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单片机数字电压表的毕业设计参考


基于单片机的数字电压表

I

目 录

摘 要……………………………………………………………………………………4 关键词 …………………………………………………………………………………4 Abstract ………………………………………………………………………………4 Key words………………………………………………………………………………5 前言 ……………………………………………………………………………………5 1、 总体结构 …………………………………………………………………………5 2、 系统硬件电路的设计 ……………………………………………………………6 2.1、 10 倍放大器电路 …………………………………………………………6 2.2、 A / D 转换电路……………………………………………………………7 2.3、 电桥输入电路………………………………………………………………8 2.4、 测试电路……………………………………………………………………8 3、 系统程序的设计…………………………………………………………………11 3.1、 初始化程序 ………………………………………………………………11 3.2、 主程序 ……………………………………………………………………11 3.3、 显示子程序 ………………………………………………………………11 3.4、 A / D 转换测量子程序 …………………………………………………11 4、 调试与性能分析…………………………………………………………………12 4.1、 调试与测试 ………………………………………………………………12 4.2、 性能分析 …………………………………………………………………13 5、 结 语 ……………………………………………………………………………14 6、 单片机汇编程序清………………………………………………………………14 参考文献………………………………………………………………………………21 致谢……………………………………………………………………………………22 附录……………………………………………………………………………………22

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基于单片机数字电压表的设计
**
(*****************2010届电子信息工程技术专业,*********)

摘 要: 数字电压表的诞生打破了传统电子测量仪器的模式和格局。 它显示清晰直观、 读数准确,
采用了先进的数显技术,大大地减少了因人为因素所造成的测量误差事件。数字电压表是把连续的 模拟量(直流输入电压)转换成不连续、离散的数字形式,并加以显示的仪表。数字电压表把电子 技术、计算技术、自动化技术的成果与精密电测量技术密切的结合在一起,成为仪器、仪表领域中 独立而完整的一个分支,数字电压表标志着电子仪器领域的一场革命,也开创了现代电子测量技术 的先河。本设计采用了以单片机为开发平台,控制系采用 AT89C52 单片机,A/D 转换采用 ADC0809。 系统除能确保实现要求的功能外,还可以方便进行 8 路其它 A/D 转换量的测量、远程测量结果传送 等扩展功能。简易数字电压测量电路由 A/D 转换、数据处理、显示控制等组成。

关键词: 关键词 单片机;AT89C52;A/D 转换;ADC0809;数据处理

Design of Digital Voltage Meter based on Single-chip Microcomputer ******
( 2010 Year Student of Electronics and Information Engineering Major of********************************************)

Abstract:

The birth of digital voltage meter break the traditional model of electronic

measuring instruments and patterns. It shows the clear and intuitive, accurate readings, using an advanced digital display technology, greatly reduced due to human factors of the measurement error caused by the incident. Digital voltage meter is a row of analog (DC input voltage) into a non-continuous, discrete digital form, and the instrument display. Digital voltage meter to electronic technology, computing technology, automation technology and precision of the results of electrical measurement technology closer together and become
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instruments, meters and complete an independent field of a branch, digital voltage meter indicates that the field of electronic devices a revolution and also pioneered the modern pioneer of electronic measurement technology. The design uses a single-chip platform for the development, control of the Department of the use of AT89C52 single-chip, A/D conversion using ADC0809. In addition to the realization of the system to ensure that the required functionality, but also facilitate the 8 other A/D converter measurement, distance measurement function of transmission expansion. Simple digital voltage measuring circuit is made of the A/D conversion, data processing, display control, etc.

