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文檔簡介

1、鄭州科技學(xué)院單片機(jī)課程設(shè)計題 目 交通信號燈的設(shè)計 學(xué)生姓名 李 康 專業(yè)班級 11電子科學(xué)與技術(shù)一班 學(xué) 號 201131007 院 (系) 電氣工程學(xué)院 指導(dǎo)教師 朱小會 完成時間 2015 年 1月 9日 目 錄前言11 課題方案設(shè)計31.1 系統(tǒng)總體設(shè)計要求31.2 系統(tǒng)的總體框圖32 系統(tǒng)硬件設(shè)計42.1 總體設(shè)計42.2 單片機(jī)運(yùn)行的最小系統(tǒng)42.2.1 系統(tǒng)時鐘電路72.2.2 系統(tǒng)復(fù)位電路82.3 信號燈電路設(shè)計92.3.1 驅(qū)動電路92.3.2信號燈電路103 系統(tǒng)軟件的設(shè)計123.1 主程序流程圖123.2子程序流程圖134 軟硬件調(diào)試及調(diào)試結(jié)果164.1 軟硬件調(diào)試中出現(xiàn)

2、的問題及解決措施164.1.1 硬件調(diào)試164.1.2 軟件調(diào)試164.2 調(diào)試結(jié)果17結(jié) 論 19參考文獻(xiàn)20附錄1:單片機(jī)控制交通燈設(shè)計原理圖21附錄2:單片機(jī)控制交通燈設(shè)計實(shí)物圖22附錄3:Proteus仿真圖23附錄4:基于單片機(jī)的交通燈設(shè)計元器件目錄24附錄5:基于單片機(jī)的交通燈設(shè)計C語言程序清單25三號、黑體、1.5倍行距、段前0.5行、段后0.5行前 言 單片機(jī)作為計算機(jī)發(fā)展的一個重要領(lǐng)域,應(yīng)用一個較科學(xué)的分類方法。根據(jù)目前的發(fā)展情況,從不同角度單片機(jī)大致可以分為通用型/專用型、總線型/非總線型及工控型/家電型。由于單片機(jī)具有顯著的優(yōu)點(diǎn),它已成為科技領(lǐng)域的有力工具,人類生活的得力

3、助手。它的應(yīng)用遍及各個領(lǐng)域,主要表現(xiàn)在以下幾個方面: 1)單片機(jī)在智能儀表中的應(yīng)用:單片機(jī)廣泛地用于各種儀器儀表,使儀器儀表智能化,并可以提高測量的自動化程度和精度,簡化儀器儀表的硬件結(jié)構(gòu),提高其性能價格比。 2)單片機(jī)在機(jī)電一體化中的應(yīng)用:機(jī)電一體化是械工業(yè)發(fā)展的方向。機(jī)電一體化產(chǎn)品是指集成機(jī)械技術(shù)、微電子技術(shù)、計算機(jī)技術(shù)于一體,具有智能化特征的機(jī)電產(chǎn)品,例如微機(jī)控制的車床、鉆床等。單片機(jī)作為產(chǎn)品中的控制器,能充分發(fā)揮它的體積小、可靠性高、功能強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn),可大大提高機(jī)器的自動化、智能化程度。 3)單片機(jī)在實(shí)時控制中的應(yīng)用:單片機(jī)廣泛地用于各種實(shí)時控制系統(tǒng)中。例如,在工業(yè)測控、航空航天、尖端武器

4、、機(jī)器人等各種實(shí)時控制系統(tǒng)中,都可以用單片機(jī)作為控制器。單片機(jī)的實(shí)時數(shù)據(jù)處理能力和控制功能,可使系統(tǒng)保持在最佳工作狀態(tài),提高系統(tǒng)的工作效率和產(chǎn)品質(zhì)量。 4)單片機(jī)在分布式多機(jī)系統(tǒng)中的應(yīng)用:在比較復(fù)雜的系統(tǒng)中,常采用分布式多機(jī)系統(tǒng)。多機(jī)系統(tǒng)一般由若干臺功能各異的單片機(jī)組成,各自完成特定的任務(wù),它們通過串行通信相互聯(lián)系、協(xié)調(diào)工作。單片機(jī)在這種系統(tǒng)中往往作為一個終端機(jī),安裝在系統(tǒng)的某些節(jié)點(diǎn)上,對現(xiàn)場信息進(jìn)行實(shí)時的測量和控制。單片機(jī)的高可靠性和強(qiáng)抗干擾能力,使它可以置于惡劣環(huán)境的前端工作。 5)單片機(jī)在人類生活中的應(yīng)用自從單片機(jī)誕生以后,它就步入了人類生活,如洗衣機(jī)、電冰箱、電子玩具、收錄機(jī)等家用電器

