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文檔簡介
基于單片機和LCD的電子防潮箱看板設計摘要本設計為電子防潮箱的看板設計,電子防潮箱看板的主要作用為檢測防潮箱內的溫濕度以及設置數(shù)值。它主要由溫濕度傳感器,單片機以及顯示屏組合而成,同時附帶一些其他的功能。防潮箱看板將傳感器采集到的溫濕度通過單片機處理產生相應的溫濕度數(shù)值,而后將所得的數(shù)值輸入到顯示屏中進行顯示以便用戶直觀的觀察當前環(huán)境的溫度以及濕度。如果需要可以在看板的基礎上加上報警模塊,以及功能按鍵模塊。使用功能按鍵設置溫濕度上下限,當溫度或者濕度超過最值時數(shù)據(jù)異常,此時報警模塊會開始工作,放出警報。本文首先介紹電子防潮箱的功能,以及在各個領域中的應用,接著列出最初的兩個設計方案,經過對比選擇其中之一并進行電路設計;之后是介紹硬件電路,先說明整體框架,其次開始介紹各個模塊,主要為各個模塊的電路以及所用到的元器件的引腳及功能;再之后是軟件設計部分,先介紹總體,然后通過流程圖與表格具體介紹模塊功能效果并列出系統(tǒng)全局變量和函數(shù)功能表;最后放上實物圖以及功能效果的照片。關鍵詞:單片機溫濕度傳感器液晶顯示多功能按鍵目錄TOC\o"4-4"\h\z\t"標題1,2,標題2,3,標題3,4,標題,1"1、系統(tǒng)概述 52、方案對比 62.1方案一 62.1方案二 62.1方案總結 73、硬件設計 83.1硬件框架 83.2單元電路 83.2.1晶振電路 83.2.2溫濕度采集電路 83.2.3溫濕度顯示電路 93.2.4多功能按鍵電路 103.2.5報警控制電路 113.2.6MCU電路 123.3器件清單 134、軟件設計 144.1軟件流程圖 154.2溫濕度采集 174.3溫濕度顯示 174.4多功能按鍵電路 174.5系統(tǒng)全局變量和函數(shù)功能表 205、調試 215.1硬件調試 215.2軟件調試 215.3實際效果 22結束語 23參考文獻 24
1、系統(tǒng)概述潮濕的空氣容易使數(shù)碼產品內部的部件收到腐蝕,為了保護好這些數(shù)碼產品不受潮濕的影響,最好的辦法是買一只專用的防潮箱。[1]電子防潮箱作為一種儲物設備,雖然一是次性投入雖然較貴,不過依照器材價值和穩(wěn)定保存依然十分值得。[2]它能夠實現(xiàn)內部溫濕度恒定,除了存放電子產品外,在醫(yī)療,軍事等領域也有著廣泛的應用。防潮箱看板作為防潮箱的核心部件,能夠實現(xiàn)溫濕度的顯示、顯示、溫濕度設定等基本功能;但隨著用戶需求的進一步提升,客戶對顯示方式、智能化提升等不斷提出了新的需求[3]。本畢業(yè)設計在了解電子防潮箱基本功能的基礎上,防潮箱看板進行設計,實現(xiàn)溫濕度液晶顯示。將所設計的系統(tǒng)應用于現(xiàn)有的防潮箱,完成實驗室調試[4]。2、方案對比2.1方案一采用DHT11溫度傳感器STC89C52STC89C52LCD顯示模塊DHT11LCD顯示模塊DHT11晶振電路晶振電路按鍵模塊報警模塊按鍵模塊報警模塊圖2-1方案一 如圖2-1所示,方案一采用的是DHT11溫度傳感器;傳感器采集的溫濕度經過STC89C52處理產生溫濕度數(shù)值,然后由溫濕度顯示模塊顯示出來;STC89C52芯片內置了ISP(In-SystemProgramming)就是在線編程技術,而且支持ISP接口的引腳和串口的引腳一致,所以STC單片機只需要外接一個串口電路就可以燒錄程序;然后可以通過按鍵模塊切換溫濕度參數(shù)設置,調節(jié)溫濕度報警上下限;如果數(shù)據(jù)超出所設置的溫濕度上下限,報警模塊就會發(fā)出異常警告。