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文檔簡介

1、畢業(yè)設計江蘇財經職業(yè)技術學院江蘇財經職業(yè)技術學院綜合畢業(yè)實踐說明書(論文)標題:基于單片機的飲水機溫度控制系統(tǒng)的設計與應用系別 :機械與電子工程系專業(yè) :生產與成本管理學號 :1011204119姓名 :任勝強指導教師 : 劉玲年月日畢業(yè)設計江蘇財經職業(yè)技術學院摘要介紹飲水機的溫度控制系統(tǒng)。 該系統(tǒng)基于單片機進行編程實現(xiàn)飲 水機的智能溫度控制, 在飲水機保溫時候采用雙位調節(jié)的方式進行溫 度控制,控制精度為正負二攝氏度左右, 采用該溫控系統(tǒng)可以使得飲 水機在插電使用中不產生“千滾水” 。保溫的溫度、時間和預加熱時 間可以根據使用習慣進行設定,日常使用更加貼心。關鍵詞 :單片機;溫度控制;減少功耗

2、;健康安全畢業(yè)設計江蘇財經職業(yè)技術學院目錄 TOC o 1-5 h z 摘 要 1目 錄 2 HYPERLINK l bookmark8 o Current Document 第一章 緒論 3引言 3課題意義 3此次設計的主要內容 . 4 HYPERLINK l bookmark10 o Current Document 第二章 硬件的電路設計及原理 4硬件電路設計 . 4測溫電路 5時鐘電路 7飲水機監(jiān)控電路 . 9水量檢測電路 . 9數據保存接口電路 . 11飲水機彩屏顯示模塊 11彩色屏幕顯示的原理及漢字字模的獲取 12即熱式飲水機與智能飲水機的差異 14 HYPERLINK l boo

3、kmark12 o Current Document 即熱式飲水機與傳統(tǒng)飲水機的耗電量對比分析 16 HYPERLINK l bookmark14 o Current Document 第三章 軟件設計 17主程序設計 17雙位調節(jié)控制子程序 18看門狗定時器 . 20 HYPERLINK l bookmark16 o Current Document 結束語 21 HYPERLINK l bookmark18 o Current Document 致謝 22 HYPERLINK l bookmark20 o Current Document 參考文獻 23畢業(yè)設計江蘇財經職業(yè)技術學院第一章

4、緒論1.1 引言自改革開放以來, 中國和世界接軌, 人們的生活水平在不斷的提高, 思想也從原 來的溫飽型生活向享受型生活跟進。 進入二十一世紀后, 家用電器行業(yè)形成了一 個巨大的市場, 且不成上升階段。 而飲水機作為最普通的家用電器, 不僅給我的 生活提供了便利, 還讓我們的生活水平得到了提高。 現(xiàn)今市場上大部分飲用水機 采用熱敏電阻進行溫度控制, 飲水機將水從常溫開始加熱煮沸, 達到一定的溫度 后溫度開關斷開,停止繼續(xù)加熱;隨后溫度慢慢降下,當溫度下降到一定值時, 溫控開關閉合, 飲用水機開始加熱直至煮開沸騰, 但是問題出現(xiàn)了, 如果我們在 喝完水之后出門做事或者忘記切斷電源, 就會使水不斷

5、地燒開, 這樣既會浪費能 源,而且水在反復燒開的環(huán)境下容易產生有毒物質損害人的健康。 因此在這我們 主要討論怎樣 將單片機應用飲水機上,給飲水機設計一個既能夠節(jié)約資源又能 夠保護環(huán)境的溫度控制系統(tǒng),來解決飲水機缺陷。課題意義隨著科技發(fā)展, 人們的生活在不斷地向智能型、 自動便利型發(fā)展, 以此就延 伸出來了單片機這類科技產物。 單片機的應用比較廣泛, 多用于電子產品。 這里 我們就來談談基于單片機的飲水機溫控系統(tǒng)的設計與應用。 現(xiàn)今市場上的飲水機大多價格低廉, 制造簡便。 但是隨著人們的長期使用, 飲水 機的問題也就暴露了出來。浪費資源,損害身體健康擇時最大的缺陷。 傳統(tǒng)的飲水機功能比較單一,

