电子线路牌遥控系统设计.docx
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电子线路牌遥控系统设计.docx
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电子线路牌遥控系统设计
前言
纵观当今,随着科技的发展,各种自动化设备的发展突飞猛进,单片机担任着不可或缺的重任。
而单片机的特殊结构形式,在某些领域中,它承担了大中型计算机和通用的微型计算机无法完成的一些工作。
使其具有很多显著的优点和特点,因此在各个领域中都得到了迅猛的发展。
它是控制中心和设备之间的桥梁;它可对光、热、电、力、速度等各种物理量进行采集,处理合成各种电信号送到控制中心进行处理,从而实现了自动化控制。
在实时检测和自动控制的单片机应用系统中,单片机往往是作为一个核心部件来使用的,但要达到预期的目标,仅单片机方面的知识是不够的,还应根据具体硬件结构,以及针对具体应用对象特点的软件结合,以作完善。
遥控技术根据控制方式的不同,一般分红外遥控、声控和无线遥控,俗称三遥。
红外线遥控是目前应用最广泛的一种通信和遥控手段。
由于红外线遥控器具有体积小、功耗低、功能强、成本低等特点。
因此,彩电、录像机、音响设备、空调、玩具、门铃以及遥控汽车路牌等其它小型装置上也纷纷采用红外线遥控。
红外遥控技术的出现,不仅大大提高了劳动生产率,降低了成本,而且减轻了人们的劳动强度,改善了劳动条件。
同时微机技术的出现,则使现代科学研究得到了质的飞跃,给现代工业测控领域带来了一次新的革命,给人类生活带来了根本的改变。
而两者的有机结合,将给人类带来更美好的明天。
这次毕业设计,我总结了自己大学的专业所学和多次实践经验,并结合红外遥控技术和单片机机技术,比较系统地介绍了单片机机技术在红外遥控系统中的应用,可以说是对红外遥控技术和单片机机技术的一次总结和升华。
正是鉴于红外技术在民用中有如此普遍及重大的意义,本人在毕业设计中选择了公交车线路牌红外遥控器设计,在设计过程中,本人对红外遥控技术以及单片机技术进行了长期、全面地了解和学习,并对很多前辈们的研究成果进行了研究,以求尝试在学习前人经验的基础上取得新的突破。
电子线路牌遥控系统设计
1绪论
1.1课题来源
来源于生产/社会实际
随着我国工业化、信息化进程的高速发展,电子信息产业蓬勃发展,国内对单片机及其外围设备研究越来越深入,实用也越来越广泛。
无论是工业用品,还是民用产品,基本上都设计到单片机的设计和使用。
本设计介绍了一种基于STC89C52单片机的红外遥控步进电机的设计,系统分为红外遥控编解码和驱动步进电机两个模块,设计的系统能通过红外遥控器发射不同的码值来控制步进电机的正反转,加速减速以及启动停止,本报告对该系统的工作原理、硬件电路和软件进行了详细介绍。
1.2研究的目的和意义
红外遥控是目前使用最广泛的一种通信和遥控手段。
由于红外线遥控装置具有体积小,功耗低,功能强,成本低等特点,因而,继彩电,录像机之后,在录音机,音箱设备,空调机以及玩具等其他小型电器装置上也纷纷采用红外线遥控。
工业设备中,在高压,辐射,有毒气体,粉尘等环境下,采用遥控装置不仅安全可靠而其能有效的隔离电气干扰。
目前单片机渗透到我们生活的各个领域,几乎很难找到哪个领域没有单片机的踪迹。
导弹的导航装置,飞机上各种仪表的控制,计算机的网络通讯与数据传输,工业自动化过程的实时控制和数据处理,广泛使用的各种智能IC卡,民用豪华轿车的安全保障系统,录像机、摄像机、全自动洗衣机的控制,以及程控玩具、电子宠物等等,这些都离不开单片机。
更不用说自动控制领域的机器人、智能仪表、医疗器械了。
因此,单片机的学习、开发与应用将造就一批计算机应用与智能化控制的科学家、工程师。
单片机是靠程序运行的,并且程序可以修改。
通过不同的程序实现不同的功能,尤其是特殊的独特的一些功能,这是别的器件需要费很大力气才能做到的,有些则是花大力气也很难做到的。
一个不是很复杂的功能要是用美国50年代开发的74系列,或者60年代的CD4000系列这些纯硬件来解决的话,电路一定是一块大PCB板!
