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文檔簡介
1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上摘 要21世紀(jì)是一個電氣產(chǎn)品迅速發(fā)展的時代,隨之而來的,人們的生活水平也越來越高,去商場、超市等公共場所購物或參與其他活動已漸漸成為人們生活的一部分。因此,自動開關(guān)門也就隨之進入了人們的日常生活,成為上述公共建筑的必備設(shè)施。自動開關(guān)門的核心便是單片機的控制系統(tǒng),而單片機也是衡量其科技水平的標(biāo)桿,也標(biāo)志著自動化控制系統(tǒng)正在向一個越來越智能的方向發(fā)展。論文的控制技術(shù)核心,是基于89C51單片機、直流電機、熱釋電紅外傳感器等元器件相結(jié)合而組成的控制系統(tǒng)。它使得89C51單片機的性能能夠最大化的發(fā)揮出來,并且因其同時具備了硬件電路簡單、控制功能強大、系統(tǒng)安全且穩(wěn)定、性價比相對
2、較高等優(yōu)點,使其具有了一定的研究價值和實用價值。關(guān)鍵詞:自動開關(guān)門,單片機,熱釋電紅外傳感器,自動控制專心-專注-專業(yè)目 錄第一章 緒論1.1 探究課題可行性21世紀(jì)是一個自動化、信息化、數(shù)字化技術(shù)越來越高的時代,所以,單片機的應(yīng)用領(lǐng)域也越來越廣,與人們的生活密切相關(guān)。隨著時代的發(fā)展、科學(xué)的進步和人們生活質(zhì)量的日益提高,各種方便且實用的自動控制系統(tǒng)進入了人們的生活,其中以單片機為核心的自動開關(guān)門控制系統(tǒng)就在行列之中。這也標(biāo)志著自動控制系統(tǒng)成為科技化時代不可或缺的一部分。它的實用性強,功能眾多,技術(shù)高端先進。更讓人們懂得,數(shù)字時代的發(fā)展會改變?nèi)祟惖纳钯|(zhì)量,推動科學(xué)技術(shù)的發(fā)展。論文著重講解了以單
3、片機為主體、傳感器為核心的自動開關(guān)門控制系統(tǒng)。1.2 國內(nèi)自動開關(guān)門的發(fā)展現(xiàn)狀自動開關(guān)門的大批量專業(yè)化生產(chǎn)開始于150年之前,隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展自動開關(guān)門也在日臻完善。門的高級形式自動門起源于歐美發(fā)達國家,并迅速的發(fā)展至今,目前已形成種類全、功能完善、做工精密的自動門大家族。上世紀(jì)90年代以來,自動化控制技術(shù)發(fā)展較快,技術(shù)也較為成熟,并且取得了巨大的成就。自動開關(guān)門是由單片機控制系統(tǒng)組成。在現(xiàn)實生活中可以極大的節(jié)約資源、減少噪聲、防風(fēng)、防塵,同時也能讓出入口顯得高檔且簡潔,所以生活中應(yīng)用極其廣泛。在國外發(fā)達城市里的酒店、賓館、大廈、銀行、商場等隨處可見,但是在國內(nèi),自動開關(guān)門的研發(fā)還處于初級階
4、段。在自動開關(guān)門控制系統(tǒng)的設(shè)計中,節(jié)能環(huán)保、安全穩(wěn)定和人性化是需要考慮的重要因素。1.3 課題的意義與目的隨著科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展,各式各樣的自動化控制系統(tǒng)步入人們的生活。自動開關(guān)門控制系也就成為了商場、大廈等人流較為密集的地方疏通人流、控制出入口的首要選擇。自動開關(guān)門能夠?qū)崿F(xiàn)出入授權(quán)的的自動化控制等功能。為了使自動開關(guān)門能夠更好的被使用,選擇一種電路簡單,功能較為完善,性價比高,控制系統(tǒng)穩(wěn)定的自動開關(guān)門控制系統(tǒng),論文研究以89C51為控制核心,熱釋電紅外傳感器,磁開關(guān),步進電動機相結(jié)合的系統(tǒng)。使其充分發(fā)揮單片機的性能,具備一定的參考與使用價值。第二章 自動開關(guān)門控制系統(tǒng)設(shè)計方案2.1 基本功能