6、只有簡單的溫度控制, 并且不能根據用戶的實際情 況進行自行的設定,十分不便。另外,由于飲水機在通電的情況下,一直處于加 熱狀態(tài),耗電嚴重,不利于環(huán)保。最后,也是飲水機的致命弱點,由于在通電狀畢業(yè)設計江蘇財經職業(yè)技術學院況下,水是在不斷的加熱沸騰易產生有毒物質,對身體的健康有著嚴重的危害。 為了克服這些缺陷,在此設計的基于單片機的飲水機可以很好地解決這個問題。 單片機的應用,可以使飲水機的溫度控制更加精確。避免了產生“千滾水”的現(xiàn) 象。此次設計的主要內容(1)查閱關于基于單片機的飲水機的相關文獻資料,認真分析一些市場上的一 部分飲水機產品, 了解它的原理及其優(yōu)點, 并以一品牌產品作為實例進行介紹

7、分 析。2)根據自己對現(xiàn)有產品的觀察與研究,提出自己的設計方案及原理技術。3)對自己設計出的產品進行調試改進。第二章 硬件的電路設計及原理2.1 硬件電路設計此次設計的系統(tǒng)主要目的是通過顯示屏將時間溫度都以數字的形式呈現(xiàn)出 來,讓使用者更加直觀地知道飲水機當前的使用情況。 另外飲水機在通電保溫時 段可以防止水反復的燒開, 保溫的溫度、 時間和預熱時間可以根據用戶的需求自 由設定。系統(tǒng)硬件如圖 1 所示,此次我將以一款常見的單片機作為實驗對象。 STC89C516R單D 片機具有很強的抗干擾能力, 并且它能很迅速的反應用戶所設定 的要求,最后實現(xiàn)了低能環(huán)保的要求, 總體而言, 基本具備了用戶的日

8、常使用功 能。此系統(tǒng)的工作電壓約為 3.4V 到 5.5V 之間,工作頻率 040MHZ,此系統(tǒng)還畢業(yè)設計江蘇財經職業(yè)技術學院可以進行時鐘周期的選擇, 主要有 12 時鐘/機器周期和 6 時鐘/ 機器周期兩種模 式,系統(tǒng)內部還有自己的智能監(jiān)控設備,以防止在長期插電的情 況下 對飲水機的 壽命損耗。圖 1 系統(tǒng)結構框圖圖 2 飲水機的基本工作原理測溫電路飲水機在通電加熱時, DS18B20 溫度傳感器通過感應裝置對水溫進行測量 并此數據轉換成二進制的數據傳遞給單片機, 單片機再由此數據傳達命令給溫控畢業(yè)設計江蘇財經職業(yè)技術學院裝置,從而來調節(jié)溫度實現(xiàn)水的保溫而不至于反復加熱產生有毒物質。 DS1

9、8B20 僅需要一個引腳來接受和發(fā)送數據, 單片機與其之間用一根數據線進行連接實現(xiàn) 數據交換。 該溫度傳感器測溫范圍比較大, 適用于各個地區(qū)各個環(huán)境使用更加方 便。此測溫器的測量值為零下 55到正 125之間,這樣無論你是使用在北方嚴 寒天氣,還是西部酷熱環(huán)境都是可以適用的。 它的測溫分辨率較高達到了 0.5 , 工作電壓為 3 到 5.5V/DC,在使用時只需測量飲水機內膽水的溫度,就可以將數 據傳遞給單片機, 減少了不必要的外圍元件的使用, 一定程度上節(jié)約了成本。 當 單片機給系統(tǒng)發(fā)送變換溫度命令后, 系統(tǒng)裝置開始啟動溫度轉換, 一般來說, 溫 度轉換的時間與用戶給系統(tǒng)設定的分辨率相關聯(lián),

10、 當分辨率越高時, 它的轉換時 間越長,但是精度會比較高, 而與此相反, 當分辨率越低時, 它的裝換時間越短, 但是它的精度卻降了下來。此系統(tǒng)的分辨率在位和 12 位之間(包括 9 位和 12 位)。為了讓轉換額時間和精度達到最佳完美的狀態(tài)。我們在此次系統(tǒng)軟件編輯 中采用 11 位的設置。另外,本設計所用的器件為了能夠更加符合系統(tǒng)的要求, 它將體積小,低質量,高效率等特點融為于一身。在硬件電路上, DS18B20可以 使用內部電源同時也可以使用外部電源。 外部電源用 35.5V 電源即可。亦可使 用外部電源供電, DS18B20可以從單總線上獲得電源,當信號線處于高電平時, 單片機通過控制能把

