲后，最先进入74HC
25、164的第一个数据到达了最高位，然后再来一个脉冲，第一个脉冲就会从最高位移出，8片74HC164首尾相串，而时钟端则接在一起，这样，当输入8个脉冲时，从单片机P1.0端输出的数据就进入到了第一片74HC164中了，而当第二次8个脉冲到来后，这个数据就进入了第二片74HC164，而新的数据则进入了第一片74HC164，这样，当第8次8个脉冲完成后，8位数据便显示在八段数码管上了。4.1.4 24C16芯片掉电存储的设计 AT24C16是用先进的铁电技术制造的16K位非易失性记忆体铁电随机存储器，其 FRAM具有非易失性并且可以象RAM一样快速读写数据，在掉电后可以保存10年且比EEPROM或其他
26、非易失性存储器可靠性更高、系统更简单，而不像EEPROM。24C16以总线速度进行写操作，无延时，数据送到24C16中直接写到具体的单元地址下，可以立即执行 。24C16可以承受超过100亿次的读写或者是比EEPROM高一万倍的写操作， 24C16的写能力使得它在需要对非易失性记忆体快速读写的状况下非常理想的完成任务，这种优势合并使得系统可以更可靠的实时采集数据。SCL连接C8051F360的P1.6引脚为串行输入端，上升沿写入；SDA连接P1.3为串行输出端。每次中断显示时写入一次单用户的脉冲数量，实时存储用户电量信息，并在掉电后保存，单片机上电复位后能够从中读取数据，24C16掉电保存电路
27、如下图4.1.7所示。图4.1.7 24C16掉电保存电路 由于其控制引脚较少，占用单片机口线较少，在少量数据存储中有非常大优势，因为在本设计中，我们只需将校表数据及少量的电能数据存储其中，以做到系统掉电时不丢失数据，免除每次开机时的校表过程，故选用控制引脚简洁的AT24C16将非常的合适。4.1.5 74HC165芯片按键清零的设计74HC165芯片按键清零的电路图如下图4.1.8所示，74HC165是8位并行输入串行输出移位寄存器，可在末级得到互斥的串行输出（Q0和Q7），当并行读取（PL）输入为低时，从D0到D7口输入的并行数据将被异步地读取进寄存器内。而当PL为高时，数据将从DS输入端
28、串行进入寄存器，在每个时钟脉冲的上升沿向右移动一位（Q0 Q1 Q2等）。设计中用P1.2作为74HC165 使能端，P1.5作为74HC165 脉冲输入端P1.4作为74HC165输出端检测按键信息，进行清零。图4.1.8 74HC165按键清零电路4.1.6 AD7755电能转换设计电能变换电路采用AD7755芯片（Ib=10A,C=1600KW/h）,它是脉冲输出的一种高准确度电能测量芯片，工作时AD7755芯片将电流采样信号和电压采样信号送入缓冲放大器，经模拟乘法器相乘，再经V/F转换器转换将电压信号转换为脉冲信号，AD7755芯片的快速脉冲输出为1600脉冲/KWh，与用户使用电能相
29、对应。AD7755在低频输出端提供平均功率信息，在高频输出端输出频率正比有效功率的脉冲，AD7755还有自校准功能。AD7755芯片的外围封装电路、性能检测电路图及主要参数分析及计算见附录二所示，AD7755的功能框图如下图4.1.9所示。 图4.1.9 AD7755的功能框图（1）AD7755电能转换设计原理如AD7755的功能框图所示，将电流信号转换为合适的电压信号，由通道一输入，通道一输入最大差动信号峰值为470mV，有效值约为330mV；电压信号经过处理，输入到通道二，通道二输入最大差动信号峰值为660mV，有效值约为467mV。两路电压信号经过A/D转换器、滤波器、乘法器等，将信号输
30、入到数字一频率转换器转换为一定频率的脉沖信号。对这个脉冲信号进行计数就可以计量用户的用电量。可编程增益放大器的放大倍数G可视情况随意选择，由G0、Gl的逻辑电平确定，通道一的增益选择表如下4.1.1所示。 表4.1.1 通道一的增益选择表通过设置SO、S1可以选择不同的Fl-4进行选择。脉冲输出的基本方式是从F1或F2输出，但是这两个引脚输出的脉冲频率较低，最高为几百个脉冲/kW.h。也可以选择高频脉冲输出，高频脉冲可以从CF端输出，脉冲数可达几千个脉冲/ kW.h。 若要使用高频则需要对SCF引脚进行配置。但是实际使用时脉冲频率不可太高，所以，选用这种脉冲输出方式时 通常把SCF、SO、S1
31、都接低电平，脉冲频率可以低一些。另外在采集电流、电压信号时，要合理选择采集方式，输入到通道一、通道二的电压信号选在最大允许输入信号的1/3到2/3范围内为宜。在这个范围内，信号采集误差较小。在选择采集信号方式时，应考虑到抗干扰能力和电阻等原器件的功耗问题。若通道一采用电阻分压方式将电流转换成电压信号，则G应取最大值，这样可以有效减小电阻上的功率损耗。另外还可以釆用电流互感器，将电流信号转换为电压信号。这两种方式各有优势，将在下面进行详细叙述。若釆用Fl、F2输出脉冲对用户电能进行计量，则可以使得两个通道输入电压在合理的电压范围内，即最大允许输入信号的1/3到2/3范围内。若釆用高频脉冲输出方式
