課程設(shè)計(jì)(論文)基于AT89C51單片機(jī)的蔬菜大棚溫濕度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)_第1頁(yè)
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1、目錄摘 要2第1章 概述31.1系統(tǒng)設(shè)計(jì)背景31.2設(shè)計(jì)要求31.3蔬菜大棚溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)的簡(jiǎn)圖41.3系統(tǒng)功能、優(yōu)勢(shì)及特點(diǎn)4第2章設(shè)計(jì)內(nèi)容42.1總體方案的設(shè)計(jì)42.1.1設(shè)計(jì)思想42.1.2系統(tǒng)組成及框圖52.2系統(tǒng)主要電路的設(shè)計(jì)62.2.1主要芯片89c51的功能及引腳圖62.2.2溫濕度檢測(cè)電路的設(shè)計(jì)72.2.3復(fù)位電路的設(shè)計(jì)102.2.4 報(bào)警電路10 2.2.5 鍵盤(pán)輸入電路112.3 sht10數(shù)據(jù)采集122.4超溫濕報(bào)警和溫濕度值的lcd顯示流程圖132.5系統(tǒng)上位機(jī)流程圖142.5系統(tǒng)的原理圖142.5.1 上位機(jī)的電路原理圖142.5.2 系統(tǒng)下位機(jī)原理圖15第 3 章 課

2、程設(shè)計(jì)總結(jié)16參考文獻(xiàn)17摘 要隨著大棚技術(shù)的普及,溫室大棚數(shù)量不斷增多,對(duì)于蔬菜大棚來(lái)說(shuō),最重要的一個(gè)管理因素是溫濕度控制。溫濕度太低,蔬菜就會(huì)被凍死或則停止生長(zhǎng),所以要將溫濕度始終控制在適合蔬菜生長(zhǎng)的范圍內(nèi)。傳統(tǒng)的溫度控制是在溫室大棚內(nèi)部懸掛溫度計(jì),工人依據(jù)讀取的溫度值來(lái)調(diào)節(jié)大棚內(nèi)的溫度。如果僅靠人工控制既耗人力,又容易發(fā)生差錯(cuò)?,F(xiàn)在,隨著農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)規(guī)模的提高,對(duì)于數(shù)量較多的大棚,傳統(tǒng)的溫度控制措施就顯現(xiàn)出很大的局性。為此,在現(xiàn)代化的蔬菜大棚管理中通常有溫濕度自動(dòng)控制系統(tǒng),以控制蔬菜大棚溫度,適應(yīng)生產(chǎn)需要。 本論文主要闡述了基于at89c51單片機(jī)的蔬菜大棚溫濕度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理,主要電路設(shè)

3、計(jì)及軟件設(shè)計(jì)等。該系統(tǒng)采用at89c51單片機(jī)作為控制器,sht10作為溫濕度數(shù)據(jù)采集系統(tǒng),可實(shí)現(xiàn)大棚溫濕度的監(jiān)控。關(guān)鍵詞:at89c51;sht10;蔬菜大棚;溫濕度;控制系統(tǒng);傳感器第1章 概述1.1系統(tǒng)設(shè)計(jì)背景植物的生長(zhǎng)都是在一定的環(huán)境中進(jìn)行的,其在生長(zhǎng)過(guò)程中受到環(huán)境中各種因素的影響,其中對(duì)植物生長(zhǎng)影響最大的是環(huán)境中的溫度和濕度。環(huán)境中晝夜的溫度和濕度變化大,其對(duì)植物生長(zhǎng)極為不利。因此必須對(duì)環(huán)境的溫度和濕度進(jìn)行監(jiān)測(cè)和控制,使其適合植物的生長(zhǎng),提高其產(chǎn)量和質(zhì)量。本系統(tǒng)就是設(shè)計(jì)一個(gè)用于農(nóng)業(yè)種植生產(chǎn)蔬菜大棚溫濕度測(cè)控系統(tǒng)。本系統(tǒng)溫濕度的監(jiān)控包括以下步驟:感應(yīng)環(huán)境溫濕度;判斷感應(yīng)到的溫濕度是否異

