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郑州轻工业学院郑州轻工业学院 电子技术课程设计 题 目 简易声光控延时照明灯电路 专业班级 电子信息工程 2010 级 1 班 院 (系) 电气信息工程学院 完成时间 2012 年 06 月 22 日 郑州轻工业学院 课程设计(论文)任务书课程设计(论文)任务书 题目题目 简易声光控延时照明灯电路简易声光控延时照明灯电路 专业专业 电子信息电子信息 10-110-1 学号学号 姓名姓名 主要内容、基本要求、主要参考资料等:主要内容、基本要求、主要参考资料等: 主要内容主要内容 1阅读相关科技文献。 2学习 protel 软件的使用。 3学会整理和总结设计文档报告。 4学习如何查找器件手册及相关参数。 技术要求技术要求 1.要求电路能够通过照明灯开关对光线强弱的感应,控制照明灯第一级开关。 2.要求电路能够通过照明灯开关对声强的感应,在第一级开关开通的前提下,控制照明灯的 亮灭。 3.要求电路能够实现照明灯点亮时间 t 后自动关断,并且时间 t 可以手动调节。 4.要求电路如果在照明灯点亮期间又有新的声源出现,照明灯应重新通电时间 t。 主要参考资料主要参考资料 1何小艇,电子系统设计,浙江大学出版社,2001 年 6 月 2姚福安,电子电路设计与实践,山东科学技术出版社,2001 年 10 月 3王澄非,电路与数字逻辑设计实践,东南大学出版社,1999 年 10 月 4李银华,电子线路设计指导,北京航空航天大学出版社,2005 年 6 月 5康华光,电子技术基础,高教出版社,2003 完完 成成 期期 限:限: 20122012 年年 0606 月月 2222 日日 指指导导教教师师签签章章: 专业负责人签章:专业负责人签章: 20122012 年年 0606 月月 1111 日日 目 录 摘 要i 1.1 解读技术要求 .1 1.2 确定方案 .2 1.2.1 电源电路2 1.2.2 光控电路2 1.2.3 声控延时电路2 1.2.4 照明灯开关电路3 2 电路基本组成及工作原理4 2.1 电源电路4 2.1.1 有关元器件型号选择4 2.2 光控制电路.5 2.2.1 电路原理图及电路功能分析5 2.2.2 电路元件参数整定6 2.3 声控制电路.7 2.3.1 声控电路原理图7 2.3.2 电路功能分析7 2.4 延时控制电路8 2.4.1 延时控制电路原理图 .8 2.4.2 电路的功能分析8 2.4.3 ne555 的简要介绍 .10 2.5 总电路12 3 简易声光控延时照明灯电路的介绍.13 3.1 电路的用途 13 3.2 工作原理 13 1 4 元件清单.14 5 总结.15 致 谢.16 参考文献.17 附 录.18 简易声光控延时照明灯电路 简易声光控延时照明灯电路 摘 要 在本设计中介绍了声光控照明灯控制器的组成、性能、及工作原理,给出各 电路原理图及元件参数选择,节电效果十分明显。白天光照好,不管过路者发出多 大声音,都不会是灯泡发亮。夜晚光暗,电路的拾音器只要检测到有碎发声响,就 会自动亮为行人照明,过几分钟后又自动熄灭,节能节点。本电路采用两级控制 (光线强弱的感应与声强的感应) 。光控电路是根据光线的强弱来优先决定电灯的亮 灭。该电路可以对声控延时电路进行控制,在白天光线较强时,光控电路输出低电 平将声控电路封锁;在晚上光线较弱时,光控电路输出高电平,则声控功能打开。 声控电路中采用了双三极管构成的放大电路,将 mic 转化的电信号连续放大,通过 延时电路实现灯亮及灯亮的时间。 关键词 总电路 工作原理 元件清单 简易声光控延时照明灯电路 1 1 方案提出 1.1 解读技术要求 第一、要求电路能够通过照明灯开关对光线强弱的感应,控制照明灯第一级开 关。 该要求主要针对光控制电路,要使电路能够实现对光线强弱的感应,则应使用 对光线强弱敏感的电子器件,如光敏电阻、光敏二极管等光电传感器。在电路中, 光电传感器根据光线强弱的变化而变化,从而使电路参数发生相应的变化。由于光 控电路的输出状态只有两种:高电平和低电平。