32、，脉冲频率不应太高，这时通道一、二采集的电压信号可能会低于理想的电压范围。但是不会有太大偏差，不会对设备性能有太大影响。以上是对AD7755工作原理的简单叙述，要真正用好这个芯片来实现本方案设计还需要对一些重要参数进行分析计算及配置。（2）AD7755外围电路设计AD7755的总体电路除了上述几个比较关键的组成部分外，还有时钟电路、脉冲输出接口、电源电路等其他几个外围电路。时钟电路釆用和单片机时钟电路一样的设计，但是将晶体振荡器用AD7755要求3.58MH脉冲输出接口则采用光耦合器，这样可以将AD7755电能计量转换电路与单片机控制电路进行隔离，防止两侧相互干扰。由于光耦合器将电路分成两部分
33、，所以两侧应该分别供电。电路原理见图4.1.10所示。图4.1.10 AD7755的总体电路4.2 软件设计单用户单相电能表的程序见附录三所示，其各个子程序及总程序流程图将在下面一一详细介绍。流程图中包括主函数流程图、读AT24C16子函数流程图、写AT24C16子函数流程图、用户电量显示程序流程图、按键扫描清零函数流程图、中断子函数流程图。4.2.1 主函数流程图4.2.2 AT24C16读函数流程图4.2.3 AT24C16写函数流程图4.2.4 显示用户电量流程图4.2.5按键扫描清零函数流程图4.2.6 中断子程序流程图 第 34 页 共 37 页5 课程设计总结为期两周的单片机课程设
34、计已经结束，通过对这次课程设计的制作让我对单片机的理论有了更加深入的了解，并且从中我学到了很多书上并不存在东西，并且深刻的认识到书本上的知识与实际的应用存在着很大的差距。我选择的课题是用单片机通过编程来实现电子式数码管显示单相单用户的用电量，其涉及的芯片非常多，主要以C8051F360单片机为控制核心，实现对电能的计量、LED显示、掉电存储、按键清零等功能。在做这次课程设计的时候，一开始我对单片机功能板上的大部分芯片都很陌生，并且感觉老师给的模块程序都很难理解，编写程序的时候非常困难，并且自己在调试的时候经历了许多次的失败，但在老师和周围同学的帮助下，经过我们不懈的努力和许多次的修改以及大量的
35、查阅各种资料，程序最终实现在了单片机功能板上，那一时刻，我才认识到程序的神奇之所在，并为自己的成功而感到兴奋。这次的简单的课程设计使我懂得了理论与实际相结合是很重要的，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，才能将自己所学的知识运用到实处。并且这次单片机课程设计激发了我对单片机及程序更高的热情，因为它能将我们的想法通过编程的方式来实现出来，所以我对编程的灵活性产生了浓厚的兴趣。通过这次单片机课程设计，我不仅加深了对单片机理论的理解，将理论很好地应用到实际当中去，而且我还学会了如何去培养我们的创新精神和自学能力，只有靠自己的努力和好学的精神才能在未来不断地超越自己。参考文献1 公
36、茂法，黄鹤松，MCS51/52单片机原理与实践 ，北京航空航天大学出版社，2009年。2 邱关源，电路第四版 ,高等教育出版社,2002年。3 罗旭，张彦斌等，单相电子式电能表的特点及其原理，第1期:2003年10月。4 魏立峰，王宝兴，单片机原理及应用技术，北京大学出版社,2006年。5韩明岗，AD7755在电能表中的应用，李渊电子工程杂志，1999年3月。附录一 图一 C8051F360单片机电路板原理图附录二图二 AD7755外围封装电路图三 AD7755性能检测电路参数分析及计算输出脉冲方式有两种，一种是通过Fl、F2输出的较低频率的脉冲；另一种是通过CF端输出地高频脉冲。本设计中用F
37、l、F2输出低频脉冲方式。下面将做详细介绍：按照公式F=8.06*V1*V2*G*F1-4/VREF2计算出F。其中V1为通道一的输入电压V1*G,即经过程放大器后的输入电压有效值；V2为通道二的输入电压有效值；可以通过对SO、S1的配置进行选择。其关系见表1所示。表1 F1-4换算表通常情况下先根据最大输入电流和输入电压以及F1-4的取值范围算出可选脉冲数范围，再根据自己的要求确定实际脉冲数，最后有公式F=（8.06*V1*V2*G*F1-4）/VREF2向回推算出VI、V2检验二者是否在各自的理想电压范围内。若不符合要求再进行修改。在计算出F频率后，要计算出一个小时会输出多少个脉冲，即F*3600个。另外要根据设计要求算出一个小时耗电量，P=(I*V) /1000 (kW.h),用(F*3600)/P即为脉冲数/kW.h。例如：本方案在设计时要采用F1输出脉冲，根据计算可选脉冲数范围为：126-1005个脉冲数/kW.h，实际选择1000个脉冲/ kW.h,且GO、G1状态为00，因此增益为1, S1、S0状态为01，因此F1-