2.1方案二采用數(shù)字式的STH11溫濕度傳感器報警模塊SHT11STM32報警模塊SHT11STM32晶振電路USB-TTL通信 TONGXIN1晶振電路USB-TTL通信 TONGXIN1LCD顯示模塊LCD顯示模塊按鍵模塊按鍵模塊圖2-2方案2框圖如圖2-2所示,方案二溫濕度采集電路的核心器件是SHT11[5]溫濕度傳感器。STM32接收到傳感器采集的溫濕度數(shù)值由LCD顯示模塊顯示出來;通過USB-TTL通信模塊連接電腦傳輸數(shù)據(jù);通過按鍵模塊可以切換溫濕度設置參數(shù),調節(jié)溫濕度報警上下限;如果數(shù)據(jù)超出按鍵設置的溫濕度上下限,那么報警模塊就會發(fā)出異常警告。2.1方案總結方案一與方案二的區(qū)別主要在于傳感器以及集成電路芯片的選擇。方案二中采用的STH11傳感器本身內部自帶校準,同時還自帶AD轉換電路,無需在外部增加AD轉換電路,使得電路構成簡單;而方案一STC89C52內置ISP,且支持ISP接口的引腳與串口的引腳一致,所以無需USB-TTL通信模塊,只需要外接串口就可以完成通信傳輸數(shù)據(jù),且STC芯片價格比起STM更便宜。相較方案二,利用方案一實現(xiàn)電子防潮箱看板的設計所需成本更低、電路簡單,需要搭建的模塊也更少,所以本次畢業(yè)設計選擇用方案一來實現(xiàn)。
3、硬件設計3.1硬件框圖整個系統(tǒng)功能由軟件程序配合硬件電路共同實現(xiàn),[6]本次設計的硬件部分設計框圖如下,設計分為溫濕度采集、顯示、報警電路、晶振電路、多功能按鍵電路等模塊。多功能按鍵電路MCU多功能按鍵電路MCU溫濕度顯示電路報警電路 溫濕度顯示電路報警電路溫濕度采集電路溫濕度采集電路晶振電路晶振電路圖3-1硬件設計整體框圖如圖3-1所示,本次的電子防潮箱看板設計以單片機芯片作為MCU,使用STC整合其他功能電路。使用晶振電路為CPU提供時鐘基準;用溫濕度采集電路采集當前環(huán)境下的溫度和濕度傳入單片機,經過處理后將溫濕度數(shù)值傳入顯示電路進行顯示;用多功能按鍵設定報警閾值,超出閾值時報警電路發(fā)出警報。3.2單元電路3.2.1晶振電路圖3-2晶振電路如圖3-2所示,C1,C2為電容,X1為11.0592MHZ晶振。為CPU提供時鐘基準。使其可以進行定時,延遲等功能。3.2.2溫濕度采集電路圖3-2溫濕度采集電路圖3-3DHT11實物圖濕度測量具有重要的研究意義和應用價值[13],本次設計由溫濕度采集電路提供MCU所需要處理的溫濕度數(shù)值,如圖3-2所示。該電路以DHT11溫濕度傳感器為核心采集溫濕度數(shù)值,DHT11傳感器實物如圖3-3所示。DHT11一共包含四個端口;其中GND為電源端口;VDD為電源正極,VCC為3-5.5V直流電壓;DATA端口為串行數(shù)據(jù),單總線端口,通過此端口與MCU連接;NC端口空腳。該傳感器濕度精度為±5%,溫度精度為±2%,可以測量5-95%RH范圍的濕度和-20~+50℃范圍的溫度。3.2.3溫濕度顯示電路圖3-4溫濕度顯示電路圖3-5LCD1602實物圖液晶顯示器可以通過編程控制顯示任何想要顯示的內容,包括字符、漢字和圖像。[12]溫濕度傳感器采集的數(shù)據(jù)經過MCU處理后傳輸?shù)絃CD中顯示溫濕度數(shù)值,可以讓用戶觀察到當前環(huán)境的溫濕度。顯示電路如上圖所示。 