Key words: SCM; AT89C52; A/D conversion; ADC0809; data processing

引言
数字电压表(Digital Voltmeter)简称 DVM,它是采用数字化测量技术,把连续的模 拟量(直流输入电压)转换成不连续、离散的数字形式并加以显示的仪表。传统的指针 式电压表功能单一、精度低,不能满足数字化时代的需求,采用单片机的数字电压表, 由精度高、抗干扰能力强,可扩展性强、集成方便,还可与 PC 进行实时通信。目前, 由各种单片 A/D 转换器构成的数字电压表, 已被广泛用于电子及电工测量、 工业自动化 仪表、自动测试系统等智能化测量领域,示出强大的生命力。与此同时,由 DVM 扩展而 成的各种通用及专用数字仪器仪表,也把电量及非电量测量技术提高到崭新水平。新型 数字电压表以其高准确度、 高可靠性、 高分辨率、 高性价比等优良特性倍受人们的青睐。 目前,数字电压表作为数字化仪表的基础与核心,已被广泛用于电子和电工测量、工业 自动化仪表、自动测试系统等领域,显示出强大的生命力。与此同时,由电压表扩展而 成的各种通用及专用仪表(含数字万用表),也将电量及非电量测量技术提高到崭新水 平本文重点介绍单片 A/D 转换器以及由它们构成的基于单片机的数字电压表的工作原 理。

1、 总体结构
数字电压表的组成(图 1)

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图1

数字电压表的组成框图 数字电压表的组成框图

DVM(Digital Voltage Meter)的核心是A/D转换器。 按系统功能实现要求,决定控制系统采用 AT89C52 单片机,A/D 转换采用 ADC0809。 系统除能确保实现要求的功能外, 还可以方便地进行 8 路其他 A/D 转换量的测量和远程 测量结果传送等扩展功能。数字电压表系统设计方案框图如图 2 所示。

上电复位

AT89C52 P0 P2

ADC0809

串口通信 P1 电源电路 P3 4 位 LED 显示

图 2 数字电压表系统设计方案框图

2、系统硬件电路的设计
2.1、 2.1、10 倍放大器电路
下图是一个最简单的 10 倍放大电路,运算放大器使用的是精度比较高的 OP07,利 用它,可以把 0~200mV 的电压放大到 0~2.000V。在使用的数字电压表量程为 2.000V 时,特别有用。如果把它应用在基本量程为±200.0mV 的数字电压表上,就相当于把分

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辨力提高了 10 倍,在一些测量领域中,传感器的信号往往觉得太小了,这时,可以考 虑在数字压表前面加上这种放大器来提高分辨力。

图 3 10 倍放大器电路

2.2、 2.2、 A/D 转换电路
在电流或者电压的测量中,经常遇见测量的并不是直流而是交流,这时候,绝对 不可以把交流信号直接输入到数字电压表去,必须先把被测的交流信号变成直流信号 后,才可以送入数字电压表进行测量。下图就是一个把交流信号转换成为直流信号的 参考电路。(说明:更好的交流转换成为直流的电路是一种“真有效值”转换电路, 但是由于其专用芯片价格昂贵,多应用在一些高档场合。) 本电路中, 输入的是 0~200.0mV 的交流信号, 输出的是 0~200.0mV 的直流信号, 从信号幅度来看,并不要求电路进行任何放大,但是,正是电路本身具有的放大作用, 才保证了其几乎没有损失地进行 AC-DC 的信号转换。因此,这里使用的是低功耗的高 阻输入运算放大器,其不灵敏区仅仅只有 2mV 左右,在普通数字万用表中大量使用, 电路大同小异。首先输入 3 位地址,并使 ALE=1,将地址存入地址锁存器中。此地址 经译码选通 8 路模拟输入之一到比较器。START 上升沿将逐次逼近寄存器复位。下降 沿启动 A/D 转换, 之后 EOC 输出信号变低, 指示转换正在进行。 直到 A/D 转换完成, EOC 变为高电平,指示 A/D 转换结束,结果数据已存入锁存器,这个信号可用作中断 申请。当 OE 输入高电平 时,输出三态门打开,转换结果的数字量输出到数据总线上。

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AC图 4 AC-DC 转换电路

2.3、 2.3、 电桥输入电路
在温度测量和其他物理及化学量的测量中,经常会出现“零点”的时候信号不是 零的情况,这时候,下面的“电桥输入”电路就被优先采用了。可以根据被测信号的 特点,用传感器替换电桥回路中的某一个电阻元件。数字电压表的两个输入端也不再 有接地点,作为一种典型的“差分”输入来使用了。