4、常;若感應(yīng)到的溫濕度異常,若異常則出現(xiàn)異常報(bào)警。從而實(shí)現(xiàn)環(huán)境溫濕度管理的實(shí)時(shí)性和有效性。為此,在現(xiàn)代化的蔬菜大棚管理中通常有溫濕度自動(dòng)控制系統(tǒng),以控制蔬菜大棚溫度,適應(yīng)生產(chǎn)需要。它以先進(jìn)的技術(shù)和現(xiàn)代化設(shè)施,人為控制作物生長(zhǎng)的環(huán)境條件,使作物生長(zhǎng)不受自然氣候的影響,做到常年工廠化,進(jìn)行高效率,高產(chǎn)值和高效益的生產(chǎn)。1.2設(shè)計(jì)要求(1)設(shè)計(jì)基于rs485總線的數(shù)據(jù)監(jiān)控系統(tǒng),從節(jié)點(diǎn)即蔬菜大棚個(gè)數(shù)設(shè)計(jì)為3個(gè),主控制器及從節(jié)點(diǎn)都以微控制器處理核心。(2)主節(jié)點(diǎn)除了具備數(shù)據(jù)通訊功能外,具有報(bào)警顯示設(shè)置等功能。(3)各從節(jié)點(diǎn)采集主要采集各大棚溫濕度信息及上傳數(shù)據(jù)。(4)可以通過(guò)主節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)各從節(jié)點(diǎn)報(bào)警的閾值。

5、1.3蔬菜大棚溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)的簡(jiǎn)圖上位機(jī)下位機(jī)1下位機(jī)2下位機(jī)31.3系統(tǒng)功能、優(yōu)勢(shì)及特點(diǎn)該檢測(cè)系統(tǒng)充分利用at89c51單片機(jī)的軟、硬件資源,輔以相應(yīng)的測(cè)量電路和sht10數(shù)字式集成溫濕度傳感器等智能儀器,能實(shí)現(xiàn)多任務(wù)、多通道的檢測(cè)和輸出。溫濕度檢測(cè)系統(tǒng)采用sht10為溫濕度測(cè)量元件。系統(tǒng)在硬件設(shè)計(jì)上充分考慮了可擴(kuò)展性,經(jīng)過(guò)一定的添加或改造,很容易增加功能。根據(jù)溫室大棚內(nèi)的溫濕度采集到的信息,利用rs485 總線將傳感器信息送給單片機(jī)進(jìn)行顯示。并將收到的采樣數(shù)據(jù)與設(shè)定的報(bào)警值相比較,若實(shí)測(cè)值超出設(shè)定范圍,則通過(guò)屏幕顯示報(bào)警。使大棚管理人員采取相應(yīng)措施來(lái)確保大棚內(nèi)的環(huán)境正常。第2章設(shè)計(jì)內(nèi)容2.

6、1總體方案的設(shè)計(jì)2.1.1設(shè)計(jì)思想系統(tǒng)的一大特點(diǎn)是用戶可以通過(guò)上位機(jī)中的鍵盤(pán)輸入溫濕度的預(yù)置值,從而實(shí)現(xiàn)上位機(jī)對(duì)大棚內(nèi)作物生長(zhǎng)的遠(yuǎn)程控制。系統(tǒng)下位機(jī)設(shè)在種植植物的大棚內(nèi),下位機(jī)中的溫濕度傳感器可以將環(huán)境中的溫濕度非電量參數(shù)轉(zhuǎn)化成電量信號(hào),再將這些信號(hào)進(jìn)行處理后送至下位機(jī)中的單片機(jī),下位機(jī)通過(guò)rs485總線傳給上位機(jī),通過(guò)led數(shù)碼管進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示。同時(shí)與原先內(nèi)部設(shè)定的參數(shù)值進(jìn)行比較處理;單片機(jī)可以根據(jù)比較的結(jié)果決定是否報(bào)警,用戶直接通過(guò)鍵盤(pán)對(duì)溫濕度的預(yù)置值進(jìn)行設(shè)置。2.1.2系統(tǒng)組成及框圖系統(tǒng)的上位機(jī)原理框圖如下:復(fù)位電路rs485電路at89c51電源顯示電路報(bào)警電路按鍵電路 系統(tǒng)下位機(jī)原理圖

