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基于51单片机的实验室环境监测系统设计摘要随着经济发展,各行各业需要监测湿温度的场合越来越多。测量温湿度的传统的方法是用毛发湿度计、干湿度表、温度计和湿度试纸等测试器材,人工进行检测记录,这种人工测试方法效率较低,费时费力且测试的温度和湿度随机性大、误差大。而现有的湿温度监测系统多是采用有线传输,不仅要敷设大量的电缆,而且电源线,控制线,信号线混在一起,可能会出现相互之间的干扰。尤其是当监测点过多时,布线复杂,有传输的问题会更严重。因此需要建立一套稳定可靠,管理科学,高效率的无线温度、湿度监测系统。本文采用AT89S51单片机为控制核心,由DHT11温湿度传感器及1602字符型液晶模块构成温湿度采集及实时显示系统,实现对测量对象的温湿度精确测量与自动控制。本系统由上位机和下位机构成,下位机主要完成实验室温湿度的采集与处理,将其传至1602液晶显示,并做出判断实现超限报警。同时,下位机还通过RS232总线将温湿度数据传至上位机,上位机可实时显示当前的温度与湿度值。实验结果表明,该系统电路简单、工作稳定、集成度高,调试方便,测试精度高,具有一定的实用价值。关键词:单片机;温湿度;AT89S51;自动控制

目录摘要 I1绪论 32温湿度测量系统方案设计 32.1系统总体设计 32.2系统的整体构架 33系统硬件设计 43.1主控模块 43.1.1单片机AT89S51简介 43.1.2单片机AT89S51最小系统 53.2显示模块 63.2.11602液晶简介 63.2.21602液晶显示特性 63.2.31602液晶物理特性 73.2温湿度采集模块 73.2.1DHT11温湿度传感器简介 73.3.2DHT11引脚及接口 83.3键盘模块 83.3.1键盘控制电路 83.3.2各功能键作用分配 93.4报警模块 93.4.1报警电路接口 103.4.2蜂鸣器工作原理 104系统软件设计 104.1主程序设计 114.2温湿度采集子程序设计 124.3液晶显示子程序设计 175电路仿真及AM2302时序捕捉 18结论 20致谢 21参考文献 221绪论近几年,计算机技术、传感器技术以及互联网技术得到很大的进步,监控系统被广泛应用于生产生活等各个领域,空气湿度与温度的无线监测系统属于监控系统的一部分。因此,温湿度监测技术的发展在软件和硬件等方面都取得了一定的进步。目前,大多数实验室采用人工检测与控制的方法监控实验室的温度和湿度,控制精度不高而且往往不够及时,很容易造成物料的损失;而且人工效率低、易出错、劳动强度大,不仅增加了生产成本,浪费了人力资源,又很难达到较好的效果。由于计算机控制系统发展的速度加快,具有能够设定希望的数值和同时监控制多个实验室等优点,非常适合于控制温湿度的设备。性价比高的AT89C52单片机给计算机在仓储自动化方面的应用提供了硬件基础和物质条件。借鉴单片机在工业上广泛应用的经验,将其应用在仓储上也更为方便。本文基于AT89S51的单片机温湿度监控系统对实验室的温湿度进行采集,科学合理地调节实验室内的温度、湿度,并及时进行处理,对减少物料损耗有着重要的现实意义。2温湿度测量系统方案设计2.1系统总体设计温湿度测量系统设计主要是基于单片机对数字信号的高敏感性和可控性、温湿度传感器可以产生模拟信号等,本系统主要包括主控模块、温湿度采集模块、显示模块、报警模块、键盘模块以及系统软件等部分的设计。2.2系统的整体构架本系统采用本系统采用美国Atmel公司生产的AT89S51单片机[13]作为控制核心,对温湿度传感器采集到的温湿度数字信号进行分析处理,然后输出到LCD液晶显示器显示其温、湿度值。本设计可以通过键盘手动设置温度/湿度的上、下限值,该设定值为系统阈值。温湿度传感器将检测到的值传输给单片机,通过分析比较,当检测数值超出阈值时,驱动蜂鸣器报警,以便管理人员及时切断电源,实现系统的保护。系统硬件结构框图见图2-1。3系统硬件设计实验室温湿度智能化控制系统的硬件系统主要由主控模块、显示模块、温湿度采集模块、串口通信模块、键盘模块和报警模块组成(如图3.1)。图3.1系统原理图3.1主控模块本系统主控模块采用美国Atmel公司生产的AT89S51单片机作为控制核心,通过DHT11温湿度传感器专用的数字模块采集技术和温湿度传感技术,把采集到的温/湿度数字信号输出到1602LCD显示器,以显示其温/湿度值。