11、能量存儲在機器內部的電容里面, 在信號線處于低電平期間 由內部電容提供能量,直到高電平到來再給寄生電容充電。當加熱溫度高于 100 攝氏度時,不能采用寄生電源供電因為此時 DS18B20漏電流比較大, 這樣會使得 機器無法正常使用。 在這我們一般采用外部電源進行連接供電, 這樣是為了確保 系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。電路原理圖如圖 3所示, DS18B20的 DQ腳與單片機的 P1.3 引 腳相連, R1為上拉電阻。在實驗進行時,我們要對飲水機里的水進行加熱測溫。 先將 DS18B20放置在 6mm的不銹鋼保護管中,然后填充硅膠增強導熱性,再放 入加熱膽中,這樣測量效果比較好。江蘇財經職業(yè)技術學院畢業(yè)設計

12、圖 4 溫度控制電路時鐘電路為了讓用戶更加使用方便, 我們必須給它加入一個人性化的設計。 那就是時 鐘電路了,有了這個,我們可讓機器具備隨時加熱,定時加熱,設定加熱時常等 功能了。本設計我們將用實時時鐘芯片 DS1302作為系統(tǒng)的時間計時工具,本時 鐘芯片最大的優(yōu)點是它能將時間精確到秒, 亦可以將時間拉長至年, 這樣你就可 以全年對此系統(tǒng)進行時間設定,還是十分實用。此時鐘芯片的工作電壓僅有 2.5V 5.5V 之間,也算是切合了節(jié)能環(huán)保的主題了。在通電情況下,本芯片可 以對備份電池進行充電, 但并不是時備用電池的電量一直處于飽和的狀態(tài)下, 這 樣一定程度上就延長了備份電池的使用壽命。 當外部電

13、源斷電時, 這個時候就會江蘇財經職業(yè)技術學院畢業(yè)設計啟動備用電池了。 確保飲水機一直處于工作狀態(tài)。 防止了由于斷電給用戶帶來的不便。下圖就是本次設計的時鐘電路的原理圖圖 5 DS130 時鐘電路圖 6 時鐘模塊電路圖8畢業(yè)設計江蘇財經職業(yè)技術學院飲水機監(jiān)控電路本電路主要是通過對出水口的出水量進行監(jiān)控, 然后具體控制飲水機的開關, 比如當系統(tǒng)檢測到飲水機出水口一小時內沒有出水, 那就默認為這個時段沒人使 用此時就會自動斷開連接, 使飲水機不再加熱防止對水進行污染影響健康, 亦能 節(jié)約能耗。 電路如下圖 7 所示。此監(jiān)控系統(tǒng)的原理其實十分簡單, 在設計時我們 就將紅外線傳感器放置在出水口處,當飲水

14、機無人使用時, S 信號微弱, 則放 大器輸出信號不強, 比較器輸出低電平, 三極管截止, 反之,當飲水機有人 使用時, S 信號強, 則放大器輸出信號較強, 比較器輸出高電平, 三極管導水量檢測電路除了對時間電路進行設計,我們還有對水量進行控制。當水進入水膽之后, 壓力傳感器就開始啟動,他會對此時水的重量進行測量并且控制。當水量處于 2 升或者 2 升以上時, 系統(tǒng)內部的報警系統(tǒng)就會響起警告,水量為 1升或者低于 1升的時直接斷電,傳感器在傳輸信號時一般會先將信號進行放大,再與標準的 信號進行比較,將輸出的信號送至單片機。畢業(yè)設計江蘇財經職業(yè)技術學院圖 8 飲水機控制電路該電路由三個運算放大