7、:at89c51 溫濕度檢測(cè)電路復(fù)位電路rs485電路電源系統(tǒng)由電源電路、溫濕度傳感器sht10、數(shù)據(jù)通訊轉(zhuǎn)換部分(rs485)、上下位機(jī)模塊(at89c51)。 1、溫濕度傳感器:負(fù)責(zé)檢測(cè)并采集各控制點(diǎn)溫濕度數(shù)據(jù)。 2、數(shù)據(jù)通訊轉(zhuǎn)換器:負(fù)責(zé)溫濕度數(shù)據(jù)采集數(shù)據(jù)的信號(hào)轉(zhuǎn)換。 3、軟件部分:軟件部分負(fù)責(zé)對(duì)所有數(shù)據(jù)進(jìn)行讀取分析,并執(zhí)行各項(xiàng)管理功能。4、控制部分(即溫濕度調(diào)節(jié)系統(tǒng)):執(zhí)行遠(yuǎn)程控制指令。 控制部分連接增濕裝置、干燥裝置、溫度的控制裝置等。2.2系統(tǒng)主要電路的設(shè)計(jì)2.2.1主要芯片89c51的功能及引腳圖芯片89c51共有40個(gè)引腳,其中電源引腳有4個(gè),控制引腳有4個(gè),并行的i/o接口有3

8、2個(gè),其引腳圖如圖所示:圖89c51引腳(1)電源及時(shí)鐘引腳(4個(gè))vcc:電源接入引腳;vss:接地引腳;xtal1:晶體振蕩器接入的一個(gè)引腳(采用外部振蕩器時(shí),此引腳接地);xtal2:晶體振蕩器接入的另一個(gè)引腳(采用外部振蕩器時(shí),此引腳作為外部振蕩信號(hào)的輸入端)。(2)控制線引腳(4個(gè))rst/vpd:復(fù)位信號(hào)輸入引腳/備用電源輸入引腳;ale/prog:地址鎖存允許信號(hào)輸出引腳/編程脈沖輸入引腳(低電平有效);ea/vpp:內(nèi)外存儲(chǔ)器選擇引腳(低電平有效)/片內(nèi)eprom(或flashrom)編程電壓輸入引腳;psen:外部存儲(chǔ)器選通信號(hào)輸出引腳(低電平有效)。(3)并行i/o引腳(3

9、2個(gè),分成4個(gè)8位口)p0.0p0.7:一般i/o引腳或數(shù)據(jù)/低位地址總線服用引腳;p1.0p1.7:一般i/o引腳;p2.0p2.7:一般i/o引腳或高位地址總線引腳;p3.0p3.7:一般i/o引腳或第二功能引腳。2.2.2溫濕度檢測(cè)電路的設(shè)計(jì)傳感器sht10的原理圖: d acalibration memerydigitalinter-facerh sensortempsensorsckdatagndvdd本系統(tǒng)選擇的溫濕度傳感器是由 瑞士sensirion公司推出了sht10單片數(shù)字溫濕度集成傳感器,采用cmos過(guò)程微加工專利技術(shù)(cmosens technology),確保產(chǎn)品具有極

10、高的可靠性和出色的長(zhǎng)期穩(wěn)定性。該傳感器包括一個(gè)電容性聚合體濕度敏感元件、一個(gè)用能隙材料制成的溫度敏感元件,并在同一芯片上,與l4位的ad轉(zhuǎn)換器以及串行接口電路實(shí)現(xiàn)無(wú)縫連接。每個(gè)傳感器芯片都在極為精確的濕度腔室中進(jìn)行標(biāo)定,以鏡面冷凝式濕度計(jì)為參照。校準(zhǔn)系數(shù)以程序形式存儲(chǔ)在otp內(nèi)存中,在校正的過(guò)程中使用。兩線制的串行接口,使外圍系統(tǒng)集成變得快速而簡(jiǎn)單。微小的體積、極低的功耗,使其成為各類應(yīng)用的首選。(1) 數(shù)字集成溫濕度傳感器sht10的主要特點(diǎn)a.相對(duì)濕度和溫度的測(cè)量兼有露點(diǎn)輸出;b.全部校準(zhǔn),數(shù)字輸出;c.接口簡(jiǎn)單(2-wire),響應(yīng)速度快;d.超低功耗,自動(dòng)休眠;e.出色的長(zhǎng)期穩(wěn)定性;f