5、的需求與分析分析日常生活中經(jīng)常接觸到的自動開關(guān)門,設(shè)計的自動開關(guān)門控制系統(tǒng)應(yīng)具有以下功能:1. 具有手動控制和自動控制兩種模式,以便于使用和維護。當(dāng)熱釋電紅外傳感器檢測有人時發(fā)出信號,通過電動機的正轉(zhuǎn)與反轉(zhuǎn)控制門的開與關(guān)。2. 在關(guān)門時如出現(xiàn)夾人等非正常情況時,控制系統(tǒng)應(yīng)能根據(jù)關(guān)門時的異常負載或其它異常情況,啟動應(yīng)急措施停止自動開關(guān)門的關(guān)門進程,轉(zhuǎn)入開門過程。2.2 基本設(shè)計思路1、 檢測出有人靠近時開門。當(dāng)人們走到自動開關(guān)門附近時,熱釋電紅外傳感器可檢測出人的存在并發(fā)出開門信號,起動電動機開始正轉(zhuǎn),打開自動門。2、 自動開關(guān)門打開后,自動啟動延時器,延時數(shù)秒后,熱釋電紅外傳感器如檢測到周圍沒
6、有人,將起動電動機反轉(zhuǎn),控制自動門關(guān)門;如果熱釋電紅外傳感器檢測到周圍有人,將再次啟動延時器進行延時,直到周圍無人。3、 如果在關(guān)門的過程中熱釋電紅外傳感器檢測到有人的靠近,則會發(fā)出信號,控制系統(tǒng)會立即停止關(guān)門,并控制電動機正轉(zhuǎn)使自動開關(guān)門打開。人體信號光學(xué)系統(tǒng)(菲涅爾透鏡)熱釋電紅外傳感器信號處理自動開關(guān)門控制電路圖2.1 設(shè)計總結(jié)構(gòu)圖4、 在關(guān)門時如出現(xiàn)夾人等非正常情況時,控制系統(tǒng)應(yīng)能根據(jù)關(guān)門時的異常負載或其它異常情況,啟動應(yīng)急措施停止自動開關(guān)門的關(guān)門進程,轉(zhuǎn)入開門過程。總體思路大致如下圖2.1所示:2.3 設(shè)計思想和整體框圖論文將電動機的正轉(zhuǎn)模擬為開門,反轉(zhuǎn)模擬為關(guān)門,通過單片機從而實現(xiàn)
7、門的打開與閉合。門應(yīng)該自帶感應(yīng)器,能夠快速感應(yīng)出進入或者出去的人。當(dāng)人們經(jīng)過熱釋電紅外傳感器并且被檢測到時,感應(yīng)探頭會將這一脈沖信號迅速發(fā)送至單片機,控制器經(jīng)過判斷,將會通知電動機進行正轉(zhuǎn),同時控制合適的轉(zhuǎn)速,使電動機能夠以正確的轉(zhuǎn)速運行。整體框圖大致如圖2.2所示。位置給定單片機PWM功率接口電動機負載傳感器接口電流反饋信號正/負位置反饋脈沖絕對零位脈沖圖2.2 自動門框圖2.4 設(shè)計電路的框圖和原理下圖2.3便是系統(tǒng)設(shè)計的硬件組成圖。由89C51型單片機、紅外信號檢測電路、直流電動機正反轉(zhuǎn)控制電路、自動門開關(guān)行程檢測電路、開關(guān)過程故障檢測與故障顯示電路、自動控制與手動控制方式轉(zhuǎn)換電路等數(shù)個