本设计可以手动设置温度/湿度的上、下限值,只要有一样与设定的值不符合时,即温度/湿度过高或过低,则该系统会发出蜂鸣报警,并且自动启动空调设备进行去湿干燥工作,实现系统的智能化。3.1.1单片机AT89S51简介单片机AT89S51是一种低功耗、高性能的CMOS8位微控制器,具有8K在系统可编程Flash存储器,采用的工艺是Atmel公司的高密度非易失存储器技术;片上Flash允许程序存储器在系统可编程,亦适于常规编程器;在单芯片上,拥有灵巧的8位CPU和在系统可编程Flash,使得AT89S51为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、有效的解决方案,具有价格低廉、性能可靠、抗干扰能力强等特点。3.1.2单片机AT89S51最小系统图3.2AT89S51最小系统原理图AT89S51引脚功能说明:VCC:电源GND:接地P0口:P0口是一个8位漏极开路的双向I/O口。作为输出口,每位能驱动8个TTL逻辑电平。对P0端口写“1”时,引脚用作高阻抗输入。当访问外部程序和数据存储器时,P0口也被作为低8位地址/数据复用。在这种模式下,P0具有内部上拉电阻。在flash编程时,P0口也用来接收指令字节;在程序校验时,输出指令字节。程序校验时,需要外部上拉电阻。P1口:P1口是一个具有内部上拉电阻的8位双向I/O口,p1输出缓冲器能驱动4个TTL逻辑电平。对P1端口写“1”时,内部上拉电阻把端口拉高,此时可以作为输入口使用。作为输入使用时,被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因,将输出电流(IIL)。此外,P1.0和P1.2分别作定时器/计数器2的外部计数输入(P1.0/T2)和时器/计数器2的触发输入(P1.1/T2EX),具体如下表所示。在flash编程和校验时,P1口接收低8位地址字节。P2口:P2口是一个具有内部上拉电阻的8位双向I/O口,P2输出缓冲器能驱动4个TTL逻辑电平。对P2端口写“1”时,内部上拉电阻把端口拉高,此时可以作为输入口使用。作为输入使用时,被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因,将输出电流(IIL)。在访问外部程序存储器或用16位地址读取外部数据存储器(例如执行MOVX@DPTR)时,P2口送出高八位地址。在这种应用中,P2口使用很强的内部上拉发送1。在使用8位地址(如MOVX@RI)访问外部数据存储器时,P2口输出P2锁存器的内容。在flash编程和校验时,P2口也接收高8位地址字节和一些控制信号。P3口:P3口是一个具有内部上拉电阻的8位双向I/O口,P2输出缓冲器能驱动4个TTL逻辑电平。对P3端口写“1”时,内部上拉电阻把端口拉高,此时可以作为输入口使用。作为输入使用时,被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因,将输出电流(IIL)在flash编程和校验时,P3口也接收一些控制信号。RST:复位输入。晶振工作时,RST脚持续2个机器周期高电平将使单片机复位。看门狗计时完成后,RST脚输出96个晶振周期的高电平。特殊寄存器AUXR(地址8EH)上的DISRTO位可以使此功能无效。DISRTO默认状态下,复位高电平有效。EA/VPP:访问外部程序存储器控制信号。为使能从0000H到FFFFH的外部程序存储器读取指令,EA必须接GND。为了执行内部程序指令,EA应该接VCC。在flash编程期间,EA也接收12伏VPP电压。XTAL1:振荡器反相放大器和内部时钟发生电路的输入端。XTAL2:振荡器反相放大器的输出端。3.2显示模块液晶显示器(LCD)具有功耗低、体积小、重量轻、超薄等许多其它显示器无法比拟的优点,近几年来被广泛用于单片机控制的智能仪器、仪表和低功耗电子产品中。单片机可以通过数据总线与控制信号直接采用存储器访问形式、I/O设备访问形式控制该液晶显示模块。本设计采用1602液晶屏,液晶显示的原理是利用液晶的物理特性,通过电压对其显示区域进行控制,通电后就可以显示出图形、文字。在本设计中,应用1602显示方便且工作稳定。3.2.11602液晶简介1602字符型液晶是工业字符型液晶,能够同时显示16×2即32个字符(16列2行)。注:为了表示的方便,后文皆以1表示高电平,0表示低电平。