因此,光控电路可使用 555 定时器 来实现对电压变化的转换。 第二、要求电路能够通过照明灯开关对声强的感应,在第一级开关开通的前提 下 ,控制照明灯的亮灭。 该要求主要针对声控电路,要使电路能够实现对声强的感应,则应使用对声音 信号敏感的电子器件,如小型驻极电容话筒、压电陶瓷片等声电传感器。由于声电 传感器收集来的声音信号都比较微弱,所以要对信号进行放大处理。又因为声音信 号是连续振荡的不确定信号,为了便于处理,先将信号波形进行整形。利用该信号 可以去控制 555 定时器的触发输入端。另外,由光控电路的输出控制此 555 定时器 的复位端,来决定声控电路的开启与关闭。在这两种控制信号的作用下,达到声音 控制照明灯亮灭的目的。 第三、要求电路能够实现照明灯点亮时间 t 后自动关断,并且可以手动调节。 该要求可以通过处于单稳模式的 555 定时器实现(说明:此处的 555 定时器与 第二条要求中的 555 定时器为同一片) 。对时间 t 的手动调节可利用可变电阻和电位 器来实现。 简易声光控延时照明灯电路 2 1.2 确定方案 简易声光控延时照明电路的总体框图: 声强检测 处理电路 延时控制 电路 图 11 总体框图 1.2.1 电源电路 电源电路主要为控制电路提供工作电压,本设计采用传统的电源电路设计方法, 即降压、整流、滤波、稳压,使电路输出 12v 直流电压供给控制电路。 1.2.2 光控电路 光控电路是根据光线的强弱来优先决定电灯的亮灭。该电路可以对声控延时电 路进行控制,在白天光线较强时,光控电路输出低电平将声控电路封锁;在晚上光 线较弱时,光控电路输出高电平,则声控功能打开。本设计采用光敏电阻和其他电 阻组成的分压电路来控制 555 定时器的触发输入端 2 脚,并且将 555 定时器的 2 脚 和 6 脚连接在一起,通过一电容接地,555 定时器的输出去控制声控电路中的 555 定时器的复位端。 1.2.3 声控延时电路 该电路主要在光线较弱时起作用。这主要是通过光控电路的输出来控制的。在 白天,该电路在光控电路的控制作用下,处于关闭状态,对任何声音信号都不响应; 在晚上,光控电路将该电路的功能打开,使得该电路能根据外界声音信号作出相应 的响应。本设计采用微型麦克风作为声电转换元件,并加入了两级信号放大电路和 倍压整流电路来对声音信号进行处理,经处理后的声音信号控制处于单稳工作模式 的 555 定时器来实现声控及延时功能。 电源电路 光强检测 处理电路 照明灯开关 电路 简易声光控延时照明灯电路 3 1.2.4 照明灯开关电路 该电路受声控电路 555 定时器输出端的控制。当其输出低电平时,继电器开关 保持断开,由于照明灯与继电器串联,所以灯熄灭;当其输出高电平时,继电器开 关吸合,照明灯点亮。 简易声光控延时照明灯电路 4 2 电路基本组成及工作原理 2.1 电源电路 图 21(电源电路图)的原理:直接从电网供电,通过变压器电路、整流电路、 滤波电路和稳压电路将电网中的 220v 交流电转化为+12v 的直流电压。电路中变压 器的常规铁心变压器,整流电路采用二极管桥式整流电路,c9、c10、c11和 c12完成 滤波功能,稳压电路采用三端稳压集成电路来实现。 t vinvout gnd mc78l12cp d 0.1uf c8 0.1uf c10 470uf c7 47uf c9 12v 1 4 3 2 +12v 220v 图 2-1 电源电路原理图 2.1.1 有关元器件型号选择 mc78l12cp,是精密稳压 ic,三端稳压 12v 的。该系列稳压器有过流、过热 和调整管安全工作区保护,以防过载而损坏。用它来组成稳压电源只需很少的外围 元件,电路简单,且安全可靠。 正常输出 直流电压 (v) 输出电压变 化范围 (v) 输入电压允 许范围(v) 输出电流 (a)电压调整 率 简易声光控延时照明灯电路 5 表 3-1 集成三端 稳压器 mc78l12cp 的有关参数 2.2 光控制电路 该电路将外界的光强变化转化为电路输出电平的变化,其输出的电平信号控制 声控延时电路,从而实现对照明灯亮灭的控制。 