11、.超小體積(表面貼裝);g.測(cè)濕精度±45%rh,測(cè)溫精度±0.5(25)。(2)引腳說(shuō)明a.電源引腳(vdd、gnd) sht10的供電電壓為2.4v5.5v。傳感器上電后,要等待11ms,從“休眠”狀態(tài)恢復(fù)。在此期間不發(fā)送任何指令。電源引腳(vdd和gnd)之間可增加1個(gè)100nf的電容器,用于去耦濾波。b.串行接口 sht10的兩線串行接口(bidirectional 2-wire)在傳感器信號(hào)讀取和電源功耗方面都做了優(yōu)化處理,其總線類似i2c總線但并不兼容i2c總線。 串行時(shí)鐘輸入(sck)。sck引腳是mcu與shtio之問(wèn)通信的同步時(shí)鐘,由于接口包含了全靜態(tài)邏輯

12、,因此沒(méi)有最小時(shí)鐘頻率。即微控制器可以以任意慢的速度與sht10通信。串行數(shù)據(jù)(data)。data三態(tài)引腳是內(nèi)部的數(shù)據(jù)的輸出和外部數(shù)據(jù)的輸入引腳。data在sck時(shí)鐘的下降沿之后改變狀態(tài),并在sck時(shí)鐘的上升沿有效。即微控制器可以在sck的高電平段讀取有效數(shù)據(jù)。在微控制器向sht10傳輸數(shù)據(jù)的過(guò)程中,必須保證數(shù)據(jù)線在時(shí)鐘線的高電平段內(nèi)穩(wěn)定。為了避免信號(hào)沖突,微控制器僅將數(shù)據(jù)線拉低,在需要輸出高電平的時(shí)候,微控制器將引腳置為高阻態(tài),由外部的上拉電阻(例如:lok)將信號(hào)拉至高電平。為避免數(shù)據(jù)發(fā)生沖突,mcu應(yīng)該驅(qū)動(dòng)data使其處于低電平狀態(tài),而外部接1個(gè)上拉電阻將信號(hào)拉至高電平。傳感器sht1

13、0的電路連接圖:(3)命令與時(shí)序sht10命令如表所列:命令代碼保留0000x測(cè)量溫度00011測(cè)量濕度00101讀狀態(tài)寄存器00111寫(xiě)狀態(tài)寄存器00110保留0101x1110x軟件復(fù)位,復(fù)位接口、清楚狀態(tài)寄存器為默認(rèn)值,下一個(gè)命令前等待至少11ms11110a.命令時(shí)序 發(fā)送一組“傳輸啟動(dòng)”序列進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸初始化,如圖所示。其時(shí)序?yàn)椋寒?dāng)sck為高電平時(shí)dt翻轉(zhuǎn)保持低電平,緊接著sck產(chǎn)生1個(gè)發(fā)脈沖,隨后在sck為高電平時(shí)data翻轉(zhuǎn)保持高電平。緊接著的命令包括3個(gè)地址位(僅支持“000”)和5個(gè)命令位。sht10指示正確接收命令的時(shí)序?yàn)椋涸诘?個(gè)sck時(shí)鐘的下降沿之后將data拉為低電平

14、(ack位),在第9個(gè)sck時(shí)鐘的下降沿之后釋放data(此時(shí)為高電平)。 datasck命令時(shí)序b.測(cè)量時(shí)序(rh和t)“000 00101”為相對(duì)濕度(rh)量,“000 00101”為溫度()測(cè)量。發(fā)送一組測(cè)量命令后控制器要等待測(cè)量結(jié)束,這個(gè)過(guò)程大約需要20/80/320ms對(duì)應(yīng)其8/12/14位的測(cè)量。測(cè)量時(shí)間隨內(nèi)部晶振的速度而變化,最多能夠縮短30%。sht10下拉data至低電平而使其進(jìn)入空閑模式。重新啟動(dòng)sck時(shí)鐘讀出數(shù)據(jù)之前,控制器必須等待這個(gè)“數(shù)據(jù)準(zhǔn)備好”信號(hào)。接下來(lái)傳輸2個(gè)字節(jié)的測(cè)量數(shù)據(jù)和1個(gè)字節(jié)的crc校驗(yàn)。mcu必須通過(guò)拉低data來(lái)確認(rèn)每個(gè)字節(jié)。所有的數(shù)據(jù)都從msb開(kāi)

