51单片机温控系统设计.docx
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51单片机温控系统设计
第1章绪论
课题的背景及其意义
二十一世纪是科技高速进展的信息时期,电子技术、微型单片机技术的应用更是空前普遍,伴随着科学技术和生产的不断进展,需要对各类参数进行温度测量。
因此温度一词在生产生活当中显现的频率日趋增多,与之相对应的,温度操纵和测量也成了生活生产中频繁利用的词语,同时它们在各行各业中也发挥着重要的作用。
如在日趋发达的工业当中,利用测量与操纵温度来保证生产的正常运行。
在农业中,用于保证蔬菜大棚的恒温保产等。
温度是表征物体冷热程度的物理量,温度测量则是工农业生产进程中一个很重要而普遍的参数。
温度的测量及操纵对保证产品质量、提高生产效率、节约能源、生产安全、增进国民经济的进展起到超级重要的作用。
由于温度测量的普遍性,温度传感器的数量在各类传感器中居首位。
而且随着科学技术和生产的不断进展,温度传感器的种类仍是在不断增加丰硕来知足生产生活中的需要。
在单片机温度测量系统中的关键是测量温度、操纵温度和维持温度,温度测量是工业对象中要紧的被控参数之一。
因此,单片机温度测量则是对温度进行有效的测量,而且能够在工业生产中取得了普遍的应用,尤其在电力工程、化工生产、机械制造、冶金工业等重要工业领域中,担负着重要的测量任务。
在日常生活中,也可普遍有效于地热、空调器、电加热器等各类家庭室温测量及工业设备温度测量场合。
但温度是一个模拟量,若是采纳适当的技术和元件,将模拟的温气宇转化为数字量虽不困难,但电路较复杂,本钱较高。
课题研究的内容及要求
本次的毕业设计的题目是单片机水温操纵系统设计。
它是多种技术知识的结合,不仅涉及到软件的设计,而且还将应用电子技术与单片机的应用技术有机结合,使其具有精度高、测量误差小、稳固性好等特点。
电路板的设计技术和机械加工工艺的巧妙结合,使其具有了显示直观、体积做工精细等特点,能为它在其它领域的普遍应用打下良好的基础。
因为通过咱们调查发觉许多应用处合原先就有测温控温仪器,只是随着对生产质量与生产需要的要求在不断地提高,以往的那些测温控温的仪器全然不能知足此刻的要求。
其中,有部份应用处合对精度提高的幅度要求也不是专门高。
因此,为了提高性价比,我所设计的系统提出在原有系统的基础上进行一些简单的改良,以此为起点,要紧论述的是水温自动操纵系统的一种实现方式。
1.课题的要紧研究的内容
本文所要研究的课题是基于单片机操纵的水温操纵系统的设计,主若是介绍了对水箱温度的显示、操纵及报警,实现了温度的实时显示及操纵。
水箱水温操纵部份,提出了用DS18S20、AT89C51单片机及LED的硬件电路完成对水温的实时检测及显示,利用DS18S20与单片机连接由软件与硬件电路配合来实现对加热电阻丝的实时操纵及超出设定的上下限温度的报警系统。
而炉内温度操纵部份,采纳一套PID闭环负反馈操纵系统,由DS18S20检测炉内温度,用中值滤波的方式取一个值存入程序存取器内部一个单元作为最后检测信号,并在LED中显示。
操纵器是用89C51单片机,用PID算法对检测信号和设定值的差值进行调剂后输出操纵信号给执行机构,去调剂电阻炉的加热功率,从而操纵炉内温度。
它具有微型化、低功耗、高性能、抗干扰能力强、易配微处置器等优势,专门适合于组成多点的温度测控系统,可直接将温度转化成串行数字信号供微机处置,而且每片DS18S20都有唯一的产品号,能够一并存入其ROM中,以便在组成大型温度测控系统时在单线上挂接任意多个DS18S20芯片。
从DS18S20读出或写入DS18S20信息仅需要一根口线,其读写及其温度变换功率来源于数据总线,该总线本身也能够向所挂接的DS18S20供电,而且不需要额外电源。
同时DS18S20能提供九位温度读数,它无需任何外围硬件即可方便地组成温度检测系统。
而且利用本次的设计要紧实现温度测试,温度显示,温度门限设定,超过设定的门限值时自动启动加热装置等功能。