但是如果要是用美国70年代成功投放市场的系列单片机,结果就会有天壤之别!
只因为单片机通过你编写的程序可以实现高智能,高效率,以及高可靠性的转变!
随着电子技术的飞速发展,尤其是跨入2000年后,红外技术得到了迅猛发展。
红外遥控已渗透到国民经济的各行各业和人们日常生活的方方面面,在工业自动化、生产控制过程、信息采集和处理、通信、红外制导、激光武器、电子对抗、环境监测、红外育种安全防范、家用电器控制及日常生活各个方面都得到了广泛的应用。
为改变目前公交车线路牌无法灵活改变的缺陷,把红外遥控用在其中,使其可以轻松实现远距离、非接触性的改变线路牌的目的,从而改变以前固定的旧模式。
鉴于单片机的这些广泛用途及如此简便的使用方法,作为本专业的学生我们更应该好好学习单片机。
本次毕业设计的目的就是为了进一步熟悉熟悉单片机语言及单片机工作原理,提高汇编和C语言编程能力,同时掌握红外遥控原理,用红外遥控来实现公交车的线路牌灵活变化,把理论用于实践,使公交车的的运营更多样化。
1.3国内外发展现状、发展趋势及存在主要问题
目前国内外都在进行红外的研究开发,已取得了相当不错的成绩。
红外技术的研究开发是自动化控制的主要方向。
它的研究针对国民经济的各行各业和人们日常生活的方方面面,在工业自动化、生产控制过程、信息采集和处理、通信、红外制导、激光武器、电子对抗、环境监测、红外育种安全防范、家用电器控制及日常生活(如节能灯控制、自动门控制、节水节能控制、红外医疗与美容、智能玩具、空调、彩灯遥控以及VCD、SVCD和DVD机录放等)各个方面都在进行红外研究开发和控制。
红外遥控系统主要由遥控发射器、一体化接收头、单片机、接口电路组成。
遥控器用来产生遥控编码脉冲,驱动红外发射管输出红外遥控信号,遥控接收头完成对遥控信号的放大、检波、整形、解调出遥控编码脉冲。
遥控编码脉冲是一组串行二进制码,对于一般的红外遥控系统,此串行码输入到微控制器,由其内部CPU完成对遥控指令解码,并执行相应的遥控功能。
遥控技术,是指实现对被控目标的遥远控制,在工业控制、航空航天、家电领域应用广泛。
红外遥控是一种无线、非接触控制技术,具有抗干扰能力强,信息传输可靠,功耗低,成本低,易实现等显著优点,被诸多电子设备特别是家用电器广泛采用,并越来越多的应用到计算机系统中。
红外遥控的特点是不影响周边环境、不干扰其它电器设备。
由于其无法穿透墙壁,故不同房间的家用电器可使用通用的遥控器而不会产生相互干扰;电路调试简单,只要按给定电路连接无误,一般不需任何调试即可投入工作;编解码容易,可进行多路遥控。
由于红外线在频谱上居于可见光之外,所以抗干扰性强,具有光波的直线传播特性,不易产生相互间的干扰,是很好的信息传输媒体。
信息可以直接对红外光进行调制传输,例如,信息直接调制红外光的强弱进行传输,也可以用红外线产生一定频率的载波,再用信息对载波进行调制,接收端去掉载波,取到信息。
从信息的可靠传输来说,后一种方法更好,这就是我们今天看到的大多数红外遥控器所采用的方法。
红外遥控技术在这十年来得到了迅猛发展,尤其在家电领域如彩电、DVD、空调等,也在其它电子领域得到广泛应用,随着人们生活水平的提高,对产品的追求是使用更方便、更具智能化,红外遥控技术正是一个重点的发展方向。
红外遥控技术是一种利用红外线进行点对点通信的技术,其相应的软件和硬件技术都已比较成熟。
它在技术上的主要优点是:
(1)无需专门申请特定频率的使用执照;
(2)具有移动通信设备所必需的体积小、功率低的特点;(3)传输速率适合于家庭和办公室使用的网络;(4)信号无干扰,传输准确度高;(5)成本低廉。
它的缺点是:
由于它是一种视距传输技术,采用点到点的连接,具有方向性,两个设备之间如果传输数据,中间就不能有阻挡物;而且通讯距离较短,此外红外LED不是一种十分耐用的器件。
本次设计是基于单片机的红外遥控系统设计,它在我们的生产和生活中有着很广泛的应用前景。
在我们所居住的场所,我们就可以通过红外遥控技术来控制各种电器、仪表、机械等。