LCD1602顯示屏是字符型液晶,液晶顯示模塊具有體積小、功耗低、顯示內容豐富、超薄輕巧等優(yōu)點,[7]且控制簡單成本較低,所以本次設計使用該顯示屏來制作顯示電路,LCD實物如圖3-5。編號符號引腳說明編號符號引腳說明1VSS電源地9DB2數(shù)據(jù)2VDD電源正極10DB3數(shù)據(jù)3V0液晶顯示偏壓11DB4數(shù)據(jù)4RS數(shù)據(jù)/命令選擇12DB5數(shù)據(jù)5RW讀/寫選擇13DB6數(shù)據(jù)6E使能信號14DB7數(shù)據(jù)7DB0數(shù)據(jù)15A背光源正極8DB1數(shù)據(jù)16K背光源負極 表3-1LCD1602主要引腳功能表如表3-1所示,LCD1602芯片共有16個端口:端口1:VSS為地電源。端口2:VDD接5V正電源。端口3:V0為液晶顯示器對比度調整端,接正電源時對比度最弱,接地時對比度最高。端口4:RS為寄存器選擇腳,高電平時選擇數(shù)據(jù)寄存器、低電平時選擇指令寄存器。端口5:RW為讀/寫信號線,高電平時進行讀操作,低電平時進行寫操作。當RS和R/W共同為低電平時可以寫入指令或顯示地址;當RS為低電平,R/W為高電平時,可以讀忙信號;當RS為高電平,R/W為低電平時,可以寫入數(shù)據(jù)。端口6:E端為使能端,當E端由高電平跳變?yōu)榈碗娖綍r,液晶模塊執(zhí)行命令。端口7~14:D0~D7為8位雙向數(shù)據(jù)線。端口15:背光源正極。端口16:背光源負極。[8]
3.2.4多功能按鍵電路圖3-6多功能按鍵電路在單片機系統(tǒng)設計應用過程中,一般會選擇鍵盤顯示器的同步運用。[10]本設計以多個按鍵組成多功能按鍵電路來調節(jié)顯示屏所呈現(xiàn)的數(shù)值,輸入模塊,采用獨立按鍵模式,每個按鍵各接一根輸入線,彼此相互獨立,互不干擾。[9]電路如圖3-6所示,在本設計中共采用了3個按鍵來對數(shù)值進行調整,分別為SETUP、UP、DOWN。這三個按鍵的電路類似,它們一端接地,另一端連接MCU,以SETUP為例,當按下時,由于電路的導通,設置端與GND相連,給MCU提供低電平。按鍵功能效果SETUP設置選擇所要修改的數(shù)值UP修改數(shù)值所選中數(shù)值加一DOWN修改數(shù)值所選中數(shù)值減一表3-2按鍵功能表按鍵名稱初始第一次按下第二次按下第三次按下第四次按下SETUPH-LH-HT-LT-HH-L表3-3SETUP具體功能表三個按鈕的功能如以上兩表所示,UP和DOWN的作用是修改數(shù)值,其中UP的作用是“1”即按下UP會使所選中的數(shù)值加一,與之相對 DOWN的作用是讓所選中的數(shù)值減一;SETUP為設置按鈕,它的作用是切換需要修改的溫濕度報警上下限參數(shù),本設計共有四種參數(shù):H-H為濕度報警上限參數(shù);H-L為濕度報警下限參數(shù);T-H為溫度報警上限參數(shù);T-L溫度報警下限參數(shù)。初始默認的參數(shù)為H-H,如有需求可以使用UP或者DOWN對H-H的數(shù)值進行修改;在第一次按下SETUP按鈕后會切換到H-H;第二次按下會切換到T-L;第三次按下切換到T-H;第四次按下就完成了一個循環(huán),重新回到H-L。3.2.5報警控制電路圖3-7聲音報警電路圖3-8蜂鳴器實物圖是否有異常數(shù)據(jù)BEEP端口三極管蜂鳴器無高電平不導通不響有低電平導通響表3-4報警電路功能圖 系統(tǒng)中蜂鳴器報警電路主要由PNP型三極管組成,低電平有效。