15、器構成, 由信號放大級和比較級這兩個主要部分組 成,其中比較電路是電路的核心, 當水量檢測電路進行工作時,電路會將采集 過來的壓力信號和標準信號進行比較,另外,還會將模擬信號轉換成數字信號, 最后系統(tǒng)通過這些信息送至單片機來判斷是否需要接通電源。圖 9 剩余水量檢測電路10畢業(yè)設計江蘇財經職業(yè)技術學院數據保存接口電路在飲水機使用過程中難免會出現(xiàn)斷電的情況。 如果沒有智能系統(tǒng), 在突然斷 電時會損毀機器, 減少機器的壽命。 而且如果突然機器處于斷開電源的狀態(tài)導致 飲水機停止工作, 系統(tǒng)中用戶在之前保存的數據都會消失。 比如保溫溫度、 保溫 時間等之前設定過的參數將會丟失, 當你重新通上電時里面的

16、數據內容必須要重 新進行設定。 從而造成使用的不方便。 為了在下次斷電重啟后方便免于重新設定 參數,為了防止掉電丟失, 這個時候就要用到這個數據保存電路了。 本設計采用 AT24C01芯片,它提供 128 字節(jié)的 EEPRO存M儲空間,采用 IIC 總線通信,原理 圖如圖 10 所示。每次用戶進行按鍵設置之后, 系統(tǒng)將自動備份用戶設定的參數, 將改變的數據復制到 AT24C01中,這樣系統(tǒng)在每次重啟時直接從 AT24C01中讀取 相關參數,當你在斷電重啟時不必再進行參數設定,免去了不必 要的麻煩了。圖 10 數據保存接口電路飲水機彩屏顯示模塊本次設計的飲水機采用 TFT 彩屏色彩模式顯示方式,

17、 由于黑白和彩色的像素 點顯示的方式不同, 一個黑白或單色像素點使用的是二進制表示, 彩色像素用的 則是多位二進制數表示。 二進制的位數其實是用于反映像素點的顯示質量的, 位11畢業(yè)設計江蘇財經職業(yè)技術學院數越多,質量越高。二進制的位數有 1位色、 8位色、 16 位色、 24位色和 32位 色供選擇。當然選擇的位數越高顯示效果越好。 現(xiàn)在我的吧顯示器用在飲水機上, 所以并不需要太高的位數, 而且,位數太高單片機反而不能更好的發(fā)揮它的功效。 由于系統(tǒng)采用的是 8 位單片機,所以本設計采用 16 位色表示一個彩色點。下面 的圖 11為就是 1個 16位二進制數所表示一個彩色點的示意圖, 在這個顯

18、示面板 中能夠顯示出三種基本色調, 即紅綠藍。通過對三種顏色的不同比例顏色的調配, 就能顯現(xiàn)出多種顏色,最多可以顯示出 65536 種不同的顏色。圖 11 16 位二進制表示的彩色點示意圖彩色屏幕顯示的原理及漢字字模的獲取通過上面對像素點的解釋, 我們大體也可以了解彩色屏幕像素點顏色的表示 方法了,但是如果你想吧漢字顯示在上面則需要另外的一些方法了, 如果你想要 把一個漢字顯示在彩色顯示屏上, 還需要獲取需要顯示的漢字的字模。 大家應該 都知道,要想顯示出漢字那必須將漢字以點陣組合的形式來完成。 本次在我們的 文字顯示模塊中, 每個漢字均由 16行 16列的點陣組成,即每個字都由 256個點

19、陣組成。一次類推,通過這種方式我們可以將 256 個點陣拼湊出任意一個字符, 亦可以是自己想象出來的圖像, 大大的增加了靈活性, 這里也就可以通過改變像 素點的顏色來實現(xiàn)字體顏色的變化了。12畢業(yè)設計江蘇財經職業(yè)技術學院12 顯示器系統(tǒng)利用行掃描的方法,可以獲取任意一個漢字的字模。例如下圖 13“南”字的示 意圖。我們在書寫時可以對這個漢字進行掃描, 如果有筆畫的就以 1 表示, 沒有 漢字顯示空白的用 0 表示,最后通過對數字 1 以及 0 兩個數字進行不同顏色的染 色就可以顯示出我們想要的漢字了。利用這種方法減輕了設計者的很多麻煩。13江蘇財經職業(yè)技術學院畢業(yè)設計圖 13“南”點陣的示意圖