15、始,至lsb有效。例如對(duì)于12位數(shù)據(jù),第5個(gè)sck時(shí)鐘時(shí)的數(shù)值作為msb位;而對(duì)于8位數(shù)據(jù),第1個(gè)字節(jié)(高8位)數(shù)據(jù)無(wú)意義。確認(rèn)crc數(shù)據(jù)位之后,通信結(jié)束。如果不使用crc-8校驗(yàn),控制器可以在測(cè)量數(shù)據(jù)lsb位之后,通過(guò)保持ack位為高電平來(lái)結(jié)束本次通信。測(cè)量和通信結(jié)束后,sht10自動(dòng)進(jìn)入休眠狀態(tài)模式。c.復(fù)位時(shí)序datasck傳輸開(kāi)始121314-891復(fù)位時(shí)序如果與sht10的通信發(fā)生中斷,可以通過(guò)隨后的信號(hào)序列來(lái)復(fù)位串口,如圖所示。保持data為高電平,觸發(fā)sck時(shí)鐘9次或更多,接著在執(zhí)行下次命令之前必須發(fā)送一組“傳輸啟動(dòng)”序列。這些序列僅僅復(fù)位串口,狀態(tài)寄存器的內(nèi)容仍然保留。2.2.

16、3復(fù)位電路的設(shè)計(jì)本系統(tǒng)采用rc復(fù)位電路,rc復(fù)位電路實(shí)質(zhì)是一階充放電電路。如圖所示。該電路提供有效的復(fù)位信號(hào)rst(高電平)直至系統(tǒng)電源穩(wěn)定后撤銷復(fù)位信號(hào)(低電平)。設(shè)t為保持高電平的時(shí)間,只要保證t=rc>2m(m為機(jī)器周期)即可。 復(fù)位電路圖2.2.4 報(bào)警電路系統(tǒng)采用聲音報(bào)警來(lái)實(shí)現(xiàn)溫濕度的越限報(bào)警,當(dāng)蔬菜大棚里的溫濕度超過(guò)人為的設(shè)定值時(shí),與該大棚里溫濕度傳感器相連的單片機(jī)會(huì)輸出一個(gè)高電平給該報(bào)警電路中的三極管,從而使三極管工作帶動(dòng)小喇叭發(fā)出聲音警報(bào)。2.2.5 鍵盤(pán)輸入電路本系統(tǒng)是通過(guò)鍵盤(pán)按鍵輸入電路實(shí)現(xiàn)對(duì)蔬菜大棚里的溫濕度設(shè)置。當(dāng)有人按鍵設(shè)置溫濕度后,設(shè)置的數(shù)據(jù)會(huì)傳送給主機(jī)。如果

17、下位機(jī)經(jīng)rs485總線傳送過(guò)來(lái)的數(shù)據(jù)會(huì)在主機(jī)內(nèi)與該數(shù)據(jù)進(jìn)行比較,若超過(guò)該數(shù)據(jù)則會(huì)啟動(dòng)語(yǔ)音報(bào)警電路。2.3 sht10數(shù)據(jù)采集開(kāi)始設(shè)置傳感器分辨率狀態(tài)發(fā)送“啟動(dòng)傳輸”發(fā)送測(cè)量指令指令判斷?讀測(cè)量值測(cè)量值判斷?error是否為0測(cè)量值轉(zhuǎn)換為物理量一次測(cè)量結(jié)束error=error+1ynerror=error+1yynynsht10數(shù)據(jù)采集流程圖溫濕度傳感器shtl0完成一次測(cè)量的工作順序一般為:設(shè)置傳感器分辨率發(fā)送“啟動(dòng)傳輸”命令發(fā)送測(cè)量命令讀輸出的測(cè)量值將輸出測(cè)量值轉(zhuǎn)換為物理量。微控制器首先發(fā)布一個(gè)啟動(dòng)傳輸時(shí)序,接著調(diào)用寫(xiě)時(shí)序發(fā)布溫度或濕度(取決于人口參數(shù))的測(cè)量命令,之后等待測(cè)量的完成,在測(cè)