[11]如果傳感器收集的溫濕度數(shù)值超過之前按鍵電路所設置的閾值,BEEP給一個低電平有效,使三極管導通,蜂鳴器報警,蜂鳴器為電路的主要器件,圖3-8為蜂鳴器的實物圖。報警電路的功能如表3-4所示,如果MCU處理的溫濕度數(shù)值超過或不足按鍵電路設置的溫濕度上下限就會給出異常報警信號,此時BEEP端收到信號為低電平,蜂鳴器開始工作,發(fā)出叫聲,起報警作用。若未檢測到異常數(shù)據(jù),BEEP端為高電平,蜂鳴器不工作,不發(fā)出報警信號。3.2.6MCU電路圖3-12STC89C52RC單片機引腳圖圖3-13STC89C52RC實物圖本次設計使用成本較低的STC89C52芯片作為設計核心,實物如圖3-13。在此次設計中需要實現(xiàn)溫濕度采集、溫濕度顯示、多功能按鍵、閾值設置、報警等功能。如圖3-12所示,STC89C52共有40個引腳,在此次設計中用到了其中22個引腳,其中P0.0~P0.7連接顯示屏D0~D7端口,P2.5~P2.7分別連接顯示屏的RS,RW以及E,以此實現(xiàn)液晶顯示功能;P1.0連接著溫濕度采集電路的P1.0端口,實現(xiàn)溫濕度采集功能;P2.0、P2.1、P2.2連接著多功能按鍵電路的三個按鈕,實現(xiàn)閾值設置功能;P3.7連接著報警控制電路,實現(xiàn)報警功能。表3-5說明了MCU主要引腳及其功能.編號網絡標號端口配置功能說明1DB0P0.0數(shù)據(jù)2DB1P0.1數(shù)據(jù)3DB2P0.2數(shù)據(jù)4DB3P0.3數(shù)據(jù)5DB4P0.4數(shù)據(jù)6DB5P0.5數(shù)據(jù)7DB6P0.6數(shù)據(jù)8DB7P0.7數(shù)據(jù)9RSP2.5數(shù)據(jù)/命令選擇10RWP2.6讀/寫選擇11EP2.7使能信號12SETUOP2.0溫濕度上下限參數(shù)切換13UPP2.1加‘1’鍵14DOWNP2.2減‘1’鍵15XTAL1XTAL1延遲16XTAL2XTAL2延遲17BEEPP3.7報警18DHT11T2/P1.0溫濕度采集19P4.6P4.6內部存儲20RSTRST復位21GNDGND電源接地22VCCVCC電源正極表3-5STC89C52單片機引腳連接功能說明表3.3主要器件清單編號器件描述標號數(shù)量1STC89C52RC集成電路U112DHT11集成電路U213LCD1602集成電路LCD1411.0592M49S晶振晶體振蕩器X11510uF100V電容電解電容C11630pF瓷片電容瓷片電容C2,C31、271k1%1/4W金屬膜電阻電阻R1,R2,R3,R4,R5,R6,R7,R8,R9,R10,R11,R121286*6立式開關開關SETUP,UP,DOWN393V有源蜂鳴器蜂鳴器BUZ111010K-1033296W電位器電位器RV1111Q8550三極管Q11表3-6硬件設計主要器件清單
4、軟件設計4.1軟件流程圖本設計軟件部分通過keil5軟件實現(xiàn)電子防潮箱看板的程序設計。軟件軟件模塊溫濕度顯示模塊報警模塊參數(shù)設定溫濕度顯示模塊報警模塊參數(shù)設定圖4-1軟件流程圖如圖4-1所示,軟件主要包括三個模塊:溫濕度顯示模塊、參數(shù)設定、報警模塊。1、溫濕度顯示模塊,該模塊中包括溫濕度的采集和顯示。2、參數(shù)設定,該模塊負責通過按鍵對顯示的數(shù)值進行修改設定。