电桥输入(差分输入,比例输入) 图 5 电桥输入(差分输入,比例输入)电路

2.4、 2.4、 测量电路
电桥输入电路的变种还可以延伸到下面的电路,这是一个把 4~20mA 电流转换为 数字显示的电路。它的零点就是 4mA 而不是 0mA。当输入零点电流为 4mA 的时候,利

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用 IN-上面建立起来的电压,抵消掉 IN+由于 4mA 出现的无用信号,使得数字电压表差 分输入=0,就实现了 4mA 输入时显示为 0 的要求。 随着信号的继续增大, 例如到了 20mA, 对数字电压表来说,相当于差分输入电流为 20-4=16mA,这个 16mA 在 62.5R 电阻上的 压降,就是数字电压表的最大输入信号。这时候,把数字电压表的基准电压调整到与 16*62.5=1000mV 相等,显示就是 1000 个字。

图 6 测量电路

简易数字电压表测量电路由 A/D 转换、数据处理及显示控制等组成,电路原理图如 图 8 所示。 A/D 转换有集成电路 ADC0809 完成。ADC0809 具有 8 路模拟输入端口,地址线(第 23-25 脚)可决定对哪一路模拟输入作 A/D 转换。第 22 脚位地址锁存控制,当输入为高 电平时,对地址信号进行锁存。第 6 脚位测试控制,当输入一个 2μ 宽高电平脉冲时, s 就开始 A/D 转换。 7 脚为 A/D 转换结束标志, A/D 转换结束时, 7 脚输出高电平。 第 当 第 第 9 脚为 A/D 转换数据输出允许控制,当 OE 脚为高电平时,A/D 转换数据从端口输出。 第 10 脚为 ADC0809 的时钟输入端,利用单片机第 30 脚嘚分频晶振频率,再通过 14024 二分频得到 1MHz 时钟。 单片机的 P1、 P3.0-P3.3 端口作为 4 位 LED 数码管显示控制。 P3.5 端口用作单路显 示/循环显示转换按钮。P3.6 端口用作单路显示时选择显示的通道。P0 端口用作 A/D 转 换数据读入,P2 端口用作 ADC0809 的 A/D 转换控制。

8

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3、 系统程序的设计
3.1 初始化程序
系统上电时,初始化程序主要用来执行 70H-77H 内存单元清 0 和 P2 口置 0 等准备 工作。

3.2 主程序
在刚上电时,系统默认为循环显示 8 个通道的电压值状态。当进行一次测量后,将 显示每一通道的 A/D 转换值,每个通道的数据显示时间在 1s 左右。主程序在调用显示 子程序与测量子程序之间循环。 主程序流程图如图 7 所示。
开 始

初始化

调用 A/D 转换测量子程序

调用显示子程序

结 束
图 7 主程序流程图

3.3 显示子程序
显示子程序采用动态扫描法实现 4 位数码管的数值显示。 测量所得的 A/D 转换数据 放在 70H-77H 内存单元中, 测量数据在显示时须经过转换成为十进制 BCD 码放在 78H-7BH 单元中,其中 7BH 存放通道标志数。寄存器 R3 用作 8 路循环控制,R0 用作显示数据地 址指针。

3.4 A/D 转换测量子程序 A/D 转换测量子程序用来控制对 ADC0809 的 8 路模拟输入电压的 A/D 转换,
并将对应的数值移入 70H-77H 内存单元。
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A/D 转换测量子程序流程图如图 9 所示