这种系统具有很强的适用性、灵活性、先进性。
它的应用将使得我们的生活变的更加轻松,大大方便了人们的生活。
2系统硬件设计
2.1硬件框图
主要研究内容:
通过遥控手段控制电子线路牌。
基本构架原理图
图1原理框图
整个系统的设计分为以下几个部分:
1.数码管显示电路
2.信息存储电路(IIC总线)
3.单片机
4.独立按键部分
5.红外遥控电路
2.2各部分硬件连接图
2.2.1数码管显示电路
LED是发光二极管LightEmittingDiode的英文缩写。
LED应用可分为两大类:
一是LED单管应用,包括背光源LED,红外线LED等;另外就是LED显示屏,目前,中国在LED基础材料制造方面与国际还存在着一定的差距,但就LED显示屏而言,中国的设计和生产技术水平基本与国际同步。
LED显示屏是由发光二极管排列组成的一显示器件。
它采用低电压扫描驱动,具有:
耗电少、使用寿命长、成本低、亮度高、故障少、视角大、可视距离远等特点。
LCD显示器的原文是LiquidCrystalDisplay,取每字的第一个字母组成,中文多称「液晶平面显示器」或「液晶显示器」。
其工作原理就是利用液晶的物理特性:
通电时排列变得有序,使光线容易通过;不通电时排列混乱,阻止光线通过,说简单点就是让液晶如闸门般地阻隔或让光线穿透。
LCD的好处有:
与CRT显示器相比,LCD的优点主要包括零辐射、低功耗、散热小、体积小、图像还原精确、字符显示锐利等。
选购LCD,有几个基本指针:
高亮度:
亮度值愈高,画面自然更亮丽,不会朦胧雾雾。
亮度的单位为cd/m2,也就是每平方公尺分之烛光。
低阶的LCD亮度值,有低到150cd/m2,而高阶的显示器,则可高达250cd/m2。
高对比:
对比愈高,色彩更鲜艳饱和,且会显的立体。
相反的,对比低,颜色显的贫瘠,影像也会变得平板。
对比值的差别颇大,有低到100:
1,也有高到600:
1,甚至更高。
宽广的可视范围:
可视范围简单的说,指的是在屏幕前画面可以看的清楚的范围。
可视范围愈大,自然可以看的更轻松;愈小,只要观看者稍一变动观看位置,画面可能就会看不清楚了。
可视范围的算法是从画面中间,至上、下、左、右四个方向画面清楚的角度范围。
数值愈大,范围自然愈广,但四个方向的范围不一定对称。
当上下、左右对称时,某些厂商会将两边的角度值相加,标示为水平:
160°;垂直:
160°;也可能分开标示为左/右:
±80°;上/下:
±80°。
某些LCD机种的单一角度,甚至只有40°~50°。
快速讯号反应时间:
讯号反应是指系统接收键盘或鼠标的指示后,经CPU计算处理,反应至显示器的时间。
讯号反应对动画和鼠标移动非常重要,此现象一般而言,只发生在LCD液晶显示器上,CRT传统显像管显示器则无此问题。
讯号反应时间愈快,作业处理自是愈方便。
观察的方法是之一是将鼠标快速移动(亦即鼠标不断下指示给系统,系统则不断将讯号反应给显示器),在一般低阶的LCD显示器上,光标在快速移动时,过程中会消失不见,直到鼠标定位,不再移动后一小段时间,才会再度出现;而在一般速度动作时,移动过程亦会清楚的看到鼠标移动痕迹。
而VE500的超快讯号反应时间快达16ms(毫秒),则让光标移动无时差,移动过程清楚易见,不带来作业困扰。
在单片机应用系统中,使用的显示器主要有LED(发光二极管)和LCD(夜晶显示器)。
这两种显示器成本低廉,配置灵活,与单片机接口方便。
但是他们也是各有特点的:
LED接口非常简单,不需要专用的驱动程序,在设计程序时也非常的简单;LCD显示的字比较丰富,也比较清楚,给人的感觉很好,但是他接口复杂,且要自己造字库,难度不小。
对于线路牌来说,一般仅以数字表示所营运线路的编号。
中小规模的城市,一般为2位数,大城市也不超过4位数,故只需要显示数字就够了,没必要采用LCD,用四个7段LED就够了。
数码管显示图如图2:
图2数码管显示电路
M54HC573是用硅栅C2MOS技术制作的CMOS八3态输出的高速锁存器,通过闭锁使能输入(LE)和输出使能输入(