8、控制部分共同組成了一個完整的自動開關(guān)門控制系統(tǒng)。單片機會往復(fù)循環(huán)的進行紅外檢測電路所發(fā)出的脈沖信號,并會根據(jù)實際情況對直流電動機進行控制,從而實現(xiàn)門的開關(guān)。當(dāng)按下手動控制的按鍵時,自動開關(guān)門則會進入手動控制的狀態(tài),由按鈕控制門的開關(guān),熱釋電紅外傳感器會暫時的停止運作。如果突發(fā)意外情況,比如在關(guān)門的過程中遇到人因為搶時間進入導(dǎo)致被夾時,門會立即停止關(guān)閉而轉(zhuǎn)成開門狀態(tài),極大程度上的保證的人員的安全。當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生故障的時候,則會進入故障處理的狀態(tài),由專業(yè)人員對門進行維修與維護,增加的門的安全性與使用壽命。圖2.3表示自動門控制系統(tǒng)框圖。圖2.3 自動門控制系統(tǒng)框圖第三章 主要元器件的介紹3.1 什么是
9、單片機何為單片機?物如其名,就是一種把計算機的部分主要功能都集中在一張微型芯片上的單芯片微機。其核心部件寄存器、運算器、控制器、多種I/O接口及其它部件都被集成在了一個芯片上,集成度非常之高,且結(jié)構(gòu)精密,功能強大,能夠執(zhí)行絕大部分電器所需要的操作。因此把單片機理解成一個不含外設(shè)的計算機都不為過,也就是相當(dāng)于一個只包含主機,沒有其他譬如鍵盤顯示器等外部設(shè)備的微型計算機。圖3.1是單片機的結(jié)構(gòu)框圖。圖3.1 單片機結(jié)構(gòu)框圖重量較輕、占地空間較小、資源消耗少、能耗較低、功能多而強、性價比高、價格低廉,這是單片機從出現(xiàn)至發(fā)展至今一直屹立于中國乃至世界工業(yè)中之林的原因,而同時,由于計算數(shù)據(jù)絕大多數(shù)都是在
10、單片機內(nèi)置的芯片的內(nèi)部路徑之中傳輸,所以運算速度較快,抗干擾能力較強,信息遺失以及泄露概率很低。1971年,第一塊單片機出現(xiàn)以來,這幾十年的時間內(nèi),成長非常快速,如今已經(jīng)在各個領(lǐng)域有了長足的發(fā)展與進步,并且進化出了相應(yīng)的不同的可以滿足其地位需要的型號。單片機內(nèi)部自帶通信接口,還可以與其所在的電子產(chǎn)品的主機共同運作,這樣一來,不僅大幅度提高了單片機的運行速度,而且也對緩解其電子產(chǎn)品的主芯片的工作壓力起到了顯著地功效。因此,在以網(wǎng)絡(luò)通訊為主的各個領(lǐng)域都有了更多的使用以及更加長遠的發(fā)展,同時也對其暫時無法替代的位置起到了鞏固作用。89C51單片機是由世界知名企業(yè)ATMEL制造的一款產(chǎn)品,一般作為系統(tǒng)
11、的控制器使用于各種電氣產(chǎn)品中,因其運算能力強大、編程起來較為靈活、兼容性強(與MCS-51工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)與管之間互相兼容),能夠?qū)崿F(xiàn)多種產(chǎn)品所需要的算法,同時還具備了能耗低、占用體積小、價格實惠性價比高等特性。它在現(xiàn)實生活中運用非常廣泛,各個領(lǐng)域或多或少都有其身影,而這款產(chǎn)品也因為這些優(yōu)點與實用性,被人們熟知。圖3.2表示單片機的外觀與管腳排列。圖3.2 AT89C51、89C2051外形及管腳3.1.1 AT89C51主要特性1、與工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)MCS-51相互兼容,應(yīng)用范圍更為廣泛2、自帶一個4K字節(jié)的閃爍存儲器3、壽命較長,能夠?qū)崿F(xiàn)1000余次的擦寫循環(huán)4、可以長時間保存數(shù)據(jù),一般在10年左右5、采