图 9 A/D 转换测量子程序流程图

4、 调试及性能分析
4.1 调试与测量
采用 Wave 或 Keil C51 编译器进行源程序编译及仿真调试, 同时进行硬件电路板的 设计制作,烧录好程序后进行软硬件联调,最后进行端口电压的对比测试。测试对比表 如表 1 所列。表中标准电压值采用 UT56 数字万用表测得。
简易数字电压表与“标准” 表 1 简易数字电压表与“标准”数字电压表对比测试表 标准电压值/V 0.00 0.15 0.85 1.00 1.25 1.75 1.89 2.32 2.65 简易电压表测得值/V 0.00 0.17 0.86 1.02 1.26 1.76 2.00 2.33 2.65 绝对误差/V 0.00 +0.02 +0.01 +0.02 +0.01 +0.01 +0.02 +0.01 +0.01

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从表 1 中可以看出,简易数字电压表与“标准”数字电压表测得的绝对误差均在 0.02V 以内,这与采用 8 位 A/D 转换器所能到达到的理论误差精度相一致,在一般的应 用场合完全可以满足要求。

4.2 性能分析

图 10 数字电压表工作过程波形图

图 10 示出的是数字电压表工作过程波形图,启动脉冲位于斜坡脉冲起点,关门脉 冲位于斜坡脉冲与被测电压 Ux 的交点,图 10(d)表示在这个时间间隔内通过 T 门的 标准时间脉冲个数。 数字电压表的准确度首先取决于标准时间脉冲发生器所发脉冲频率 的稳定程度,因为若单位时间发出的脉冲个数发生波动,必然影响读数。其次决定于斜 坡上升的线性,若斜坡呈线性上升,则可保证电压上升值与时间间隔成正比。目前这两 方面的技术都比较成熟,所以数字电压表准确度也比较高。 (1)由于单片机为 8 位处理器,当输入电压为 5.00 V 时,ADC0809 输出数据值为 255(FFH),因此单片机最高的数值分辨率为 0.0196 V(5/255)。这就决定了该电压表
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的最高分辨率(精度)只能达到 0.0196 V,测试时电压一般以 0.02 V 的幅度变化。如 果要获得更高的精度要求,则应采用 12 位、13 位的 A/D 转换器。 (2)从表 1 中可以看出,简易数字电压表测得的值基本上均比标准电压值偏大 0.01-0.01 V。这可以通过校正 ADC0809 的基准电压来解决。因为该电压表设计时直接 用 5 V 的供电电源作为基准电压,所以电压有可能有偏差。另外,还可以用软件编程来 校正测量值。 (3)ADC0809 的直流输入阻抗为 1 MΩ,能满足常用的电压测试需要。另外,经测 试 ADC0809 可直接在 2 MHz 的时钟频率下工作, 这样可省去二进制分频器 14024 集成块。 (4)当要测量大于 5 的电压时,可在输入口使用分压电阻,而程序中只要将计算 程序的除数进行调整就可以了。但是量程越大,测量的精度会越低。

5、 结 语
基于单片机 AT89C52,A/D 转换器 ADC0809 的数字电压表,它代表着数字仪表的基 础。也标志着电子仪器领域的一场革命,也开创了现代电子测量技术的先河。数字电压 表具有读数准确方便、精度高、误差小、灵敏度高和分辨率高、测量速度快等特点而倍 受青睐。

6、 单片机汇编源程序清单
;简易数字电压表; ;测量电压最大为 5V,显示最大值为 5.00V ;70H—77H 存放采样值,78H—7BH 存放显示数据,依次为个位、十位、百位、通道 标志 ;P3.5 作单路显示/循环显示转换用,P3.6 作单路显示时选择通道按键用 ;* 主程序和中断程序入口 ORG LJMP ORG RETI ORG RETI ORG 0013H
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*

0000H START 0003H

000BH

RETI ORG RETI ORG RETI ORG RETI ;* 初始化程序中的各变量 CLR MOV MOV MOV LOOPMEM: MOV INC DJNZ MOV MOV MOV MOV MOV RET ;* START: MAIN: 主 程 序 LCALL LCALL LCALL AJMP NOP NOP NOP MAIN ;PC 值出错处理 * CLEARMEMIO TEST DISPLAY ;初始化 ;测量一次 ;显示数据一次 A P2,A R0,#70H R2,#0DH @R0,A R0 R2,LOOPMEM 20H,#00H A,#0FFH P0,A P1,A P3,A * 002BH 0023H 001BH