5、配上單片機(jī)后,提高了智能化程度,增加了功能,倍受人們喜愛。單片機(jī)將使人類生活更加方便、舒適、豐富多彩。綜合所述,單片機(jī)已成為計算機(jī)發(fā)展應(yīng)用的一個重要方面。另一方面,單片機(jī)應(yīng)用的重要意義還在于,它從根本上改變了傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)設(shè)計思想和設(shè)計方法。從前必須由模擬電路或數(shù)字電路實(shí)現(xiàn)的大部分功能,現(xiàn)在已能用單片機(jī)通過軟件方法來實(shí)現(xiàn)了。這種軟件代替硬件的控制技術(shù)也稱為微控制技術(shù),是傳統(tǒng)控制技術(shù)的一次革命。 6)由單片機(jī)控制的交通燈:隨著現(xiàn)代社會的發(fā)展,和交通設(shè)施的日益健全,對交通的維持交通秩序的功能有了越來越高的要求,要求交通燈必須有一定的反饋功能,和計時功能。 1 課題方案設(shè)計單片機(jī)設(shè)計交通燈控制系統(tǒng),

6、可用單片機(jī)直接控制信號燈的狀態(tài)變化,基本 上可以指揮交通的具體通行,當(dāng)然,接入LED數(shù)碼管就可以顯示倒計時以提醒行使者,更具人性化。1.1 系統(tǒng)總體設(shè)計要求(1)東西路口的綠燈亮,南北路口的紅燈亮,東西路口方向通車。2延時一段時間后,東西路口的綠燈熄滅,黃燈開始延時并開始閃爍,閃爍三 次后,東西路口的紅燈亮,同時南北路口的綠燈亮,南北方向開始通車。3延時一段時間后,南北路口的綠燈熄滅,黃燈開始延時并開始閃爍,閃爍三 次后,再切換到東西路口方向。 4之后一直重復(fù)以上三步。1.2 系統(tǒng)的總體框圖 系統(tǒng)的主要控制部分是單片機(jī)最小系統(tǒng),由單片機(jī)最小系統(tǒng)通過驅(qū)動電路對三色 LED 燈進(jìn)行控制。單片機(jī)內(nèi)部

7、已存在寫進(jìn)去的程序,直流電源分別向單片機(jī)和驅(qū)動電路三色LED燈電路供電,使兩個模塊工作,進(jìn)而使整個系統(tǒng)運(yùn)行。 系統(tǒng)的總體框圖如圖 1-1 所示:直 流 電 源單片機(jī)最小系統(tǒng)驅(qū) 動 電 路三 色 LED 燈圖1-1 系統(tǒng)的總體框圖2 系統(tǒng)硬件設(shè)計2.1 總體設(shè)計 實(shí)現(xiàn)本設(shè)計要求的具體功能,可以選用 AT89C52 單片機(jī)及外圍器件構(gòu)成最 小控制系統(tǒng),12個LED分成四組紅黃綠三色燈構(gòu)成信號燈指示模塊。反相器 74LS04 構(gòu)成驅(qū)動電路。2.2 單片機(jī)運(yùn)行的最小系統(tǒng)AT89C52 引腳結(jié)構(gòu)如圖 2-2 所示:圖2-1 AT89C52引腳結(jié)構(gòu)單片機(jī)的最小系統(tǒng)由電源、晶振、復(fù)位、/EA=1組成,下面介