)控制这些8位D型锁存D1~D8。
输入输出等效电路为
图3M54HC573输入输出等效电路
真值表为
INPUTS
OUTPUTS
LE
D
Q(HC573)
Q(HC563)
H
×
×
Z
Z
L
L
×
NOCHANGE
NOCHANGE
L
H
L
L
H
L
H
H
H
L
表1M54HC573真值表
Z:
高阻抗
*:
当LE为低电平时,输出将会被锁存
2.2.2信息存储电路(IIC总线)
图4信息存储电路
AT24C02/04/08IIC接口EEPROM的特点:
●AT24C02/04/08是一个2K/4K/8K位串行CMOSE2PROM内部含有256/512/1024个8位字节。
●AT24C02有一个8字节页写缓冲器,AT24C04/08/16有一个16字节页写缓冲器。
●通过器件地址输入端A0,A1,A2可以实现将最多
8个24C02器件
4个24C04器件
2个24C08器件
同时连接到总线上
●写操作
✧字节写
✧页写AT24C02是8字节/页AT24C04/08是16字节/页
注意:
页写的地址只在当前页自动累加,页地址范围内循环。
启动写命令后需要10ms(最大)的编程时间才能真正的把数据记录下来,编程期间器件不响应任何命令。
●读操作
✧立即地址读地址自动累加,即为上次读/写操作地址+1(本程序不支持该操作)
✧随机读指定地址读一个字节
✧连续读连续读操作可通过立即读或随机读操作启动,由主机发出NAK和STOP来停止读操作。
读操作时地址计数器在AT24C02/04/08整个地址内增加,这样整个寄存器区域在可在一个读操作内全部读出。
循环读取,读到最后一个地址后,从第一个地址继续开始读。
●写保护功能,由WP引脚控制,WP=VCC时,24C02的高1K位,24C04的高2K位,24C08的全部8K位都变成只读,不能写入。
IIC总线进行数据传送时,时钟信号为高电平期间,数据线上的数据必须保持稳定,只有在时钟线上的信号为低电平期间,数据线上的高电平或低电平状态才允许变化。
图5IIC数据传送
起始和终止信号:
SCL线为高电平期间,SDA线由高电平向低电平的变化表示起始信号;SCL线为高电平期间,SDA线由低电平向高电平的变化表示终止信号。
数据传送格式
(1)字节传送与应答
每一个字节必须保证是8位长度。
数据传送时,先传送最高位(MSB),每一个被传送的字节后面都必须跟随一位应答位(即一帧共有9位)。
如果一段时间内没有收到从机的应答信号,则自动认为从机已正确接收到数据。
AT24C02的芯片地址如下图,1010为固定,A0,A1,A2正好与芯片的1,2,3引角对应,为当前电路中的地址选择线,三根线可选择8个芯片同时连接在电路中,当要与哪个芯片通信时传送相应的地址即可与该芯片建立连接,TX-1B实验板上三根地址线都为0。
最后一位R/W为告诉从机下一字节数据是要读还是写,0为写入,1为读出。
图6AT24C02芯片地址
AT24C系列E2PROM芯片地址的固定部分为1010,A2、A1、A0引脚接高、低电平后得到确定的3位编码。
形成的7位编码即为该器件的地址码。
单片机进行写操作时,首先发送该器件的7位地址码和写方向位“0”(共8位,即一个字节),发送完后释放SDA线并在SCL线上产生第9个时钟信号。
被选中的存储器器件在确认是自己的地址后,在SDA线上产生一个应答信号作为相应,单片机收到应答后就可以传送数据了。
传送数据时,单片机首先发送一个字节的被写入器件的存储区的首地址,收到存储器器件的应答后,单片机就逐个发送各数据字节,但每发送一个字节后都要等待应答。
AT24C系列器件片内地址在接收到每一个数据字节地址后自动加1,在芯片的“一次装载字节数”(不同芯片字节数不同)限度内,只需输入首地址。
装载字节数超过芯片的“一次装载字节数”时,数据地址将“上卷”,前面的数据将被覆盖。
当要写入的数据传送完后,单片机应发出终止信号以结束写入操作。