CLEARMEMIO:

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LJMP ;* DISPLAY:

START * ; ;8 路信号循环显示控制 ;显示数据初址 70H~77H ;显示通道路数初值 ;显示数据转为三位 BCD 码存入 7AH、 ;每路显示时间控制 4MS*255 ;调四位显示程序 ; ; ;显示下一路 ;通道显示数加一

显 示 控 制 程 序 JB MOV MOV MOV 00H,DISP11 R3,#08H R0,#70H 7BH,#00H TUNBCD MOV LCALL LCALL DJNZ INC INC DJNZ RET DISP KEYWORK1 R2,DISLOOP2 R0 7BH R3,DISLOOP1 R2,#0FFH

DISLOOP1: 79H、78H DISLOOP2:

LCALL

DISP11:

MOV SUBB MOV ADD MOV

A,7BH A,#01H 7BH,A A,#70H R0,A TUNBCD

;单路显示控制子程序 ; ; ; ; ;显示数据转为三位 BCD 码存入 7AH、

DISLOOP11:

LCALL

79H、78H(最大 5.00v) MOV DISLOOP22: LCALL LCALL DJNZ INC RET ;* 显示数据转为三位 BCD 码程序 * R2,#0FFH DISP KEYWORK2 R2,DISLOOP22 7BH ;通道显示数加一 ;每路显示时间控制 4MS*25 ;调四位显示程序 ;按键检测

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;显示数据转为三位 BCD 码存入 7AH、79H、78H(最大值 5.00v); TUNBCD: MOV MOV DIV MOV MOV 果加 5 CLR SUBB MOV MOV MUL MOV DIV JB ADD LOOP2: MOV MOV CLR SUBB MOV MOV MUL MOV DIV JB ADD LOOP3: MOV RET F0 A,#1AH F0,C A,#10 AB B,#51 AB F0,LOOP2 A,#5 79H,A A,B F0 A,#1AH F0,C A,#10 AB B,#51 AB F0,LOOP3 A,#5 78H,A ;小数后第二位放入 78H ; ; ; ; ;小数后第一位放入 79H ; ; ; ; A,@R0 B,#51 AB 7AH,A A,B ;255/51=5.00V 运算 ; ; ;个位数放入 7AH ;余数大于 19H,F0 为 1,乘法溢出,结

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;*

显 示 子 程 序

*

;共阳显示子程序,显示内容在 78H—7BH; DISP: MOV MOV PLAY: MOV MOV ANL MOV MOV MOVC MOV JB CLR PLAY1: LCALL INC MOV JNB RL MOV MOV AJMP ENDOUT: MOV MOV RET TAB: DB ;断码表 R1,#78H R5,#0FEH P1,#0FFH A,R5 P3,A A,@R1 DPTR,#TAB A,@A+DPTR P1,A P3.2,PLAY1 P1.7 DL1MS R1 A,P3 ACC.3,ENDOUT A R5,A P3,#0FFH PLAY P3,#0FFH P1,#0FFH ;小数点处理 ;小数点显示(显示格式为 XX.XX) ;共阳显示子程序, 显示内容在 78H—7BH ;数据在 P1 输出,列扫描在 P3.0-P3.3

0C0H,0F9H,0A4H,0B0H,99H,92H,82H,0F8H,80H,90H,0FFH ;* DL10MS: DL1: 延时程序 MOV R6,#0D0H MOV R7,#19H * ;10MS 延时子程序

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DL2:

DJNZ R7,DL2 DJNZ R6,DL1 RET

DL1MS: LOOP11:

MOV DJNZ MOV

R4,#0FFH R4,LOOP11 R4,#0FFH R4,LOOP22

;(513+513)ms=1MS

LOOP22:

DJNZ RET

;*

电压测量(A/D)子程序

*

; 一次测量数据 8 个,依次放入 70H-77H 单元中; TEST: CLR MOV MOV MOV LCALL WAIT: JB AJMP TESTART: SETB NOP NOP CLR SETB NOP NOP CLR NOP NOP NOP NOP P2.4 P2.3 P2.4 A P2,A R0,#70H R7,#08H TESTART P3.7,MOVD WAIT P2.3 ;测试启动 ;转换值存放首址 ;转换 8 次控制 ;启动测试 ;等 A/D 转换结束信号 ;模数转换子程序

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RET MOVD: SETB MOV MOV CLR INC MOV INC MOV CJNE TESTEND: JC CLR MOV MOV MOV MOV MOV RET TESTCON: LCALL LJMP ;* KEYWORK1: KEYOUT: KEY1: 按键检测子程序 JNB RET LCALL JB WAIT11: JNB CPL MOV MOV DISP P3.5,KEYOUT P3.5,WAIT12 00H R2,#01H R3,#01H ;延时消抖 P3.5,KEY1 TESTART WAIT * P2.5 A,P0 @R0,A P2.5 R0 A,P2 A P2,A A,#08H,TESTEND TESTCON A P2,A A,#0FFH P0,A P1,A P3,A ;结束恢复端口 ;等 8 路 A/D 转换结束 ;通道地址加 1 ;取 A/D 转换数据

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RET WAIT12: LCALL AJMP KEYWORK2: JNB JNB RET KEY2: LCALL JB WAIT22: JNB INC MOV CJNE KEYOUT11: JC MOV KEYOUT1: WAIT21: RET LCALL AJMP END DISP WAIT22 ;键释放等待时显示用 DISP P3.6,KEYOUT P3.6,WAIT21 7BH A,7BH A,#08H,KEYOUT11 KEYOUT1 7BH,#00H ;延时消抖用 DISP WAIT11 P3.5,KEY1 P3.6,KEY2 ;键释放等待时显示用

参考文献: 参考文献:
[1]电子科技大学 王祎磊;制作简易 AT89 系列编程器[N];电子报;2004 年 [2]安徽 芦 涛;数字万用表的电压表头故障检修[N];电子报;2004 年 [3]一飞;TCL HiD 背投彩电 数字会聚电路原理及维修(上)[N];电子报;2003 年 [4]北京 施珍珠;利用数字电压表测量脉冲占空比的方法[N];电子报;2001 年 [5].杨恢先,黄辉先.单片机原理及应用[M].北京:人民邮电出版社,2006 [6]胡跃荣,田建军;组合式钢水测温数字仪[J];冶金自动化;1980 年 03 期 [7]李光锡;光电控制型恒流源[J];电测与仪表;1980 年 01 期 [8]周栋;马刚;闫广;;PIC16F87X 单片机的特点及应用[A];第十三届全国煤矿自动化学术年会、中国煤 炭学会自动化专业委员会学术会议论文集[C];2003 年

20

[9].胡平.数字万用表的常用电路和检修[J].计量与测试技术,2003. No15

致谢
经过几个月的努力,毕业设计基本完成了。在毕业设计的实践中,学到很多有用的知识,也积 累了宝贵的经验。 在此要特别感谢***老师,在做设计期间得到*老师的精心指导,他对我们要求非常严格。毕业 设计的顺利完成离不开老师的帮助的,在同学和老师的帮助下我才能完成大学的最后一次作业。感 谢身边的同学,他们为我提供了很多宝贵的资料。本次毕业设计自始至是在他们的指导和帮助下完 成的,在此再一次向他们致以深深的敬意和感谢! 同时由于自己本身对一些知识的掌握不是很深刻,设计难免会出现一些漏洞,虽然设计做的不 是很完美,但是毕竟这是自己认认真真做出来的。希望各位老师给予指正。同时感谢母校对我这几 年来的教育和关心,在这里我不仅学到了专业知识,还学到了很多做人的道理,这几年的大学时光 是我终身难忘的。几年的大学生活使我明确了以后的方向,树立了良好的价值观,在这里学到的一 切都使我终身受益。 再次衷心感谢所有关心和帮助过我的老师和同学,谢谢你们!

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