12、取全部靜態(tài)的工作方式,頻率為0-24H6、能耗較低,大概只有8051單片機的五分之一3.1.2 芯片擦除簡單來說就是把程序刪掉,然后重新寫新程序。89C51單片機支持可選兩種軟件的掉電模式,設(shè)有穩(wěn)態(tài)邏輯,可在低到零頻率的條件下實現(xiàn)靜態(tài)邏輯。CPU在閑置模式時不會運作,但定時器、計數(shù)器、RAM等照常工作。在掉電的情況下,會禁用其他所有芯片的功能,并凍結(jié)其振蕩器,僅僅保留RAM中的內(nèi)容,在下一個硬件復(fù)位的時候,恢復(fù)其正常狀態(tài)。3.2 紅外檢測電路紅外檢測電路核心是熱釋電紅外傳感器,還包含檢測放大電路,因為它不需要接觸就能檢測出紅外能量變化,所以說只要人經(jīng)過探頭,傳感器就能察覺到,然后轉(zhuǎn)化成電信號,
13、驅(qū)動電動機進行開關(guān)門的操作,無需紅外線、電磁波源或是其它的接觸式開關(guān),因為敏感元件阻抗較高,電壓非常弱,所以一般在傳感器內(nèi)部設(shè)置內(nèi)膜電阻,這樣便可以放大信號,現(xiàn)在市場能買到的熱釋電紅外傳感器不容易接收靈敏信號,檢測的距離大概有2米。有人靠近時,熱釋電紅外傳感器會將其轉(zhuǎn)換成電信號,然后將電信號放大處理后傳送給單片機,驅(qū)動電機開門。3.2.1 熱釋電紅外傳感器熱釋電紅外傳感器是專門探測人體輻射的一種感應(yīng)器件,因其價格低廉,使用方便,所以在現(xiàn)實生活中經(jīng)常被用作報警裝置或者一些自動化設(shè)備,比如銀行里的報警裝置、商場里的節(jié)能水龍頭或者吹風(fēng)機等很多產(chǎn)品。因其檢測人體輻射的紅外線時,并不需要與人體的接觸便能
14、將信息轉(zhuǎn)化成電信號從而執(zhí)行一系列的操作,同時還能區(qū)別對象是是生物還是其它物體,所以到現(xiàn)在為止,一直被人們所認可,并且廣泛的使用在自動化、節(jié)能、測控等很多領(lǐng)域。圖3.4是它的內(nèi)部結(jié)構(gòu),圖3.5是實物。圖3.4 熱釋電紅外線傳感器的結(jié)構(gòu)及內(nèi)部電路 圖3.5 實物圖3.2.2 熱釋電效應(yīng)的介紹熱釋電效應(yīng):通俗的來說,就是物體受外界溫度變化的影響,從而導(dǎo)致自身的狀態(tài)發(fā)生改變,這就是熱釋電效應(yīng)。它是一種自然效應(yīng),原理同壓電效應(yīng)有些相似。這種現(xiàn)象能用公式表示:其中,Ps表示物體強度的變化量;P是熱釋系數(shù);T表示溫度的變化。近十年以來,熱釋電效應(yīng)大多被用作探測方面,廣泛的應(yīng)用于溫度、光譜等的測量,軍事方面的
15、報警以及勘測等。隨著我國科技蒸蒸日上的發(fā)展,生產(chǎn)力的日益提高,我國制造的一些紅外攝像管(基于TGSAS晶體)已經(jīng)往國外出口,慢慢的走向世界。因其響應(yīng)范圍較廣,分辨率小,對溫度的靈敏度較高,性價比高,所以在生活中的應(yīng)用越來越廣泛。因其的檢測不需要接觸被測對象,所以在救援方面也有重要的意義。曾經(jīng)發(fā)生地震時,救援人員用此方法能夠即使的發(fā)現(xiàn)被困人員并展開營救,對生命過程有重要意義。原理圖如3.6所示。圖3.6 熱釋電效應(yīng)的形成原理3.3 直流電機直流電機能夠?qū)崿F(xiàn)電能與機械能之間的轉(zhuǎn)換,本文中作為帶動自動門開關(guān)的傳動裝置,將電能轉(zhuǎn)化成機械能實現(xiàn)電動機的正反轉(zhuǎn)從而控制門的狀態(tài)。近幾十年來,機械、電氣、數(shù)字