而且还要以单片机为主机,使温度传感器通过一根口线与单片机相连接,再加上温度操纵部份和人机对话部份来一起实现温度的监测与操纵。
2.用单片机实现其具体操纵功能如下:
(1)能够持续测量水的温度值,用十进制数码管来显示水的实际温度。
(2)能够设定水的温度值
(3)能够实现水温的自动操纵,若是设定水温为85℃,则能使水温维持恒定在85℃的温度下运行。
(4)用单片机AT89C51操纵,通过按键来操纵水温的设定值,数值采纳数码管显示。
国内外研究方向和进展趋势
随着国内外工业的日趋进展,温度检测技术也有了不断的进步。
温度测量系统要紧由两部份组成,一部份是传感器,它将温度信号转换为电信号。
另一部份是电子装置,它要紧完成对信号的接收、处置、对测点进行操纵、温度显示等功能。
对应于不同的温度段及测量精度要求,测温装置也不尽相同,从传感器方面看,己显现有各类金属材料、非金属材料、半导体材料制成的传感器,也有红别传感器。
仪器本身也趋向小型化,多采纳集成度较高的芯片或元件组成电路。
关于测点较多,并具有报警、巡测、操纵等多功能测温装置,一样采纳单片机电路。
目前的温度检测技术原理很多,大致包括以下几种:
(1)物体热胀冷缩原理
(2)热电效应(3)热阻效应(4)利热辐射原理。
传统的温度传感器(如,热电偶、铂电阻、双金属开关等)尽管有着各自不可替代的优势,但由于自身因自热效应阻碍了测量精度,从而制约了它们在微型化高端电子产品中的应用。
与之相较较,半导体温度传感器具有灵敏度高、体积小、功耗低、时刻常数小、自热温升小、抗干扰能力强等诸多优势,不管是电压、电流仍是频率输出,在相当大的温度范围内(-55~150℃)都与温度成线性关系,适合在集成电路系统中应用。
目前,半导体温度传感器工作的温度范围还限于-50~150℃。
以后要紧的研究方向将是如何扩大它的温度适用范围,和智能化、网络化等方面[2]。
最近几年来,在温度检测技术领域中,多种新的检测原理与技术的开发应用己取得了具有有效性的重大进展。
新一代温度检测元件正在不断显现和完善化,要紧包括以下几种。
(1)晶体管温度检测元件
(2)集成电路温度检测元件(3)核磁共振温度检测器(4)热噪声温度检测器(5)石英晶体温度检测器(6)光纤温度检测器(7)激光温度检测器。
目前国内外的温度操纵方式愈来愈趋向于智能化,温度测量第一是由温度传感器来实现的。
测温仪器由温度传感器和信号处置两部份组成。
温度测量的进程确实是通过温度传感器将被测对象的温度值转换成电的或其它形式的信号,传递给信号处置电路进行信号处置转换成温度值显示出来。
温度传感器随着温度转变而引发转变的物理参数有:
膨胀、电阻、电容、热电动势,磁性能、频率、光学特性及热噪声等等。
随着生产的进展,新型温度传感器还会不断显现,目前,国内外通用的温度传感器及测温仪大致有以下几种:
热膨胀式温度计、电阻温度计、热电偶、辐射式测温仪表、石英温度传感器测温仪
第二章整体设计
系统整体方案设计
本温度操纵系统是一个闭环反馈操纵系统,它用温度传感器将检测到的温度信号经放大,A/D转换后送入单片机中进行数据处置并显示当前温度值,用当前温度值与设定温度值进行比较[6]。
依照比较的结果取得操纵信号用以操纵继电器的通断,实现对加热器的操纵。
通过这种操纵方式实现对保温箱的温度操纵。
本课题设计的内容要紧包括硬件设计和软件设计两部份。
系统功能由硬件和软件两大部份和谐完成,硬件部份要紧完成主机电路、数据搜集电路、键盘显示电路、操纵执行等电路的设计。
软件程序编写要紧用来实现对温度的检测、标度转换、LED显示、继电器操纵等数据处置功能。
本次设计采纳MCS-51单片机作为操纵芯片,采纳半导体集成温度传感器AD590搜集温度信号。
通过温度传感器将搜集的温度信号转换成与之相对应的电信号,通过放大处置送入A/D转换器进行A/D转换,将模拟信号转换成数字信号送入到操纵芯片进行数据处置。