2.2.1 电路原理图及电路功能分析 通过对技术要求的解读可知,该电路可由光敏电阻和普通电阻组成的分压电路及一 片 555 定时器来实现,其原理电路图如图 22 所示。图中 rl 为光敏电阻,在光线 较弱或者是无光照射时,光敏电阻 rl 呈高阻状态,有 rlr10+rp1,使得 555(1)的触发输入端 2 脚和阈值输入端 6 脚均为低电平即均小于 1/3vcc,则 555(2)输出高电平,将声控延时电路打开,使得继电器开关电路的开闭由声控延 时电路控制;在有光照射时,rl 呈低阻状态,有 rl+r9r10+rp1,电容 c8通过 r8、r10、rp1回路放电,其 两端电压 vc 下降,当下降到低于 1/3vcc 时,555(1)输出高电平,声控延时电路 开启。 基于以上分析可知,开始时,电路输出为高电平,电容 c8充电到电压为 2/3 vcc 时,电路输出发生反转,此后,只要光线的强弱变化不大,则电路的输出维持低电 平;若光线较弱,则电容 c8放电,当电压 vc 下降到 1/3vcc 时,电路发生反转,输 简易声光控延时照明灯电路 7 出高电平,同样,只要光线强弱变化不大,则电路的输出维持高电平。因此, 555(1)工作在施密特触发器模式。 2.2.2 电路元件参数整定 光敏电阻 rl 的选择要求是亮阻与暗阻相差倍数愈大愈好。经查资料,mg45-14 型光敏电阻满足要求,其最大亮阻(10k)与最小暗阻(10m)相差 1000 倍,反 应时间小于 20ms。下面利用这两个阻值来确定 r8、r9、r10的值。 在光线较强时,rl=10 k,此时应有,555(1)的 2 脚和 6 脚的电压大于 2/3vcc,假设就等于 2/3vcc,并将电位器的取值定为 100 k,则有 vcc(r10+rp1)/(rl+r9)+(r10+rp1)= 2/3vcc (2-1) 当 rp1=100 k 时,有 2r9-r10=80(k) (2-2) 若取 r10=51k,则 r9=15k。 确定 r8的值,使得在 rl 最小时,电路中的电流不超过 555 定时器的最大允许 电流就行了。取 r8=10k。r8 r10均采用 1/8w 金属膜电阻,如 rj45-1/8w;rp1 采用 wh 系列碳膜电位器,如 wh148 型。电阻与电源电路中一样,电容 c8用铝电 解电容,耐压值为 16v 就能满足要求,即可采用 cd11-16v 型;为使电路的充放电 时间常数尽量小,则电容的 c8容值要取得小一些,可取为 100f。电容 c7一般用 0.01f 的普通独石电容,如 103m/50v 型。 2.3 声控制电路 该电路受光控电路的控制,在外界光线较强时,该电路不起作用;在光线较弱 时,该电路受外界声音信号的控制,其输出直接控制继电器开关电路。 2.3.1 声控电路原理图 简易声光控延时照明灯电路 8 图 23 声控制电路 2.3.2 电路功能分析 mic 接收到足够的声强时,电路产生谐振并输出一个微弱脉冲,从而将声音信 号转换为电信信号。 mic 输出信号是一个非常微弱的信号,为了后续电路能够对声强信号进行处理, 必须加入信号放大电路。图中所示信号放大电路是由电阻 r1r4、t1、t2和 c1 c3构成,电路中采用了双三极管构成的放大电路,这样可以使电路的放大的倍数比 单管当打电路的倍数增加 b 倍,从而得到适合的信号。r2和 r3为放大电路的集电 极偏置电阻,c1和 c2为放大电路的滤波电容。r1和 r4为放大电路的反馈电阻,它 们的功能是保证放大电路有一个稳定的静态工作点和稳定的输出电压,c3的作用是 减小电路中加入反馈电阻对放大倍数的影响。电路中的延时控制电路一般采用电平 信号触发,因此有必要对放大的交流信号进行整流。上图中采用了由 c4、d1和 d2 t1 t2 300k r1 4k r2 2k r3 2k r4 47uf c1 10uf c3 10uf c4 10uf c2 d2 d1 mic v +12v 光光光光光光光光t3光光) 简易声光控延时照明灯电路 9 构成的倍压整流电路,倍压整流电路不但能够完成整流的任务,同时还可以将输出 电压增大一倍,这样当 mic 接受到了足够大的胜强后,声强信号处理电路通过放大 和整流就输出了一个高电平信号 v。 