写入n个字节的数据格式:
图7写入字节数据格式
2.2.3单片机及蜂鸣器电路
图8单片机及蜂鸣器电路
本设计所用的单片机AT89C51,AT89C51单片机是美国Atmel公司生产低电压,高性能CMOS8位单片机,片内含4kbytes的可反复擦写的只读程序存储器(EPROM)和128bytes的随机存取数据存储器(RAM),器件采用Atmel公司的高密度、非易失性存取技术生产,兼容标准MCS-51指令系统,片内置通用8位中央处理器(CPU)和Flash存储单元,功能强大[3]。
AT89C51单片机可提供许多高性价比的应用场合,可灵活应用于各种控制领域。
图9为AT89C51单片机的基本组成功能方块图。
由图可见,在这一块芯片上,集成了一台微型计算机的主要组成部分,其中包括CPU、存储器、可编程I/O口、定时器/计数器、串行口等,各部分通过内部总线相连。
下面介绍几个主要部分。
外时钟源外部事件计数
外部中断控制并行口串行通信
图9AT89C51功能方块图
ATMEL公司的AT89C51是一种高效微控制器。
采用40引脚双列直插封装形式。
AT89C51单片机是高性能单片机,因为受引脚数目的限制,所以有不少引脚具有第二功能。
VCC:
供电电压。
GND:
接地。
P0口:
P0口为一个8位漏级开路双向I/O口,每脚可吸收8TTL门电流。
当P1口的管脚第一次写1时,被定义为高阻输入。
P0能够用于外部程序数据存储器,它可以被定义为数据/地址的第八位。
在FLASH编程时,P0口作为原码输入口,当FLASH进行校验时,P0输出原码,此时P0外部必须被拉高。
P1口:
P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口,P1口缓冲器能接收输出4TTL门电流。
P1口管脚写入1后,被内部上拉为高,可用作输入,P1口被外部下拉为低电平时,将输出电流,这是由于内部上拉的缘故。
在FLASH编程和校验时,P1口作为第八位地址接收。
P2口:
P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口,P2口缓冲器可接收,输出4个TTL门电流,当P2口被写1时,其管脚被内部上拉电阻拉高,且作为输入。
并因此作为输入时,P2口的管脚被外部拉低,将输出电流。
这是由于内部上拉的缘故。
P2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时,P2口输出地址的高八位。
在给出地址1时,它利用内部上拉优势,当对外部八位地址数据存储器进行读写时,P2口输出其特殊功能寄存器的内容。
P2口在FLASH编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。
P3口:
P3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O口,可接收输出4个TTL门电流。
当P3口写入1后,它们被内部上拉为高电平,并用作输入。
作为输入,由于外部下拉为低电平,P3口将输出电流。
P3口也可作为AT89C51的一些特殊功能口,如下表所示:
P3口管脚备选功能
P3.0RXD(串行输入口)
P3.1TXD(串行输出口)
P3.2INT0(外部中断0)
P3.3INT1(外部中断1)
P3.4T0(记时器0外部输入)
P3.5T1(记时器1外部输入)
P3.6(外部数据存储器写选通)
P3.7(外部数据存储器读选通)
P3口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。
RST:
复位输入。
当振荡器复位器件时,要保持RST脚两个机器周期的高电平时间。
ALE/:
当访问外部存储器时,地址锁存允许端的输出电平用于锁存地址的地址字节。
在FLASH编程期间,此引脚用于输入编程脉冲。
在平时,ALE端以不变的频率周期输出正脉冲信号,此频率为振荡器频率的1/6。