8、紹每一個組成部分引腳GND20接地端Vcc 40電源端(工作電壓為5V)外接晶體引腳XTAL1 19、XTAL2 18 復(fù)位RST 9輸入輸出引腳 (1)P0端口 0.0-P0.7 P0 是一個8位漏極開路型雙向I/O 口,端口置1,(對端口寫1時作高阻抗輸入端,作為輸出口時能驅(qū)動8個TTL。 對內(nèi)部 Flash 程序存儲器編程時,接受指令字節(jié);校驗(yàn)程序時輸出指令字節(jié),要求外接上拉電阻。在訪問外部程序和外部數(shù)據(jù)存儲器時,P0口是分時轉(zhuǎn)換的地址(低8位)/ 數(shù)據(jù)總線訪問期間內(nèi)部的上拉電阻起作用。 (2)P1 端口P1.0-P1.7 P1是一個帶有內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O端口。 輸出時可驅(qū)動4

9、個TTL。 端口置1時,內(nèi)部上拉電阻將端口拉到高電平,作輸入用。對內(nèi)部Flash程序存儲器編程時,接收低8位地址信息。 (3)P2 端口P2.0-P2.7 P2 是一個帶有內(nèi)部上拉電阻的 8 位雙向 I/O 端口。輸出時可驅(qū)動 4 個 TTL, 端口置 1 時,內(nèi)部上拉電阻將端口拉到高電平,作輸入用。對內(nèi)部Flash 程序存 儲器編程時,接收高 8 位地址和控制信息。在訪問外部程序和 16 位外部數(shù)據(jù)存儲器時,P2口送出高8位地址。而在訪 問 8 位地址的外部數(shù)據(jù)存儲器時其引腳上的內(nèi)容在此期間不會改變。 (4)P3 端口P3.0-P3.7 P3 一個帶有內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O端口。輸出時

10、可驅(qū)動4個TTL。 端口置1時,內(nèi)部上拉電阻將端口拉到高電平,作輸入用。 對內(nèi)部 Flash 程序存儲器編程時,接控制信息。除此之外P3端口還用于一 些專門功能,具體功能如表 2-3:第二功能P3.0RXD(串行口輸入端)P3.1TXD(串行口輸出端)P3.2/INT0(外部中斷0請求輸入端,低電平有效)P3.3/INT1(外部中斷1請求輸入端,低電平有效)P3.4T0(定時器/計數(shù)器0計數(shù)脈沖輸入端)P3.5T1(定時器/計數(shù)器1計數(shù)脈沖輸入端)P3.6/WR(外部數(shù)據(jù)存儲器寫選誦信號輸出端)P3.7/WD(外部數(shù)據(jù)存儲器讀選誦信號輸出端)表2-1 P3口特殊功能口2.2.1 系統(tǒng)時鐘電路內(nèi)

11、部時鐘電路結(jié)構(gòu)如圖 2-2 所示。圖2-2 內(nèi)部時鐘電路結(jié)構(gòu)內(nèi)部時鐘是單片機(jī)的心臟,單片機(jī)的各功能部件的運(yùn)行都是以時鐘的頻率為基準(zhǔn)的。因此,時鐘頻率直接影響單片機(jī)的速度,時鐘質(zhì)量也直接影響單片機(jī)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。通常的時鐘電路有兩種方式:一種是內(nèi)部時鐘方式,一種是 外部 時鐘方式。AT89C52 單片機(jī)內(nèi)部有一個用于構(gòu)成振蕩器的高增益方向放大器,該高增 益方向放大器的輸入端為芯片引腳 XTAL1,輸出引腳為 XTAL2。使用外部振蕩 器時,外部振蕩信號應(yīng)直接加到 XTAL1,而 XTAL2 懸空。內(nèi)部方式時,時鐘 發(fā)生器對振蕩脈沖二分頻,如晶振為 12MHz,時鐘頻率就為 6MHz。晶振的頻 率可

12、以再 1MHz-24MHz 內(nèi)選擇。電容取 30PF 左右。系統(tǒng)的時鐘電路設(shè)計是采 用的內(nèi)部方式,即利用芯片內(nèi)部的振蕩電路。AT89C52 單片機(jī)內(nèi)部有一個用于 構(gòu)成振蕩器的高增益反相放大器。引腳 XTAL1 和 XTAL2 分別是此放大器的輸 入端和輸出端。這個放大器與作為反饋元件的片外晶體諧振器一起構(gòu)成一個自 激振蕩器。外接晶體諧振器以及電容 C1 和 C2 構(gòu)成并聯(lián)諧振電路,接在放大器 的反饋回路中。對外接電容的值雖然沒有嚴(yán)格的要求,但電容的大小會影響振 蕩器頻率的高低、振蕩器的穩(wěn)定性、起振的快速性和溫度的穩(wěn)定性。因此,此 系統(tǒng)電路的晶體振蕩器的值為 12 MHz,電容應(yīng)盡可能的選擇陶瓷