2.4 延时控制电路 2.4.1 延时控制电路原理图 图 2-4 延时控制电路原理图 2.4.2 电路的功能分析 延时控制电路的核心部分是 555 集成电路,555 集成电路时一种非常有用的, 并且应用十分灵活的集成电路。555 集成电路的引脚图和功能表如图所示,集成电 路共有 8 个引脚,引脚 1 为接地端,引脚 8 为电源端,引脚 2 为触发电平端,引脚 3 为输出端,引脚 4 为清零端,引脚 5 为控制电平端,引脚 6 为阀值输入端,引脚 7 为放电端。从功能表中可以看出:555 集成电路通过改变 thr 和 trig 端的电压 thr 6 dis 7 trig 2 r 4 q 3 cvolt 5 vcc 8 gnd1 ne555(2) u1 c6 0.01uf c5 47uf k r6 光光光光 r5 4k r7 10k d3 t5 c8 100uf c7 0.01uf r9 15k r8 10k r10 51k 光光光光 rl rp1 100k vcc 8 r 4 thr 6 trig 2 dis 7 cvolt 5 gnd1 q 3 u2 ne555(1) t4 t3 ds? 光光 50hz 220v +12v 简易声光控延时照明灯电路 10 值,来影响输出端和放电短的状态;同时它还具有储存信号的功能,因此 555 集成 电路的应用十分广泛。需注意是控制电平端 cv01t,当它接入任意电压 vcv01t 时, thr 和 trig 端的变化分界点就不再是(1/3)vcc 和(2/3)vcc,而是(1/2) vcv01t 和 vcv01t。 如图所示,延时控制电路包括两部分:第一部分是由三极管构成的触发信号产 生电路;第二部分是由 555 定时器构成的可重复触发的单稳态电路。 首先,声强信号处理电路的输出信号接 v 接三极管 t3的基极。因为 mic 接收 到了足够大的声强后,v 为高电平,则三极管 t3饱和,使三极管 t3的集电极和发 射极之间的 vce 约为 0.3v,vce 接入 555 集成电路的 trig 端作为触发电平。555 集 成电路构成的可重复触发的单稳态电路处于稳态时,vthr(1/3) vcc,q=0,放电管导通。当 vtrig=vce=0.3v 时,电路进入暂稳态,此时 q=1,放电管 截止。同时直流电源通过可变电阻 r6对电容 c5充电,使得 vthr 的值渐渐上升,当 vthr 的值大于(2/3)vcc 时,电路重新进入稳态,q=0,放电管导通。电路暂稳态 的持续时间,即 c5的充电时间取决于可变电阻 r6和电容 c5的数值,其计算公式为 (设可变电阻 r6=1m): t=tw=1.1r6*c5=(1.1*1000000*47)/1000000=51.2s (2-3) 当 mic 持续接收到足够大的声强时,那么 v 一直为高电平,t3始终饱和导通,vce 持续为 0.3v。这样使 t4 始终导通,电容 c5就可以 t4进行放电,电路将无法对电容 c5进行充电。这样电路就一直处于暂稳态,知道声强信号消失,电路才能重新进入 稳态,从而可以满足设计要求。 由于照明灯通过的是大电流,直流电源一般无法提供大电流和大功率,因此照 明灯需要交流供电,因此电路中开关需要采用继电器电路。而一般 555 定时器的输 出无法驱动继电器,因此需要加入放大电路。图 2-4 中三极管 t5构成电流放大电路。 t5为共集电极电路,当输入为高电平时,三极管到通并饱和,输出电流放大 b 倍; 当输入为低电平时,三极管截止,没有电流通过。继电器接 t5的集电极,当电流驱 动时,开关吸合,照明灯通电;当没有电流通过时,开关断开,照明灯不通电,同 时在继电器两端并联二极管以利保护。 