因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。
然而要注意的是:
每当用作外部数据存储器时,将跳过一个ALE脉冲。
如想禁止ALE的输出可在SFR8EH地址上置0。
此时,ALE只有在执行MOVX,MOVC指令是ALE才起作用。
PSEN:
外部程序存储器的选通信号端。
在由外部程序存储器取指期间,每个机器周期两次PSEN有效。
但在访问外部数据存储器时,这两次有效的/PSEN信号将不出现。
/VP:
当
保持低电平时,则在此期间外部程序存储器(0000H-FFFFH),不管是否有内部程序存储器。
注意加密方式1时,将内部锁定为RESET;当端保持高电平时,此间内部程序存储器。
在FLASH编程期间,此引脚也用于施加12V编程电源。
XTAL1:
反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。
XTAL2:
反向振荡器的输出,如采用外部时钟源驱动器件,应不接。
蜂鸣器分两种,有源和无源的。
有源蜂鸣器直接接上额定电源(新的蜂鸣器在标签上都有注明)就可连续发声,而无源蜂鸣器则和电磁扬声器一样,需要接在音频输出电路中才能发声。
有源要单片机普通IO端口直接高低电平驱动,如果你的单片机端口驱动能力不够可以用三极管驱动。
程序也简单,但只能发出一种声音。
无源的话要频率驱动,不同频率驱动会发出不同的声音。
IO选择上最好是选择定时器的IO输出,PWM输出或其他方便生成不同频率输出的端口。
程序略复杂,看你单片机是否方便编程输出频率信号。
有源蜂鸣器电路在下面,有源的电路看你具体的驱动电压不同而不同。
图10蜂鸣器电路
通常P1、P2、P3口都可以用来作为控制,P0口也可以,但因其内部无上拉电阻,所以外接时,应接一1K的上拉电阻,其他一样。
有源蜂鸣器驱动电路设计,无须外加驱动电路。
蜂鸣器有正负极性之分。
对于直流供电的蜂鸣器而言,如果极性接反不会烧坏。
蜂鸣器的驱动电流一般是30VP-380V。
在蜂鸣器电路中,三极管的作用是放大声音信号.三极管是一种控制元件,主要用来控制电流的大小,以共发射极接法为例(信号从基极输入,从集电极输出,发射极接地),当基极电压UB有一个微小的变化时,基极电流IB也会随之有一小的变化,受基极电流IB的控制,集电极电流IC会有一个很大的变化,基极电流IB越大,集电极电流IC也越大,反之,基极电流越小,集电极电流也越小,即基极电流控制集电极电流的变化。
但是集电极电流的变化比基极电流的变化大得多,这就是三极管的放大作用。
蜂鸣器的正极接到三极管的基电极E,蜂鸣器的负极接地,三极管的基级B经过限流电阻R16后由单片机的P2.4引脚控制,当P2.4输出高电平时,三极管Q1截止,没有电流流过线圈,蜂鸣器不发声;当P2.4输出低电平时,三极管导通,这样蜂鸣器的电流形成回路,发出声音。
2.2.4按键部分
本实验需要四个独立按键,独立式按键是指直接用I/O线构成的单个按键电路,每个独立式按键占有一根I/O口线,每根I/O口线上的按键的工作状态不会影响其他I/O口线的工作状态,其结构简单,但I/O口线浪费较大[16]。
独立式按键配置灵活,软件结构简单,上拉电阻保证了按键断开时,I/O口线有确定的高电平.
2.2.5红外遥控电路
用一个成品红外电器遥控器发射信号,再由单片机解码控制数码管。
如图11:
图11红外发射部分结构图
当按下遥控按钮时,AS3010产生相应的控制脉冲,由红外发光二极管发射出去。
如图12:
图12红外接收部分结构图
●本次设计用到的AS3010是一种红外遥控发射集成电路,采用CMOS工艺制造,工作电压范围宽,能支持32种系统,每种系统最多有64条码,这样AS3010可提供多达2049个码。
本设计选择通用遥控器H-3010。
AS3010:
✧主要特点
CMOS
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