通|<<<<<12345678910>>>>>|过在芯片外围添加显示、操纵等外围电路来实现对保温箱温度的实时检测和操纵功能。
本系统功能由硬件和软件两大部份和谐完成,硬件部份要紧完成传感器信号的搜集处置,信息的显示等;软件要紧完成对搜集的温度信号进行处置及显示操纵等功能。
系统结构框图如图所示
温度测量部份方案
DS18B20是DALLAS公司生产的一线式数字温度传感器,它具有微型化、低功耗、高性能抗干扰能力、强易配处置器等优势,专门适合用于组成多点温度测控系统,可直接将温度转化成串行数字信号(按9位二进制数字)给单片机处置,且在同一总线上能够挂接多个传感器芯片,它具有三引脚TO-92小体积封装形式,温度测量范围-55~+125℃,可编程为9~12位A/D转换精度,测温分辨率可达0.0625℃,被测温度用符号扩展的16位数字量方式串行输出,其工作电源既可在远端引入,业可采纳寄生电源方式产生,多个DS18B20能够并联到三根或两根线上,CPU只需一根端口线就能够与多个DS18B20通信,占用微处置器的端口较少,可节省大量的引线和逻辑电路。
从而能够看出DS18B20能够超级方便的被用于远距离多点温度检测系统。
综上,在本系统中我采纳温度芯片DS18B20测量温度。
该芯片的物理化学性很稳固,它能用做工业测温元件,且此元件线形较好。
在0—100摄氏度时,最大线形误差小于1摄氏度。
该芯片直接向单片机传输数字信号,便于单片机处置及操纵。
图2-1温度芯片DS18B20
主操纵部份方案
AT89S51是一个低功耗,高性能CMOS8位单片机,片内含8kBytesISP(In-systemprogrammable)的可反复擦写1000次的Flash只读程序存储器,器件采纳ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术制造,兼容标准MCS-51指令系统及80C51引脚结构,芯片内集成了通用8位中央处置器和ISPFlash存储单元,功能壮大的微型运算机的AT89S51可为许多嵌入式操纵应用系统提供高性价比的解决方案。
AT89S51具有如下特点:
40个引脚,4kBytesFlash片内程序存储器,128bytes的随机存取数据存储器(RAM),32个外部双向输入/输出(I/O)口,5个中断优先级2层中断嵌套中断,2个16位可编程按时计数器,2个全双工串行通信口,看门狗(WDT)电路,片内时钟振荡器。
另外,AT89S51设计和配置了振荡频率可为0Hz并可通过软件设置省电模式。
空闲模式下,CPU暂停工作,而RAM按时计数器,串行口,外中断系统可继续工作,掉电模式冻结振荡器而保留RAM的数据,停止芯片其它功能直至外中断激活或硬件复位。
同时该芯片还具有PDIP、TQFP和PLCC等三种封装形式,以适应不同产品的需求。
由于系统操纵方案简单,数据量也不大,考虑到电路的简单和本钱等因素,因此在本设计中选用ATMEL公司的AT89S51单片机作为主控芯片。
主控模块采纳单片机最小系统是由于AT89S51芯片内含有4kB的E2PROM,无需外扩存储器,电路简单靠得住,其时钟频率为0~24MHz,而且价钱低廉,批量价在10元之内。
其要紧功能特性:
兼容MCS-51指令系统4k可反复擦写(>1000次)ISPFlashROM
32个双向I/O口工作电压
2个16位可编程按时/计数器时钟频率0-33MHz
全双工UART串行中断口线128x8bit内部RAM
2个外部中断源低功耗空闲和省电模式
中断唤醒省电模式3级加密位
看门狗(WDT)电路软件设置空闲和省电功能
灵活的ISP字节和分页编程双数据寄放器指针
能够看出AT89S51提供以下标准功能:
4K字节Flash闪速存储器,128字节内部RAM,32个I/O口线,看门狗(WDT),两个数据指针,两个16位按时器/计数器,一个5向量两级中断结构,一个全双工串行通信口,片内振荡器及时钟。
同时,AT89S51可降至0Hz的静态逻辑操作,并支持两种软件可选的节电工作模式。