3、報警模塊,當顯示的溫濕度數(shù)值超過設定的閾值發(fā)出警報下面給出具體程序運行流程圖: 開始開始開始開始初始化初始化溫濕度數(shù)值異常溫濕度采集溫濕度數(shù)值異常溫濕度采集NONO不發(fā)送報警信號不發(fā)送報警信號溫濕度是否正確溫濕度是否正確NONOYESYES發(fā)送報警信號發(fā)送報警信號YESYES溫濕度顯示結束溫濕度顯示結束圖4-2主程序流程圖圖4-3報警流程圖開始開始顯示界面顯示界面NONO顯示界面不變按下按鍵顯示界面不變按下按鍵YESYES更新顯示界面更新顯示界面結束結束4-4參數(shù)設定流程圖圖4-2為主程序流程圖,主要為溫濕度的采集和顯示,開始運行后先對顯示屏進行初始化,采集完溫濕度后進行判定如果溫濕度大于0則向顯示屏輸出結果,否則重新采集數(shù)據(jù)。圖4-3為報警流程圖,開始后判斷溫濕度數(shù)值是否異常,異常則發(fā)送報警信號,否則不發(fā)送。圖4-4位參數(shù)設定流程圖,開始后顯示界面,判斷是否有按下按鍵,未按下則顯示界面不變;否則改變參數(shù)并更新顯示界面。溫濕度采集開始4.2溫濕度采集溫濕度采集開始采集數(shù)據(jù)采集數(shù)據(jù)轉換采集數(shù)據(jù)為溫濕度數(shù)值轉換采集數(shù)據(jù)為溫濕度數(shù)值保存至全局變量保存至全局變量結束結束圖4-5溫濕度采集流程圖圖4-5為采集流程,首先采集數(shù)據(jù),之后將采集到的溫濕度轉換成相應的溫濕度數(shù)值并分別保存到溫濕度的全局變量中,溫度將保存到wendu,濕度將保存到shidu。溫濕度采集代碼:voiddht11_receive(){ucharrh,rl,th,tl,revise;dht11_start();if(data==0){while(data==0);dh_delay_us(40);rh=dh_recbyte();//濕度高位rl=dh_recbyte();//濕度低位th=dh_recbyte();//溫度高位tl=dh_recbyte();//溫度低位revise=dh_recbyte();//獲取數(shù)據(jù)dht11_delay_us(25);if((rh+rl+th+tl)==revise){shidu=rh;wendu=th;} }}4.3溫濕度顯示開始開始溫濕度溫濕度顯示結束結束圖4-7溫濕度顯示流程圖如圖4-7所示,MCU在溫濕度顯示時初始界面為溫濕度顯示以及所設置的溫濕度報警上下限顯示。溫濕度顯示部分核心代碼: voidLcdShowStr(unsignedcharx,unsignedchary,unsignedchar*str){LcdSetCursor(x,y);//設置起始位置,x,y為起始坐標while(*str!='\0')//寫入字符串數(shù)據(jù),直到檢測到結束符{LcdWriteDat(*str++);}}4.4多功能按鍵按鍵功能效果SETUP設置選擇需要修改的數(shù)值UP修改數(shù)值所選中數(shù)值加一DOWN修改數(shù)值所選中數(shù)值減一表4-1按鍵功能表如表4-1所示,一共有3個按鍵,一個設置按鍵和兩個數(shù)值修改按鍵。SETUP用來選擇需要修改的溫濕度報警閾值;Up和Down對閾值報警值、溫濕度等數(shù)值做出調整,UP是將所選數(shù)值加一,DOWN是將所選數(shù)值減一。按鍵名稱初始第一次按下第二次按下第三次按下第四次按下SETUPH-LH-HT-LT-HH-L 表4-2SETUP具體功能表三個按鈕的功能如以上兩表所示,UP和DOWN的作用是修改數(shù)值,其中UP的作用是“+1”即按下UP會使所選中的數(shù)值加一,與之相對 DOWN的作用是讓所選中的數(shù)值減一;SETUP為設置按鍵,它的作用是切換需要修改的溫濕度報警上下限參數(shù),本設計共有四種參數(shù):H-H為濕度報警上限參數(shù);H-L為濕度報警下限參數(shù);T-H為溫度報警上限參數(shù);T-L溫度報警下限參數(shù)。