20、圖 14 顯示模塊電路圖即熱式飲水機與智能飲水機的差異在市面上還有另一種飲水機,那就是即熱式飲水機,如下圖 15 所示。它的 結構和我們這里所研究的飲水機原理不同, 這種飲水機并沒有內膽。 它采用的是 即時加熱的方式, 而且是快速加熱的方式。 這樣就可以做到想喝的時候加熱, 即14畢業(yè)設計江蘇財經職業(yè)技術學院飲即熱。 但是也存在缺點, 這樣雖然能降低能耗節(jié)約資源。 但是卻給用戶帶來不 方便。當用戶想喝熱水的時候才進行加熱煮沸。 浪費了時間和精力。 雖說如此但 是優(yōu)點也是很突出的,由于是即時加熱的方式, 所以一般不會出現(xiàn)千滾水的現(xiàn)象。 做到了健康飲用的好處。 千滾水是死水, 經過多次加熱后的水有

21、益物質基本都消 失了。對人體很不利。 喝了多次煮沸的開水會導致血液中的低鐵血紅蛋白結合成 不能攜帶氧的高鐵血蛋白, 從而引起血液中毒。 當水在高溫下經過反復燒煮沸騰, 水中的物質就會沉淀下來, 就成了水垢, 當用戶喝水時水垢會隨著飲用水一起被 喝進人體內部, 長期飲用會對健康不利, 容易引起腸道疾病。 嚴重的情況下可 能會造成組織缺氧、呼吸急促、胸口沉悶、嘴唇及指甲呈現(xiàn)紫色,或是容易犯困 等現(xiàn)象。產生的水垢對飲水機的壽命也產生了很大的影響,減少了使用率。 相比我們現(xiàn)在所設計的飲水機, 即熱式飲水機還有一個很大的弊端。 不能根據用 戶的需求設定時間, 在家庭使用或者辦公使用時都極不方便。 但是相

22、比智能型飲 水機也有它自己的優(yōu)點,那就是即熱式飲水機比我們設計的飲水機更加節(jié)約電 能。從環(huán)保的節(jié)能角度還是十分出色的 。圖 15 即熱式飲水機的典型結構15畢業(yè)設計江蘇財經職業(yè)技術學院2.10 即熱式飲水機與傳統(tǒng)飲水機的耗電量對比分析這里我們簡單的做一個實驗來證明即熱式飲水機的節(jié)能性。 我們把傳統(tǒng)飲水 機和這飲水機進行科學的實驗對比。 兩個飲水機在相同室溫下同時在通電的狀態(tài) 下加入等量的水進行加熱試驗。 然后每通過一段時間對兩飲水機內的水溫進行測 量記錄,得出了如下表 1的數據供各位進行參考, 下圖為傳統(tǒng)飲水機的測量結果。表 1 傳統(tǒng)飲水機測量結果由表可知傳統(tǒng)的飲水機的水溫一直保持在 90 度

23、以上,很容易就產生了千滾水。而即熱性的只有在使用時才會加熱并且只加熱一次并不會出現(xiàn)千滾水。 即熱型飲水機的測量結果表在此先省略了圖 16 飲水機溫度控制原理圖16江蘇財經職業(yè)技術學院畢業(yè)設計圖 17 某品牌型號的即熱式飲水機第三章 軟件設計主程序設計接下來我們就來介紹怎么將測量出來的數據顯示在顯示屏上。 首先我們將測 量出來的數據參數用傳感器轉換成另一種信號, 再將這種信號與預先設定好的值 進行對比。對比出來的差值經過一個特殊的公式進行轉換, 最后形成一個控制值, 將這個值傳輸到中央系統(tǒng)進行分析下達顯示到彩色屏幕上。 另外一方面系統(tǒng)將這 測量出來的數據傳輸到各個控制系統(tǒng)中, 把這數據與設定值進

24、行對比分析, 系統(tǒng)17畢業(yè)設計江蘇財經職業(yè)技術學院通過這個差值將加溫系統(tǒng)、 時間控制系統(tǒng)進行控制。 考慮到生產成本, 本系統(tǒng)的 控制精度要求不是很高。 這里還有一個很關鍵的系統(tǒng), 那就是刷新系統(tǒng)。 此系統(tǒng) 可以在機器正常工作時, 每隔一段時間對測量出來的參數進行刷新一次, 來保障 機器的正常運行, 經過這樣的控制之后, 飲水機內的水就不會被反復燒開, 防止 了“千滾水” 的形成,達最終也達到了節(jié)約耗能的目的。 下圖為主程序的原理圖。圖 18 主程序原理圖雙位調節(jié)控制子程序現(xiàn)在我們來說說保溫系統(tǒng)的具體操作原理。 當飲水機在正常通電工作時, 加 熱器對水加熱到一定的溫度后, 保溫系統(tǒng)這個時候就開啟