16、技術(shù)的發(fā)展極其迅速,電動機的存在為它們的發(fā)展奠定了基礎(chǔ),而相關(guān)產(chǎn)業(yè)的進步也為電動機的發(fā)展開拓了越來越廣闊的前景。圖3.7為實物圖。圖3.7 直流電機實物3.3.1 直流電機的特點優(yōu)點:1、 結(jié)構(gòu)較為緊湊,占地面積較小,質(zhì)量輕,移動方便。2、 節(jié)省能源,性能優(yōu)越,運行動靜比較小且穩(wěn)定。3、 可以實現(xiàn)調(diào)速,并且調(diào)速范圍廣而平滑,過載能力強。4、 速比分級精度高,轉(zhuǎn)速型譜寬,其范圍i可以達到228800。5、 適用性強,能在多種場合使用,即使環(huán)境稍微惡劣,依舊不影響正常工作。缺點:1、 制造成本稍高。2、 維護略微困難。綜上所述,雖然直流電動機存在成本稍高,維護困難的缺點,但是整體分析來看,顯然利大
17、于弊,因此選擇直流電機。3.3.2 驅(qū)動控制系統(tǒng)的組成單片機控制直流電動機的話,一般需要脈沖信號、功率放大電路等,圖3.8是其驅(qū)動控制系統(tǒng)。信號分配脈沖信號負載直流電機功率放大圖3.8 驅(qū)動控制系統(tǒng)方框圖直流電動機的結(jié)構(gòu)由轉(zhuǎn)子和定子組成。電動機運行時,旋轉(zhuǎn)的部分成為轉(zhuǎn)子,靜止的部分叫做定子。直流電動機內(nèi)部自帶一個環(huán)狀的磁鐵,其工作原理與線圈在電磁場中受力轉(zhuǎn)動的原理類似。由于磁場的存在,線圈在磁場中受安培力的影響將產(chǎn)生轉(zhuǎn)動,當(dāng)線圈與磁感線平行時,由于換向器存在使得線圈繼續(xù)按一個方向轉(zhuǎn)動。圖3.9為原理圖。圖3.9 直流電動機工作原理電動機根據(jù)信號工作??刂菩盘栍蓡纹瑱C產(chǎn)生。其基本控制作用如下:控
18、制電路模型如3.10圖所示。圖3.10 控制電路模型3.3.3 斬波驅(qū)動斬波驅(qū)動電路是當(dāng)今常見的一種驅(qū)動方式。其基本思想是:將直流電固定成一個不變值。圖3.11是斬波恒流驅(qū)動電路的原理圖,圖中僅為一相的驅(qū)動電路,其余兩相與之相同。圖3.11 斬波恒流驅(qū)動電路原理圖3.4 檢測模塊目前,生活中的檢測裝置包羅萬象,各種功能各類領(lǐng)域的都有,發(fā)展也是如日中天,畢竟現(xiàn)在是一個自動化的時代,所有的設(shè)備與儀器都在往越來越智能化的道路上發(fā)展著。比較常見是在聲音、光線、氣體等方面,其中紅外傳感器的應(yīng)用比較廣泛,采用熱釋紅外傳感器的檢測電路對是否有人需要進出進行檢測,在商業(yè)、農(nóng)業(yè)、軍事、醫(yī)療等各方面都有涉及。它分
19、為:發(fā)射器和接收器,發(fā)射器會不間斷的發(fā)出紅外線,被接收器接收,如果有人或物經(jīng)過時,會擋住紅外線導(dǎo)致接收器接收不到,這時便會執(zhí)行某些特定的操作。本設(shè)計方案在門上裝兩個探測器,導(dǎo)向管會套住發(fā)射管接收管,確保只發(fā)出一束光,且沒有其它光干擾。當(dāng)光線被人阻擋時輸出高電平。兩接收器的輸出端一個接“或”門,一個接“非”門到INT0引腳。這時,不管是進還是出門,INTO端口都會接收低電平信號,單片機可以接收到是否有人,然后調(diào)用程序,執(zhí)行正確開關(guān)門的操作。在極限位置會裝有限位開關(guān)。其作用為:如果磁鐵移動到它旁邊,開關(guān)就會因吸引力使其進行關(guān)閉操作,輸出高電平,反之低電平。當(dāng)自動門移到限位開關(guān)處時,限位開關(guān)就會發(fā)出
20、高電平,電信號將分別輸出給P0.4P0.6三個引腳,單片機判斷三個引腳的信號對應(yīng)哪個限位開關(guān),分析執(zhí)行開門、關(guān)門與變速。圖3.12表示限位開關(guān)的安裝。圖3.12限位開關(guān)檢測模塊第四章 自動開關(guān)門的軟件設(shè)計圖4.1 整體程序流程圖開始系統(tǒng)初始化啟動紅外探測器有人嗎嗎?快速開門有人嗎到半處限位開關(guān)嗎?慢速開門有人嗎到開門限位開關(guān)嗎電機停止延時有人嗎嗎?快速關(guān)門有人嗎?有障礙嗎到半處限位開關(guān)嗎慢速關(guān)門有人嗎有障礙嗎?到關(guān)門限位開關(guān)嗎電機停止延時返回NK1NK4K2K3NNK5YYYYYNNNYNNYK5YYK2K3K4K1YNYN4.1 整體程序流程圖根據(jù)自動開關(guān)門的設(shè)計思路以及功能需求,大概畫出整