空闲方式停止CPU的工作,但许诺RAM,按时/计数器,串行通信口及中断系统继续工作。
掉电方式安在RAM中的内容,但振荡器停止工作并禁止其它所有部件工作直接到一个硬件复位。
AT89S51引角功能说明
Vcc:
电源电压
GND:
地
P0口:
P0口是一组8位漏极开路型双向I/O口,也即地址/数据总线复用口,作为输出口历时,每位能驱动8个TTL逻辑门电路,对端口写“1”可作为高阻抗输入端口。
在访问外部数据存储器或程序存储器时,这组口线分时转换地址(低8位)和数据总线复用,在访问期间激活内部上拉电阻。
在Flash编程时,P0口接收指令字节,而在程序校验时,输出指令字节,校验时,要求外接上拉电阻。
P1口:
P1是一个带内部上拉电阻的8位双向I/O口,P1的输出缓冲级可驱动(吸收或输出电流)4个TTL逻辑门电路。
对端口写“1”,通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平,现在可作输入口。
作输入口利历时,因为内部存在上拉电阻,某个引脚被外部信号校验期间,P1接收低8位地址。
表4-1为P1口第二功能。
表2-1P1口第二功能
端口引脚
第二功能
MOSI(用于ISP编程)
MISO(用于ISP编程)
SCK(用于ISP编程)
P2口:
P2是一个带有内部上拉电阻的8位双向I/O口,P2的输出缓冲级可驱动4个TTL逻辑门电路。
对端口写“1”,通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平,现在可作输入口,作输入口利历时,因为内部存在上拉电阻,某个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流I。
在访问8位地址的外部数据存储器(如执行:
MOVX@Ri指令)时,P2口线上的内(也即特殊功能寄放器,在整个访问期间不改变。
Flash编程或校验时,P2也接收高位地址和其它操纵信号。
)
P3口:
P3口是一组带有内部上拉电阻的8位双向I/O口。
P3口输出缓冲级可驱动(吸收或输出电流)4个TTL逻辑门电路。
对P3口写入“1”时,它们被内部上拉电阻拉高并可作为输入端口。
作输入端口时,被外部拉低的P3口将用上拉电阻输出电流I。
P3口除作为一样的I/O口线外,更重要的用途是它的第二功能,P3口的第二功能如下表4-2。
表2-2P3口的第二功能
端口功能
第二功能
端口引脚
第二功能
RXD()
串行输入口
T0()
定时/计数器0外部输入
TXD()
串行输出口
T1()
定时/计数器1外部输入
INT0()
外中断0
WR()
外部数据存储器写选通
INT1()
外中断1
RD()
外部数据存储器读选通
RST:
复位输入。
当振荡工作时,RST引脚显现两个机械周期上高电平将使单片机复位。
WDT益出将使该引脚输出高电平,设置SFRAUXR的DISRTO位(地址8EH)可打开或关闭该功能。
DISRTO位缺省为RESET输出高电平打开状态。
ALE/PROG:
当访问外部程序存储器或数据存储器时,ALE(地址锁存许诺)输出脉冲用于锁存地址的低8位字节。
即便不访问外部存储器,ALE仍以时钟振荡频率的1/6输出的正脉冲信号,因此它可对外输出时钟或用于按时目地,要注意的是:
第当访问外部数据存储器时将跳过一个ALE脉冲。
如有必要,可通过对特殊功能寄放器(SFR)区中的8EH单元的D0位置位,可禁止ALE操作。
该位禁位后,只有一条MOVX和MOVC指令ALE才会被激活。
另外,该引脚伎被微弱拉高,单片机执行外部程序时,应设置ALE无效。
PSEN:
程序贮存许诺(PSEN)输出是外部程序存储器的读选通信号,当AT89S51由外部程序存储器取指令(或数据)时,每一个机械周期两次PSEN有效,即输出两个脉冲。
当访问外部数据存储器,高有两次有效的PSEN信号。
EA/VPP:
外部访问许诺。