25、了。 通過雙位調節(jié)控制 能夠使得水溫在系統(tǒng)設定的溫度范圍內波動內上下波動, 一般測量的精度為正負18畢業(yè)設計江蘇財經職業(yè)技術學院兩度,當溫度超過這個范圍后系統(tǒng)將斷開繼電器, 進行不再進行加熱升溫; 如果 檢測到水溫低于設定的溫度后閉合開繼電器, 開始進行加熱升溫。 雙位調節(jié)控制 子程序流程圖以及保溫溫度控制圖如下圖所示 。圖 19 雙位調節(jié)控制子程序流程圖圖 20 保溫溫度控制圖圖 21 環(huán)境溫度為 22 ,保溫溫度設定為 60的溫控結果19畢業(yè)設計江蘇財經職業(yè)技術學院看門狗定時器當用戶在使用飲水機的過程中難免會出現(xiàn)突發(fā)的意外, 當系統(tǒng)的使用過程中 受到干擾而失控的時候, 往往會使程序混亂,

26、最后破壞軟件系統(tǒng)。 這時看門狗系 統(tǒng)就起作用了,使系統(tǒng)脫離這種狀態(tài),趨于穩(wěn)定。本系統(tǒng)中就自帶了一個 14 位 的看門狗定時器,此單片機采用 12 時鐘模式時,可以對飲水機的狀況進行實時 監(jiān)控。當出現(xiàn)突發(fā)情況時, 系統(tǒng)默認強制啟動看門狗系統(tǒng)。 讓系統(tǒng)進行重新啟動 或者恢復初始設置來保證系統(tǒng)的安全和飲水機的正常使用。20江蘇財經職業(yè)技術學院畢業(yè)設計結束語以上就是我所設計的基于單片機的智能飲水機, 本設計的飲水機也是依據環(huán) 保節(jié)能的理念還有方便用戶使用的原則的, 此智能飲水機系統(tǒng)是以傳統(tǒng)飲水機為 基礎,然后加入單片機系統(tǒng)從而實現(xiàn)智能化。 在飲水機進行加熱時, 系統(tǒng)會對水 溫進行實時監(jiān)控, 溫度的精度

27、達到正負 2 攝氏度(采用的雙位調節(jié)是一種簡單易 行的控制方式, 具有成本低廉、 可靠性強的特點, 在控制精度要求不是很高的場 合廣泛應用)。低于這個值加熱系統(tǒng)開始工作,反之,高于這個值,加熱系統(tǒng)停 止工作。將水溫恒定的控制在設定的溫度范圍之內, 從而有效的防止出現(xiàn)千滾水 的出現(xiàn),讓用戶更加的健康的飲用。相對于傳統(tǒng)的飲水機是一種很大的進步了。 。本系統(tǒng)采用的屏幕是 1.8 寸的彩色屏, 顯示方式也是現(xiàn)今各種顯示器最常見的 點陣顯示方式。即通過控制每一個點陣發(fā)出的顏色來顯示出想要的漢字或者圖 像。我們還對用戶的界面進行了優(yōu)化, 使其看上去簡單易懂易操作。 這樣用戶在 操作設定加熱溫度、 保溫時間等時可以很輕松的完成, 實現(xiàn)了人性化的特點。 由 于本飲水機的智能系統(tǒng)所采用的單片機以及監(jiān)控系統(tǒng)的價格普遍價格都不高, 所 以整體的飲水機價格也不高, 和傳統(tǒng)的飲水機價格相差無幾, 也算是高性價比了。 以上就是我對智能溫控型飲水機的整體設計和原理介紹了。21畢業(yè)設計江蘇財經職業(yè)技術學院致謝接近一個月的努力, 我的畢業(yè)論文也差不多要暫告收尾了, 與此同時, 我的 學生時代也差不多結束了。 剛來到這個學校時, 自己只不過是一個什么都不懂得 “孩子”在這大學三年的時間里, 至少我的思維能力以及社會認知實踐能力增強 了不少。除了課本上的知識, 我也明白了在

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