3.2.21602液晶显示特性(1)单5V电源电压,功耗低、寿命长、可靠性高;(2)内置192种字符(160个5×7点阵字符和32个5×10字符);(3)具有64个字节的自定义字符RAM,可自定义八个5×8点阵字符;(4)显示方式:STN、半透、正显;(5)驱动方式:1/16DUTY,1/5BIAS;(6)视角方向:6点;(7)背光方式:底部LED;(8)通讯方式:4位或8位并口可选;(9)标准的接口特性,适配MC51和M6800系列MPU的操作时序。3.2.31602液晶物理特性表3.11602液晶物理特性外形尺寸80×36×14(mm)可视范围64.6(W)×16.0(H)显示容量16字符,2行点尺寸0.55×0.75(mm)点间距0.08(mm)3.2温湿度采集模块比较传统的模拟温度湿度传感器,和硬件设计要求在本设计中采用DHT11数字式温湿度传感器。3.2.1DHT11温湿度传感器简介DHT11数字温湿度传感器是一款含有已校准数字信号输出的温湿度复合传感器,它应用专用的数字模块采集技术和温湿度传感技术,确保产品具有极高的可靠性与卓越的长期稳定性。DHT11传感器包括一个电阻式感湿元件和一个NTC测温元件,并与一个高性能8位单片机相连接。因此该产品具有品质卓越、超快响应、抗干扰能力强、性价比极高等优点。每个DHT11传感器都在极为精确的湿度校验室中进行校准。校准系数以程序的形式储存在OTP(OneTimeProgramable)内存中,传感器内部在检测信号的处理过程中要调用这些校准系数。单线制串行接口,使系统集成变得简易快捷。超小的体积、极低的功耗,信号传输距离可达20米以上,产品为4针单排引脚封装,连接简单方便,使其成为各类应用场合的最佳选择。3.3.2DHT11引脚及接口图3.4DHT11引脚及接口原理图表3.3DHT11引脚功能表引脚名称注释1VDD供电3—5.5VDC2DATA串行数据,单总线3NC空脚,请悬空4GND接地,电源负极3.3键盘模块键盘分为独立式键盘和矩阵式键盘。在本设计中由于按键较多,因此选用矩阵式键盘。3.3.1键盘控制电路本系统中键盘的作用是实现人机交互功能,通过键盘设置温度/湿度的上、下限值。键盘控制电路如下图所示:图3.5键盘控制电路3.3.2各功能键作用分配(1)开/关机键:主要控制硬件系统的开/关机(2)数字设置键:S0和S1分别为温度1+和温度1-,用来设置温度的下限值;S2和S3分别为湿度1+和湿度1-,用来设置湿度的下限值;S4和S5分别为温度2+和温度2-,用来设置温度的上限值;S6和S7分别为湿度2+和湿度2-,用来设置湿度的上限值。当传感器采集到的温度、湿度值中有一样超出所设定的区间,即温度/湿度过高或过低,则该系统会发出蜂鸣报警并启动空调系统。(3)复位键:在测温湿度过程中,若需要中断正在运行的测试状态,则按下复位键,系统重新初始化。另外,在设定实验室允许的温湿度上、下限值时,若一不小心输入错误,想重新输入,则亦可按复位键进行修改。(4)开报警键:SE为开报警键,当温/湿度值超过设定值而报警时,则可以按该键取消报警。(5)关报警键:SF为关报警键,用来关闭蜂鸣报警。3.4报警模块本系统采用蜂鸣器作为报警装置,蜂鸣器是一种一体化结构的电子讯响器,采用直流电压供电,广泛应用于计算机、打印机、复印机、电子玩具、报警器等电子产品中作发生器件。在单片机应用的设计上,很多方案都会用到蜂鸣器,大部分都是使用蜂鸣器来做提示或报警,比如按键按下、开始工作、工作结束或是故障等等。3.4.1报警电路接口图3.6三极管驱动的蜂鸣音报警电路3.4.2蜂鸣器工作原理本设计采用峰鸣音报警电路,其工作过程就是把传感器采集的数据通过单片机处理后,与该参数上下限给定值进行比较,如果高于上限值(或低于下限值)则进行报警,否则就作为采样的正常值进行显示。在本系统中峰鸣音报警接口电路的设计采用压电式蜂鸣器,通过AT89S51的1根口线经驱动器驱动蜂鸣音发声。压电式蜂鸣器约需10mA的驱动电流,可以用一个晶体三极管驱动,如上图3-5所示。在图中,P2.7接晶体管基极输入端。当P2.7输出高电平“1”时,晶体管导通,压电蜂鸣器两端获得约+5V电压而鸣叫;当P2.7输出低电平“0”时,三极管截止,蜂鸣器停止发声。4系统软件设计在系统软件设计中,充分考虑了与硬件电路有机结合,利用AT89S51单片机以及温湿度传感器DHT11许多优异的特性实现对温度和湿度的高精度测量。系统软件采用模块化设计,在主程序下分成若干彼此独立的功能模块,如温湿度数据采集、液晶显示、键盘输入、串口通讯模块等。