21、體的流程圖如圖4.1所示。4.2 直流電機驅(qū)動模塊直流電動機是最早出現(xiàn)的電機,也是最早能實現(xiàn)調(diào)速的電機。長期以來直流電機一直占據(jù)著調(diào)速控制的統(tǒng)治地位。由于它具有良好的現(xiàn)行調(diào)速特性,簡單的控制性能,高的效率,優(yōu)異的動態(tài)特性;盡管近年來不斷受到其他電機的挑戰(zhàn),但到目前為止仍是大多數(shù)調(diào)速控制電動機的最優(yōu)先選擇。4.2.1 PWM驅(qū)動系統(tǒng)PWM,指脈沖寬度調(diào)制,是利用微處理器的數(shù)字輸出來對模擬電路進行控制,通過對一系列脈沖的寬度進行調(diào)制,使方波在頻率固定情況下,方波寬度越大其平均電流越大,方波寬度越小其輸出平均電流越小,通過電流的大小從而改變電機的轉(zhuǎn)速。圖4.2為PWM系統(tǒng)原理圖。圖4.2 PWM系統(tǒng)
22、原理圖4.2.2 繼電器由于直流電機需要正反轉(zhuǎn),來驅(qū)動門的開關(guān)。所以需要兩個繼電器來控制正反轉(zhuǎn)的功能。簡單來說,繼電器是以小電流來控制大電路的器件,能夠很好的保護電路,同時對電路的保護和轉(zhuǎn)換也有著重要的作用。下圖4.3為繼電器實物圖。圖4.3 繼電器4.3 整體電路圖圖4.4 整體電路圖第五章 Altium Designer軟件的系統(tǒng)設(shè)計一個完整系統(tǒng)的設(shè)計,一般都包括電路圖的設(shè)計、繪圖軟件上的仿真、硬件的組裝、軟件設(shè)計與硬件調(diào)試等階段。本次設(shè)計中,采用的軟件為Altium Designer。5.1 軟件的介紹Altium Designer軟件誕生于澳大利亞的Altium公司,能夠在window
23、s系統(tǒng)上運行。該軟件完美的把電路的設(shè)計、繪制、仿真,PCB圖的生成、布線,設(shè)計輸出等功能結(jié)合于一體,并且能夠在windows操作系統(tǒng)上運行,為使用者提供了極大的便利。所以目前許多企業(yè)對電子產(chǎn)品的設(shè)計,學(xué)校里的教學(xué)工作都會使用這款軟件。本設(shè)計主要是原理圖的設(shè)計。本設(shè)計步驟如下:1、 在Altium Designer中繪制電路原理圖。2、 在Altium Designer中加載程序,觀察仿真結(jié)果。5.2 Altium Designer的電路圖繪制1、 打開Altium Designer軟件。界面如下圖5.1所示。圖5.1 界面2、 新建一個工程,步驟如下圖5.2所示。圖5.2 新建工程3、 新建設(shè)計圖,步驟如圖5.3所示。圖5.3 新建設(shè)計圖4、 點擊菜單欄中的放置,選擇器件與圖庫,便可以開始畫圖。如圖5.4所示。圖5.4 畫圖步驟5、 以下是完成后的電路圖。如圖5.5所示。圖5.5 完成圖最后,附上一張模擬自動開關(guān)門的實物圖展示,如圖5.6所示。圖5.6 模擬實物圖結(jié)束語本次自動開關(guān)門的設(shè)計基于單片機89C51,工作原理大概為:由熱釋電紅外傳感器判斷是否有人需要進出并發(fā)出信號,由單片機控制電機的進行門的開關(guān)。通過軟件硬件之間相輔相成的設(shè)計,大體實現(xiàn)了系統(tǒng)的控制
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