18、量完成后,調(diào)用讀時(shí)序讀回測(cè)量結(jié)果。需要注意的一點(diǎn)是,僅當(dāng)通信錯(cuò)誤標(biāo)志error為0時(shí),才說(shuō)明通信正確,讀回的結(jié)果有效。在主程序中若檢測(cè)到通信錯(cuò)誤標(biāo)志error非零,需要使用復(fù)位時(shí)序,來(lái)復(fù)位串行端口,然后重新進(jìn)行測(cè)量shtlo數(shù)據(jù)采集程序流程圖如上圖。sht10讀寫(xiě)數(shù)據(jù)的規(guī)則是:data在sck時(shí)鐘的下降沿之后改變狀態(tài),并在sck時(shí)鐘的上升沿有效。從微控制器向sht10寫(xiě)數(shù)據(jù)的角度來(lái)看,可以理解為上升沿將觸發(fā)sht10鎖存數(shù)據(jù),即微控制器在下降沿輸出數(shù)據(jù),再給出上升沿觸發(fā)sht10鎖存數(shù)據(jù)。下降沿和上升沿之間的時(shí)間間隔需要滿足sht10的數(shù)據(jù)建立時(shí)間1 (最小值為loons),上升沿之后數(shù)據(jù)也需

19、要保持一段時(shí)間,這段時(shí)間用于滿足sht1 0的數(shù)據(jù)保持時(shí)間th(典型值為lons)。 當(dāng)sht10完成測(cè)量后,微控制器需要發(fā)布讀時(shí)序?qū)y(cè)量結(jié)果讀回。實(shí)現(xiàn)讀時(shí)序首先需要實(shí)現(xiàn)8個(gè)數(shù)據(jù)位的讀取。sht10讀寫(xiě)數(shù)據(jù)的規(guī)則是:data在sck時(shí)鐘的下降沿之后改變狀態(tài),并在sck時(shí)鐘的上升沿有效。從微控制器讀數(shù)據(jù)的角度理解,時(shí)鐘線的下降沿將觸發(fā)sht10接口內(nèi)的鎖存器輸出數(shù)據(jù),輸出數(shù)據(jù)在時(shí)鐘線上升沿之后達(dá)到穩(wěn)定,下降沿和上升沿之間的時(shí)間間隔要大于sht10的輸出數(shù)據(jù)有效時(shí)間tv(典型值為250ns),即微控制器需要先給出下降沿,延時(shí)一段時(shí)間待數(shù)據(jù)穩(wěn)定后再讀取數(shù)據(jù)。此外,微處理器需要在第9個(gè)時(shí)鐘給出應(yīng)答位,

20、這屬于寫(xiě)時(shí)序,寫(xiě)時(shí)序可參考前文的論述。讀時(shí)序的c語(yǔ)言程序代碼如下,程序的人口參數(shù)為0或1,0代表給出應(yīng)答位,繼續(xù)接收后續(xù)數(shù)據(jù);1表示終止通信。2.4超溫濕報(bào)警和溫濕度值的lcd顯示流程圖開(kāi)始端口初始化nnnyyy有鍵按下調(diào)用延時(shí)程序報(bào)警報(bào)警顯示濕度大于輸入值溫度大于輸入值調(diào)用溫濕度檢測(cè)函數(shù)測(cè)量溫濕度值 2.5系統(tǒng)上位機(jī)流程圖開(kāi)始系統(tǒng)初始化顯示更新鍵盤(pán)中斷軟件抗干擾讀鍵盤(pán)中斷返回串行口中斷傳遞信息中斷返回2.5系統(tǒng)的原理圖2.5.1 上位機(jī)的電路原理圖2.5.2 系統(tǒng)下位機(jī)原理圖第 3 章 課程設(shè)計(jì)總結(jié)通過(guò)這次設(shè)計(jì)實(shí)踐。我學(xué)會(huì)了計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)系統(tǒng)的基本思路,對(duì)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)原理和設(shè)計(jì)原則也有了更深刻的理解。在對(duì)理論的運(yùn)用中

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