系统单片机代码采用C语言编写,以KeiluVision3为开发环境。系统程序主要由主程序、温湿度采集子程序、键盘扫描子程序、液晶显示子程序、报警子程序、串口发送和接收子程序等部分组成。其中,系统的主程序设计主要完成系统初始化、中断优先级设定以及判断调用各模块程序,即主要实现各模块程序的链接。设计时只需对温度/湿度进行相应的采集处理后,即可让液晶实时显示当前的温度与湿度值。而蜂鸣报警只需接上单片机的I/O口,并对其接口线进行编程即可完成。整个控制系统软件设计采用键盘控制方式。4.1主程序设计实验室温、湿度测控系统软件设计主要由系统初始化、温湿度数据采集、液晶显示、键盘扫描处理、数据通信等几部分组成。程序设计思想:首先要对系统进行初始化,主要完成对单片机各功能部件初始状态的配置。然后通过键盘处理模块对现场控制信号进行设定,设置温、湿度的上限与下限,即报警范围;同时,键盘处理模块还可以完成特殊情况下强制执行信号的操作,如复位、开/关报警等。接下来通过温湿度传感器数据采集模块完成对环境温、湿度的实时数据采集及相关处理。最后通过液晶显示屏显示现场温、湿度参数,从而实现了对温、湿度参数的实时显示。其中,通过单片机对现场检测到的温、湿度实时参数与所设定的温、湿度控制参数进行比较,若发现现场监测值超出所设定范围,则蜂鸣器发出报警提示。此外,数据通信完成温、湿度检测系统与上位PC机之间的协议化通信,以便上位PC机能够定时读取测控系统的温、湿度参数。系统程序流程图如图4-1所示:

开始开始系统初始化设定报警范围读取温、湿度控制参数键盘扫描温、湿度数据采集显示温湿度参数温湿度是否超出范围报警发送温湿度到上位机while图4.1温湿度检测系统程序流程图4.2温湿度采集子程序设计本设计中温湿度检测模块采用数字温湿度传感器DHT11,当用户MCU发送一次开始信号后,DHT11从低功耗模式转换到高速模式,等待主机开始信号结束后,DHT11发送响应信号,送出40bit的数据,并触发一次信号采集,用户可选择读取部分数据。该模式下,DHT11接收到开始信号触发一次温湿度采集,如果没有接收到主机发送开始信号,DHT11不会主动进行温湿度采集,采集数据后转换到低速模式。DHT11工作过程如下:总线空闲状态为高电平,单片机把总线拉低等待DHT11响应,单片机把总线拉低必须大于18毫秒,保证DHT11能检测到起始信号。DHT11接收到单片机的开始信号后,等待单片机开始信号结束,然后发送80us低电平响应信号。主机发送开始信号结束后,延时等待20-40us,然后读取DHT11的响应信号,单片机机发送开始信号后,可以切换到输入模式或者输出高电平,总线由上拉电阻拉高。当总线为低电平时,说明DHT11发送响应信号。DHT11发送响应信号后,再把总线拉高80us,准备发送数据,每一bit数据都以50us低电平时隙开始,高电平的长短决定了数据位是0还是1。如果读取响应信号为高电平,则DHT11没有响应,请检查线路是否连接正常。当最后一bit数据传送完毕后,DHT11拉低总线50us,随后总线由上拉电阻拉高进入空闲状态。温湿度采集子程序如下。#include<reg52.h>#include"intrins.h"#include"24c02.h"#include"music_code.h"#defineucharunsignedchar#defineuintunsignedintucharcodetabe1[]="20--";//液晶一直显示的字符ucharcodetabe2[]="::";ucharcodetabe3[]="Alarmset:";ucharmiao,fen,shi,nian,yue,ri,week,wd_flag,wendu_shi,wendu_ge,wendu_shu,variate,alarm_shi,alarm_fen,alarm_miao,alarm_shi_2,alarm_fen_2,alarm_miao_2;ucharflag=1,count=0,flag_up=0,flag_down=0,flag_alarm=0,alarm_on,alarm_count=0,done=0,alarm_on_2,alarm_num; //flag为1时,代表设置的初始入口,done为0时,代表进入设置后等待设置完毕;count与alarm_count为设置光标所在处号码uintwendu;ucharCount2;//闹钟定时