欲使CPU公访问外部程序存储器(地址0000H-FFFFH),EA端必需维持低电平(接地)。
需注意的是:
若是加密位LB1被编程,复位时内部会锁存EA端状态。
如EA端为高电平(接Vcc端),CPU则执行内部程序存储器中的指令。
Flash存储器编程时,该引脚加上+12V的编程电压Vpp。
XTAL1:
振荡器反相放大器及内部时钟发生器的输入端。
XTAL2:
振荡器反相放大器的输出端。
AT89S51单片机内部构造及功能:
特殊功能寄放器:
特殊功能寄放器的片内空间分存如下图3-2所示。
这些地址并无全数占用,没有占用的地址不可利用,读这些地址将取得一个随意的数值。
而写这些地址单元将不能取得预期的结果。
中断寄放器:
各中断许诺操纵位于IE寄放器,5个中断源的中断优先级操纵位于IP寄放器。
图2-2为AUXR辅助寄放器。
图2-2AUXR辅助寄放器
双时钟指针寄放器:
为方便地访问内部和外部数据存储器,提供了两个16位数据指针寄放储器:
PD0位于SFR区块中的地址82H、83H和DP1位于地址84H、85H,当SFR中的位DPS=0时选择DP0,而DPS=1时选择DP1。
在利用前初始化DPS。
图2-3双时钟指针寄放器
电源空闲标志:
电源空闲标志(POF)在特殊功能寄放储器SFR中PCON的第4位(),电源打开时POF置“1”,它可由软件设置睡眠状态并非为复位所阻碍。
存储器结构:
MCS-51单片机内核采纳程序存储器和数据存储器空间分开的结构,均具有64KB外部程序和数据的寻址空间。
程序存储器:
若是EA引脚接地(GND),全数程序均执行外部存储器。
在AT89S51,假设接至Vcc(电源+),程序第一执行从地址0000H-0FFFH(4KB)内部程序存储器,再执行地址为1000H-FFFFH(60KB)的外部程序存储器。
数据存储器:
在AT89S51的具有128字节的内部RAM,这128字节可利用直接或间接寻址方式访问,堆栈操作可利用间接寻址方式进行,128字节都可设置为堆栈区空间。
看门狗按时器(WDT):
WDT是为了解决CPU程序运行时可能进入混乱或死循环而设置,它由一个14bit计数器和看狗复位SFR(WDTRST)组成。
外部复位时,WDT默以为关闭状态,要打开WDT,必按顺序将01H和0E1H写到WDTRST寄放器,当启动了WDT,它会随晶体振荡器在每一个机械周期计数,除硬件复位或WDT溢出复位外没有其它方式关闭WDT,当WDT溢出,将使RST引脚输出高电平的复位脉冲。
引脚图详见图2-4
图2-4AT89S51单片机引脚图
第三章系统要紧硬件电路设计及功能
单片机主机系统电路图
3-1单片机主机系统电路图
3.1.1时钟电路
时钟电路确实是产生象时钟一样图准确的振荡电路。
任何工作都按时刻顺序。
用于产生那个时刻的电路确实是时钟电路。
时钟电路一样由晶体震荡器、晶震操纵芯片和电容组成。
单片机的时钟信号用来提供单片机片内各类微操作的时刻基准,时钟信号通经常使用两种电路形式取得:
内部振荡和外部振荡。
MCS-51单片机内部有一个用于组成振荡器的高增益反向放大器,引脚XTAL1和XTAL2别离是此放大电器的输入端和输出端,由于采纳内部方式时,电路简单,所得的时钟信号比较稳固,实际利用中常采纳这种方式,如图3-2所示在其外接晶体振荡器(简称晶振)或陶瓷谐振器就组成了内部振荡方式,片内高增益反向放大器与作为反馈元件的片外石英晶体或陶瓷谐振器一路可组成一个自激振荡器并产生振荡时钟脉冲。
图3-2中外接晶体和电容C2和C1组成并联谐振电路,它们起稳固振荡频率、快速起振的作用,其值均为30P左右,晶振频率选6MHz。
图3-2时钟电路
3.1.2复位电路
为确保微机系统中电路稳固靠得住工作,复位电路是必不可少的一部份,复位电路的第一功能是上电复位。
一样微机电路正常工作需要供电电源为5V±5%,即~。
由于微机电路是时序数字电路,它需要稳固的时钟信号,因此在电源上电时,只有当VCC超太低于和晶体振荡器稳固工作时,复位信号才被撤除,微机电路开始正常工作。