13、電容,電容值 約為 22 F。在焊接刷電路板時,晶體振蕩器和電容應(yīng)盡可能安裝的與單片機(jī)芯 片靠近,以減小寄生電容,更好的保證振蕩器穩(wěn)定和可靠工作。2.2.2 系統(tǒng)復(fù)位電路 (1)復(fù)位狀態(tài) 在8051單片機(jī)中,只要在單片機(jī)的RST引腳上出現(xiàn)2個機(jī)器周期以上的高電平,單片機(jī)就實(shí)現(xiàn)了復(fù)位。單片機(jī)在復(fù)位后,從0000H地址開始執(zhí)行指令。復(fù)位以后單片機(jī)的 P0P3 口輸出高電平,且處于輸入狀態(tài),SP(堆棧寄存器棧頂指針)的值為07H(因此,往往需要重新賦值,其余特殊功能寄存器和PC(程序計數(shù)器)都被清為0。復(fù)位不影響內(nèi)部RAM的狀態(tài)。 (2)復(fù)位電路 復(fù)位電路如圖2-3 所示: 圖2-3 單片機(jī)復(fù)位電路

14、單片機(jī)可靠的復(fù)位是保證單片機(jī)正常運(yùn)行的關(guān)鍵因素。因此,在設(shè)計復(fù)位電路時,通常要使RST引腳保持10ms以上的高電平。當(dāng)RST從高電平變?yōu)榈碗娖街?,?片機(jī)就從 0000H 地址開始執(zhí)行程序。8051單片機(jī)通常都采用上電自動復(fù)位和開關(guān)復(fù)位兩種方式。實(shí)際使用中,有些 外圍芯片也需要復(fù)位,如8255 等。這些復(fù)位端的復(fù)位電平要求與單片機(jī)的復(fù)位要求 一致時,可以把它們連起來。在最小系統(tǒng)板上,提供了一個通用的復(fù)位電路,在使用該板之前,必須將該電路 與單片機(jī)聯(lián)結(jié)起來。另外,還可以采用主板上的微處理器監(jiān)控模塊來控制復(fù)位腳,以便更加可靠地管理單片機(jī)的工作。2.3 信號燈電路設(shè)計2.3.1 驅(qū)動電路驅(qū)動部分采

15、用74LS05非門來對LED發(fā)光二極管進(jìn)行驅(qū)動,當(dāng)輸入為高點(diǎn)平時, 輸出為低電平。確保LED發(fā)光二極管的穩(wěn)定性,能更有效地工作。74LS05 為六組反向 器,共有 54/7405、54/74H05、54/74S05、54/74LS05 四種線路結(jié)構(gòu)形式,其主要電特性的典型值如表2-2所示:型號tPLHtPHLPD5405/740512ns8ns60mW54H05/74H056ns6.5ns140mW54S05/74S053ns3ns113mW54LS05/74LS059ns10ns12mW 表2-2 74LS05的型號 74LS05引腳如圖2-6所示:圖2-4 74LS05引腳7引腳是接地端,

16、14引腳接+5V電源。剩余的12引腳組成6組反相器,A為輸入,Y為輸出。例如,1A端輸入高電平,則1Y輸出低電平。2.3.2信號燈電路 在設(shè)計交通燈時,采用了發(fā)光LED代替信號燈。先介紹一下LED。LED的工作原理是單向?qū)ǎ粗挥姓龢O電壓高于負(fù)極電壓某個特定值時才會導(dǎo)通,而負(fù)極電壓高于正極電壓時是不會導(dǎo)通,發(fā)光LED 是一種特殊的二極管,導(dǎo)通 時會發(fā)光 (發(fā)光二級管導(dǎo)通壓降一般為 1.7V-1.9V) 此外, 工作電流要滿足 LED 的工作電流。發(fā)光 LED的正負(fù)極可以用萬用表判斷,把萬用表撥至電阻檔,用兩個表筆分別接觸 LED的兩個引出腳,若發(fā)光 LED被點(diǎn)亮,則與紅表筆相接觸的引出腳為正