器计数//定义IOsbitDQ=P1^3;//ds18b20温度传送数据IO口sbitds1302_rst=P1^2;//1302复位sbitds1302_io=P1^1;//数据输入输出sbitds1302_sclk=P1^0;//串行时钟sbitalarm_out=P2^3; //闹钟输出sbitlcd1602_rs=P3^5; //1602命令、数据选择sbitlcd1602_rw=P3^6; //1602写sbitlcd1602_e=P3^4; //1602使能sbitset=P3^0; //选择按键sbitup=P3^1; //加sbitdown=P3^2; //减sbitnao=P3^3;sbitACC0=ACC^0;sbitACC7=ACC^7;/****************************显示部分*****************************/voidwrite_time1(ucharadd,uchardate)//日期送显示{ ucharshi,ge; shi=date/10; ge=date%10; lcd_write_com(0x80+add); lcd_write_date(0x30+shi); lcd_write_date(0x30+ge);}voidwrite_time2(ucharadd,uchardate)//时间送显示{ ucharshi,ge; shi=date/10; ge=date%10; lcd_write_com(0x80+0x40+add); lcd_write_date(0x30+shi); lcd_write_date(0x30+ge);}voidwendu_decimal(uintdat)//温度转换后送显示{ floattemp; if(dat>0x07D0)//负温度 { dat=(~dat)+1; wd_flag=-3; temp=dat*0.625; } else { temp=dat*0.625;//dat*0.0625*10 wd_flag=-30; } wendu_shi=temp/100;//取十位temp除不用定义类型 wendu_ge=((uint)temp)%100/10;//取个位temp求模要定义类型,为16位 wendu_shu=((uint)temp)%100%10;//取小数 lcd_write_com(0x80+0x40+10);//送显示 lcd_write_date(0x30+wd_flag); lcd_write_date(0x30+wendu_shi); lcd_write_date(0x30+wendu_ge); lcd_write_date(0x2e); lcd_write_date(0x30+wendu_shu); lcd_write_date(0xdf);//温度符号 lcd_write_date(0x43); }voidwrite_alarm(ucharnum) //显示闹钟时间{ if(num==1) { lcd_write_com(0x80+12); lcd_write_date('1'); write_time2(4,alarm_shi); lcd_write_date(0x3a); write_time2(7,alarm_fen); lcd_write_date(0x3a); write_time2(10,alarm_miao); if(alarm_on==0) { lcd_write_com(0x80+0x40+13); lcd_write_date('O'); lcd_write_date('F'); lcd_write_date('F'); } if(alarm_on==1) { lcd_write_com(0x80+0x40+13); lcd_write_date(''); lcd_write_date('O'); lcd_write_date('N'); } lcd_write_com(0x80+12); //光标倒回闹钟号码处 } if(num==2) { lcd_write_com(0x80+12); lcd_write_date('2'); write_time2(4,alarm_shi_2); lcd_write_date(0x3a); write_time2(7,alarm_fen_2); lcd_write_date(0x3a); write_time2(10,alarm_miao_2); if(alarm_on_2==0) { lcd_write_com(0x80+0x40+13); lcd_write_date('O'); lcd_write_date('F'); lcd_write_date('F'); } if(alarm_on_2==1) { lcd_write_com(0x80+0x40+13); lcd_write_date(''); lcd_write_date('O'); lcd_write_date('N'); } lcd_write_com(0x80+12); //光标倒回闹钟号码处 }}/***********************按键处理***************************/4.3液晶显示子程序设计本设计中采用标准的1602液晶显示屏。1602液晶模块内部的字符发生存储器(CGROM)已经存储了192种字符(160个5×7点阵字符和32个5×10点阵字符),这些字符包括阿拉伯数字、英文字母的大小写、常用的符号、和日文假名等,每一个字符都有一个固定的代码。本模块字符在LCD显示屏上的显示位置与该字符的字符代码在显示缓冲区DDRAM内的存储地址一一对应。液晶显示模块是一个慢显示器件,所以在执行每条指令之前一定要确认模块的忙标志为低电平,表示不忙,否则此指令失效。要显示字符时要先输入显示字符地址,即告诉模块在哪个位置显示字符。1602液晶显示流程图如下图4-2所示,液晶显示子程序见附录。

入口入口对1602初始化,写入显示命令延时检测忙信号获得显示RAM地址延时写入相应数据Sta7=0?数据显示完毕?返回主程序图4.2液晶显示流程图5电路仿真及AM2302时序捕捉仿真电路设计系统原理图见图5-1。图中,PICAT89S51和显示其1602液晶组成上位机,实现数据接收和显示,由于是仿真电路,所以PICAT89S51的最小系统其他电路没有给出。下位机由DHT11传感器组成,实现温室内湿度和温度的实时采集。在原理图中采用英国Labeenter公司EDA软件一Proteus进行电路图设计与仿真,在Proteu仿真库中提供了湿度/温度参数可调的AM2302元器件,通过符号可在温度和湿度参数之间进行切换,通过符号实现参数值的增加、减小。图5-1温湿度采集系统原理图在Proteus平台绘制原理图,并编写程序,最后软硬件调试,通过改变DHT11的温湿度值,可以看到LCD显示器能够实时显示湿度、温度值,说明设计是成功的,效果图如图5-1所示。为了验证上述DHT11单总线通信协议,在此测试了其时序图,设起始信号(低电平)时间18ms,等待响应时间30μs,传感器响应时间50μs,发送信号时间间隙80μs,"1”信号持续时间70μs,“0”信号持续时间25μs。对生成的时序如图5所示,对图5中的86个脉冲持续时间(注意图5中,开始的信号为高位,令第一个脉冲序号为1,以此类推。)进行测试,测试结果以序号:时宽格式表示。在第5个脉冲开始,每隔80μs输出串行数据00000010l000l001000000010110l00111110101,这个数据与上文分析的数据是一致的。说明理论分析与实际是相吻合的,方法是正确、可行的。图5-2DHT11传感器测试时序图

结论随着通信、计算机网络、数据库技术的发展,实验室的日常管理工作正朝着信息化、自动化的方向发展。基于单片机技术的实验室湿度测控系统已成自动控制领域的重要应用之一,对这个方向的研究具有重要的理论意义和现实意义。本文设计的温、湿度智能测控系统采用AT89S51单片机为测控核心,以数字式温度传感器DHT11为温、湿度数据采集器件,通过PC机作为人机接口,实现了数据采集与测控指令参数的设置。显示部分已标准的1602液晶为显示屏,具有显示质量高、体积小、功耗低等优点。本系统整体设计具有界面友好、控制灵活、硬件系统集成度高、电路简单、功能强、性能可靠、成本低等特点。

致谢本论文是在XXX老师的谆谆教诲和指导下完成的,论文从选题、构思到定稿无不渗透着导师的心血和汗水;教授渊博的知识和严谨的学风使我受益终身,在此表示深深的敬意和感谢。我还要感谢含辛茹苦、任劳任怨、望子成龙、不图回报的父母的养育之恩,他们给予我的爱和支持让我顺利地完成了自己的学业。最后,因本人水平有限,在文中难免有不足之处,恳请各位老师批评指正。

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