2.4.3 ne555 的简要介绍 图 2-4-1 为 555 集成电路的引脚图: 简易声光控延时照明灯电路 11 thr 6 dis 7 trig 2 r 4 q 3 cvolt 5 vcc 8 gnd 1 ne555 图 2-4-1 555 集成电路的引脚图 555 集成电路的功能表 阈值输入 thr 触发输入 trig复位端 输出端 q 放电管 dis 任意值任意值00导通 (2/3)vcc(1/3)vcc10导通 (1/3)vcc1不变不变 第一、ne555 的主要特点 1. 只需简单的电阻器、电容器,即可完成特定的振荡延时作用。其延时范围极广, 可由几微秒至几小时之久。 2. 它的操作电源范围极大,可与 ttl,cmos 等逻辑电路配合,也就是它的输出电 平及输入触发电平,均能与这些系列逻辑电路的高、低电平匹配。 3. 其输出端的供给电流大,可直接推动多种自动控制的负载。 4. 它的计时精确度高、温度稳定度佳,且价格便宜。 第二、ne555 的引脚位配置 pin 1 (接地) -地线(或共同接地) ,通常被连接到电路共同接地。 pin 2 (触发点) -这个脚位是触发 ne555 使其启动它的时间周期。触发信号上缘电压 简易声光控延时照明灯电路 12 须大于 2/3 vcc,下缘须低于 1/3 vcc 。 pin 3 (输出) -当时间周期开始 555 的输出输出脚位,移至比电源电压少 1.7 伏的高电 位。周期的结束输出回到 o 伏左右的低电位。于高电位时的最大输出电流大约 200 ma 。 pin 4 (重置) -一个低逻辑电位送至这个脚位时会重置定时器和使输出回到一个低电 位。它通常被接到正电源或忽略不用。 pin 5 (控制) -这个接脚准许由外部电压 改变触发和闸限电压。当计时器经营在稳定或振荡的运作方式下,这输入能用来改变 或调整输出频率。 pin 6 (重置锁定) - pin 6 重置锁定并使输出呈低态。当这个接脚的电压从 1/3 vcc 电 压以下移至 2/3 vcc 以上时启动这个动作。 pin 7 (放电) -这个接脚和主要的输出接脚有相同的电流输出能力,当输出为 on 时为 low,对地为低阻抗,当输出为 off 时为 high,对地为高阻抗。 pin 8 (v +) -这是 555 个计时器 ic 的正电源电压端。供应电压的范围是+4.5 伏特(最 小值)至+16 伏特(最大值)。 第 3、参数功能特性 供应电压 4.5-18v; 供应电流 3-6 ma ; 输出电流 225ma (max) ; 上升/下降时间 100 ns。 2.5 总电路 简易声光控延时照明灯电路 13 thr 6 dis 7 trig 2 r 4 q 3 cvolt 5 vcc 8 gnd1 ne555(2) u1 t3 c6 0.01uf c5 47uf k r6 光光光光 r5 4k r7 10k d3 t5 +12v t1 t2 300k r1 4k r2 2k r3 2k r4 47uf c1 10uf c3 10uf c4 10uf c2 d2 d1 mic v c8 100uf c7 0.01uf r9 15k r8 10k r10 51k 光光光光 rl rp1 100k ds 光光 t4 50hz 220v vcc 8 r 4 thr 6 trig 2 dis 7 cvolt 5 gnd1 q 3 u2 ne555(1) t vinvout gnd mc78l12cp d 0.1uf c8 0.1uf c10 470uf c7 47uf c9 12v 1 4 3 2 +12v 220v 图 2-5 简易声光控延时照明灯电路原理总图 3 简易声光控延时照明灯电路的介绍 简易声光控延时照明灯电路 14 3.1 电路的用途 这种方法设计出的电路,节能和实用。它可在楼道、走廊和门口用作照明灯, 夜间有人上、下楼时,照明灯会自动点亮,并延时一段时间后,灯会自动熄灭;白 天照明灯不会点亮。 3.2 工作原理 光线较弱或者是无光照射时,光敏电阻 rl 呈高阻状态,有 rlr10+rp1,使得 555(1)的触发输入端 2 脚和阈值输入端 6 脚均为低电平即均 小于 1/3vcc,则 555(2)输出高电平,将声控延时电路打开,使得继电器开关电路 的开闭由声控延时电路控制;在有光照射时,rl 呈低阻状态,有 rl+r9(2/3) vcc.