17、極。一般發(fā)光 LED 與 I/O 端口之間都會再連接一個電阻,其作用在于限制通過 二極管的電流,從而達(dá)到減小功耗和滿足端口對最大電流的限制。在本次設(shè)計中,信號燈電路設(shè)計原理如圖2-5所示:圖2-5 信號燈電路原理阻值大小計算如下:所需阻值=(電壓-LED 壓降-I/O 電平)/電阻上的電流。經(jīng)計算得出所需電阻大小為 200400。 信號燈電路具體連接方式如圖 2-9 所示:圖2-6 信號燈電路具體連接方式3 系統(tǒng)軟件的設(shè)計3.1 主程序流程圖 設(shè)交通等有四種工作方式: (1) 東西向綠燈與南北向紅燈亮五秒; (2)東西向綠燈滅,黃燈閃爍五次; (3)東西向紅燈與南北向綠燈亮五秒; (4)南北綠

18、燈滅,黃燈閃爍五次 。 主程序流程圖如圖 3-1 所示: 工作方式4工作方式3開始系統(tǒng)初始化工作方式1工作方式2 圖3-1 主程序流程圖單片機(jī)運(yùn)行后,系統(tǒng)首先初始化,計數(shù)器清零,然后順序執(zhí)行方式一到方式四。方 式四執(zhí)行完后,系統(tǒng)重新初始化,然后繼續(xù)執(zhí)行方式一到方式四,之后一直重復(fù)上述過程。3.2子程序流程圖 子程序流程圖如圖 3-2 所示:返回計數(shù)器清零計數(shù)器清零初始化方式15秒到開始初始化方式2閃5次YNYN開始 返回 圖3-2 子程序流程圖 圖3-3 子程序流程圖 返回計數(shù)器清零返回計數(shù)器清零開始初始化方式35秒到開始初始化方式4閃5次Y N 圖3-4 子程序流程圖 圖3-5 子程序流程圖

19、4 軟硬件調(diào)試及調(diào)試結(jié)果4.1 軟硬件調(diào)試中出現(xiàn)的問題及解決措施 本次設(shè)計要進(jìn)行軟件仿真,所以采用 Keil 軟件和 Proteus 軟件聯(lián)合調(diào)試, 具體過程可以概括為以下兩點(diǎn): 1) 在 Keil 軟件上編寫程序,編譯生成 hex 文件; 2) 在 Proteus 上繪制原理圖,把生成的 hex 文件添加到單片機(jī)中,點(diǎn)擊運(yùn)行 進(jìn)行仿真。 4.1.1 硬件調(diào)試電路焊接好后,進(jìn)行電路連通測試。先用萬用表檢測各個連接點(diǎn),確保連 接點(diǎn)連接完好;再檢測各種電源線與地線之間是否有短路現(xiàn)象,要確保電路無 短路,否則有可能會燒壞元器件。用萬用表檢查完后,再進(jìn)行上電檢測。給板 加電,用萬用表檢測所有的連接點(diǎn)或

20、是器件的端口是否符合預(yù)計的電壓值,最 后是聯(lián)機(jī)檢測。各芯片功能檢測: 事先編號一段簡易程序(程序要能體現(xiàn)芯片功能) ,將程序輸入到硬件電 路的單片機(jī)中,觀察各個芯片實(shí)現(xiàn)的功能是否正常運(yùn)行,如能正常運(yùn)行,說明 芯片沒有損壞,芯片可以使用 。4.1.2 軟件調(diào)試軟件調(diào)試是通過對用戶程序的連接、執(zhí)行來發(fā)現(xiàn)程序中存在的語法錯誤與邏輯錯誤并加以排除修正的過程。調(diào)試過程中,對程序?qū)崿F(xiàn)的是分模塊調(diào)試,先確認(rèn)模塊程序能夠運(yùn)行,再進(jìn)行調(diào)試的整體調(diào)試,這樣可以快速的檢查出程序程序?qū)崿F(xiàn)的功能與實(shí)體實(shí)際要求的區(qū)別,發(fā)現(xiàn)有區(qū)別也可以快速更改程序,直到程序能夠?qū)崿F(xiàn)設(shè)計要求。最后將各個模塊組合后再調(diào)試程序,確保各功能模塊能