目前为止,复位电路要紧有四种类型:
(1)微分型复位电路;
(2)积分型复位电路;(3)比较器型复位电路;(4)型复位电路。
ISA总线的复位信号到南桥之间会有一个,跟从器或电子开关,常态时为低电平,复位时为高电平。
IDE的复位和ISA总线正好相反,通常二者之间会有一个非门或是一个反向电子开关,也确实是说IDE常态时为高电平,复位时为低电平,那个地址的高电平为5V或,低电平为以下的电位。
若是主板上没有ISA总线,也确实是8XX系列芯片组的主板,IDE的复位直接来自于南桥,在二者之间通常也会有一个非门或是反向电子开关,PCI总线的复位直接来自于南桥,有些主板会在二者之间加有跟从器,此跟从器起缓冲延时作用。
且PCI的常态为或5V,复位时为0V,AGP总线的复位信号和PCI总线的复位信号是同路产生。
也有的主板AGP总线的复位也是由南桥直接供给,常态时为高电平,复位时为低电平,关于北桥的复位信号也是和PCI总线的复位信号同路产生,也确实是说PCI总线的复位信号,AGP总线的复位信号和北桥的复位信号一般是串在一根线上的,复位信号都相同,关于CPU的复位信号,不同的主板都是由北桥供给,I/O的复位信号是由南桥直接供给,一般是或5V。
在8XX系列芯片组的主板中,中心(B205)和时钟发生器芯片也有复位信号,且复位信号由南桥直接供给,常态为,复位时为0V。
复位电路工作原理如右图所示,VCC上电时,C充电,在200电阻上显现电压,使得单片机复位;几个毫秒后,C充满,200电阻上电流降为0,电压也为0,使得单片机。
工作期间,按下S,C放电。
S松手,C又充电,在10K电阻上显现电压,使得单片机复位。
几个毫秒后,单片机进入工作状态。
图3-3复位电路
数据存储器的扩展电路
AT89C51单片机外接数据RAM时,PZ口输出存储器地址的高8位,PQ口分时输出地址的低8位和传送指令字节或数据。
PQ口先输出低8位地址信号,在ALE有效时将它锁存到外部地址锁存器中,然后PQ口作为数据总线利用,此处地址锁存器选用
74LS373,实际电路图连接如图3-4所示。
图3-4数据存储器的扩展电路
显示系统电路
LED显示以其利用方便,价钱低廉等优势而取得普遍应用。
它的显示接口按驱动方式可分为静态显示和动态显示两种。
静态显示尽管亮度高,无闪动,但具有功耗大,占I/O口多,本钱高等缺点。
在I/O口紧张的情形下大多采纳动态显示方式。
目前,市场上有许多专用的动态显示接口芯片可供选择。
可是,这些芯片价钱普遍较高,而不适合在廉价系统中应用。
有些专用芯片(如MC14489)采纳硬件译码方式,显示的信息量有限,难以知足各类要求,阻碍了它的应用。
在此介绍一种价钱低廉,成效良好的LED动态显示电路,通过软件译码,串行显示方式,节省大量I/O线,不仅能显示数字,而且能够显示大部份英文字母。
微机化测控系统中经常使用的测量数据的显示器有发光二极管显示器(简称LED或数码管)和液晶显示器(简称LCD)。
这两种显示器都具有线路简单、耗电少、本钱低、寿命长等优势,本系统输出结果选用4个LED显示。
数码管有共阴共阳之分,本系统采纳8段共阴型LED,其原理图如图3-5所示,每位数码管内部有8个发光二极管,公共端由8个发光二极管的阴极并接而成,正常显示时公共端接低电平(GND),各发光二极管是不是点亮取决于a-dp各引脚上是不是是高电平。
图3-5LED显示系统电路
数据搜集电路
数据搜集电路即数模转换电路。
ADC0809是一种8位逐次逼近式刀D转换器,内部具有锁存操纵的8路模拟开关,外接8路模拟输入端,可同时对8路O-5V的输入模拟电压信号分时进行搜集转换,本系统只用到INO和INI两路输入通道。
ADC0809转换器的分辨率为8位,最大不可调误差小于±1LSB,采纳单一+5V供电,功耗为15mW
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