使 q 端输出为 1,间 接使 t5导通,线圈产生磁场吸合开关,让其闭合,照明灯亮。此时 dis 截止,使 c5充电,当其两端电压大于(2/3)vcc 时,vtrig(1/3)vcc。使 555 定时器的输出 端为 0,及使开关断开(放电的过程) 。当 vtrig(1/3)vcc,vthr(2/3) vcc,555 定时器的 3 端保持,照明灯电路不亮,达到延时的功能。 调节变阻器 r6的大小可以改变照明电路的照明时间。当在次给其一生源时, 重复上述过程,则照明灯还会再次点亮。从而达到声光双控延时照明灯电路的目的。 简易声光控延时照明灯电路 15 4 元件清单 器件名称标号大小型号数量 r1300k1 r2,r54k2 r3,r42k2 r810k1 r915 k1 r1051 k rj45-1/8w 1 电阻 r6可变电阻 1 c1,c5,c947uf3 c2c410uf cd11-16v 3 c6,c70.01uf103m/50v2 c8100ufcd11-16v1 c11470uf470u/25v1 电容 c10,c120.1 uf104m/50v2 二极管d1d3in41483 整流桥堆dbridge11 t1t3,t590134 三极管 t490121 光敏电阻rl 亮阻10 k 暗阻10 m mg451 u3mc78l12cp1 集成电路 u1、u2ne5552 变压器t220v-12v-1a1 电位器rp1100 kwh1481 照明灯ds220v/5w1 麦克风mic1 过电流继电器krelay-spst1 简易声光控延时照明灯电路 16 5 总结 我设计的课题是简易声光控延时照明灯电路,经过一个星期的思考和准备制作, 通过对课题的设计,大大提高了自己各方面的能力,例如对书本基础知识的掌握程 度,对资料的查找方法,对自己知识面的扩展都不得有相对的提高,但在这其中, 也有自己茫然和不知所措的一面,当我拿到课题时,不知怎样开始,头脑中也一片 空白,后来经过小组对课题的讨论,头脑中才逐渐有了轮廓。 在资料搜集上我花费了大量时间,采集的资料不能从头至尾的抄写,而要取其 所需,认为有价值的材料才能引用。在图书管,获得了第一手资料后,随后在网上 简易声光控延时照明灯电路 17 查阅,然后在其中加入自己的思想,组织整理,渐渐有了头绪。我知道,万事开头 难,只要把前段工作做好了,后面自然就可以顺利很多了。 通过对该题目的设计,我对 555 定时器的应用有了全面而深刻的认识,对设计 电路的思想方法也有了新的认识。在设计过程中所遇到的难题,凭借自己的能力都 能加以解决,感觉自己真的学到了很多东西,不仅仅是在知识层面上,更重要的是 思想上的认识。我想,不仅仅是做课程设计,做其他的事也一样,只要在思想上有 全面的认识,细节上加以足够重视,遇到困难能够耐心地去分析解决,那么就没有 什么事情做不好。 经过这一次设计,感觉到平时的粗心大意,以及不完善的理论知识让我有的时候 更是一头雾水,但我在制作电路的过程中感觉到了一种力量,那种力量可以让我废 寝忘食的不断改善电路,可以让我深夜写着课程设计说明书。这次课程设计不仅让 我有了一次实践的机会,让我学会怎样去面对制作过程中遇到的困难,怎么去解决, 让我学会了思考,让我隐隐约约记忆起以前学过的知识,原来学不懂的模电知识, 现在让我在实际应用中又掌握了好多。 在本次设计过程中,通过查阅资料,阅读文献,我学到了很多切实有用的分析 方法和技巧,这对于我以后的学习有很大的帮助。这更使我认识到,学习学的是方 法,设计学的是思想。因此,要多总结别人的方法,来形成自己的思想,这样学到 的东西才实实在在。 致致 谢谢 本课题在研究过程中是在黄老师的亲切关怀和悉心指导下完成的。她严肃的科 学态度,严谨的治学精神,精益求精的工作作风,深深地感染和激励着我。从课题 的选择到项目的最终完成,黄老师都始终给予我细心的指导和不懈的支持。黄老师 不仅在学业上给我以精心指导,同时还在思想、生活上给我以无微

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