21、夠相同。 4.2 調(diào)試結(jié)果圖4-1 東西方向綠燈,南北方向紅燈:圖4-1 調(diào)試結(jié)果圖圖4-2 東西方向黃燈閃爍: 圖4-2 調(diào)試結(jié)果圖 圖4-3 南北方向綠燈,東西方向紅燈:圖4-3 調(diào)試結(jié)果圖結(jié) 論在第一周的實(shí)習(xí)課程設(shè)計中,我首先對電路所實(shí)現(xiàn)的功能進(jìn)行了分析,通過查找資料和分析,進(jìn)行電路的初步設(shè)計,在此過程中,進(jìn)一步熟悉了仿真軟件和提高了使用軟件的能力。在第二周的實(shí)習(xí)過程中,親自動手制作電路板,其中包括電路的轉(zhuǎn)印、腐蝕、打孔、焊接,通過實(shí)際練習(xí),提高了自身的動手能力,從而進(jìn)一步熟悉了電路的結(jié)構(gòu)。當(dāng)硬件電路完成之后,看著自己做的板子,我萬分激動,很有成就感,可是當(dāng)把程序輸進(jìn)去時,我傻眼了,因?yàn)?/p>

22、它完全沒反應(yīng),我靜下心,反復(fù)查看了線路,原來有一根線接錯了,于是我趕緊修正過來。最后看著自己的作品,還是很欣慰的,雖然布局很亂,焊點(diǎn)很大,很不完美,但是也認(rèn)真對待了,努力去解決問題了,明白了不能小看任何東西,一個小小的線頭,都可能使整個板子癱瘓。更進(jìn)一步認(rèn)識到,日常生活中一個小小的電子產(chǎn)品背后都需要很大的付出??傊ㄟ^這次單片機(jī)課程設(shè)計,我提高了動手能力,也提高了分析問題與解決問題的能力,同時也學(xué)到了很多東西解決。由于能力有限電路只實(shí)現(xiàn)了基本功能,但是,這還是給了我很大的鼓舞,使我在以后學(xué)習(xí)中會更加的注重思考和鍛煉思維方式的學(xué)習(xí),我會努力的學(xué)習(xí)使自己的能力不斷的提高。參考文獻(xiàn)1 唐駿翟. 單片

23、機(jī)原理與應(yīng)用M.北京:冶金工業(yè)出版社,2003.3 2 何利民. 單片機(jī)應(yīng)用文集M.北京:北京航空航天大學(xué)出版社,19913 趙瑞鑫. 單片機(jī)原理及應(yīng)用教程M.北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2005.74 張毅剛. MCS-51單片機(jī)應(yīng)用設(shè)計M.哈爾濱:哈工大出版社,2004年第二版5 徐惠民、安德寧. 單片微型計算機(jī)原理接口與應(yīng)用(第一版)M.北京:北京郵電大學(xué)出版社,1996 附錄1:單片機(jī)控制交通燈設(shè)計原理圖附錄2:單片機(jī)控制交通燈設(shè)計實(shí)物圖附錄3:Proteus仿真圖附錄4:基于單片機(jī)的交通燈設(shè)計元器件目錄元器件名稱規(guī)格型號數(shù)量微處理器STC89C521個電阻10 K1個5106個發(fā)光LED紅

24、燈4個綠燈4個黃燈4個電容30PF2個按鈕1個電解電容10uF1個電源變壓器220V/5V1個晶振12MHZ1個反相器74LS041個附錄5 :基于單片機(jī)的交通燈設(shè)計C語言程序清單#include #define uint unsigned int #define uchar unsigned char sbit RED_A=P00; / A 組為東西向指示燈sbit YELLOW_A=P01; sbit GREEN_A=P02; sbit RED_B=P03; /B 組為南北向指示燈sbit YELLOW_B=P04; sbit GREEN_B=P05; uchar Count=0,Flash_Count=0,Operation_Type=1; /軟件計數(shù)器設(shè)置void T0_INT() interrupt 1 /T0中斷程序 TH0=(65536-50000)/256; /設(shè)定初值 TL0=(6553

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