初始默認的參數(shù)為H-H,如有需求可以使用UP或者DOWN對H-H的數(shù)值進行修改;在第一次按下SETUP按鈕后會切換到H-H;第二次按下會切換到T-L;第三次按下切換到T-H;第四次按下就完成了一個循環(huán),重新回到H-L。由于每個狀態(tài)的程序相似,就以濕度設置模式為例介紹。
開始開始NO按下NO按下SETUP保持原設置參數(shù)保持原設置參數(shù)YESYES切換報警上下限參數(shù)切換報警上下限參數(shù)NONONONO保持原參數(shù)按下DOWN保持原參數(shù)按下DOWN按下UPYESYESYESYES濕度設置值減一濕度設置值加一濕度設置值減一濕度設置值加一保存改變后的數(shù)值保存改變后的數(shù)值結束結束圖4-8濕度設置流程圖如圖4-8所示,不按下SETUP保存原顯示界面不變,按下按鍵SETUP則切換選中的報警上下限參數(shù);之后若按下按鍵UP則對數(shù)值加一,若按下DOWN按鍵則對數(shù)值進行減一,在進行加一或減一之后會將修改后的濕度上下限作為閾值,并對修改后的數(shù)值進行保存。若既沒有按下按鍵UP也沒有按下按鍵DOWN則不會對選中的上下限參數(shù)進行任何修改。濕度設置模式部分核心代碼:if(change==0)//change為當前選擇的上下限參數(shù) { if(up==0) { DHT11_delay_ms(2); if(up==0) { shidul++; } } if(down==0) { DHT11_delay_ms(2); if(down==0) { shidul--; } } }電路設置的閾值數(shù)值會被保存在EEPROM中,即使電路斷電依舊會保存按鍵修改的數(shù)據(jù),在電子防潮箱通電啟動后會自動讀取保存在EEPROM中的數(shù)據(jù),從而實現(xiàn)斷電保護功能。4.5系統(tǒng)全局變量和函數(shù)功能表系統(tǒng)主要全局變量表:全局變量名稱功能rec_dat溫濕度showset溫濕度設置wendu濕度數(shù)值shidu溫度數(shù)值shidul濕度報警數(shù)值下限shiduh濕度報警數(shù)值上限wendul溫度報警數(shù)值下限wenduh溫度報警數(shù)值上限change選中的報警上下限參數(shù) 表4-3系統(tǒng)主要全局變量表主要函數(shù)功能表:函數(shù)名稱功能lcdshowsfr顯示屏顯示DHT11_receive溫濕度采集Sector_Erase扇區(qū)擦除EEPROM_READ讀取EEPROMEEPROM_WRITE存儲至EEPROM 表4-4主要函數(shù)功能表5、調試5.1硬件調試電子防潮箱看板的正反面實物圖如圖5-1,圖5-2所示。圖5-1電子防潮箱看板正面圖5-2電子防潮箱看板反面5.2軟件調試本次畢業(yè)設計采用keil5作為開發(fā)軟件,開發(fā)步驟為:編寫、測試、下載運行。設計中使用STC89C52,只需外接串口電路就可以進行燒錄,使用USB串口線連接PC與電路進行程序燒錄。圖5-2軟件開發(fā)調試圖5-4USB串口線圖5-3程序燒錄5.3實際效果 如圖5-3所示,通電后電子防潮箱看板顯示當前溫濕度以及所設置的溫濕度報警閾值,第一排H為當前濕度,T為當前環(huán)境溫度。第二排HL為設置的濕度報警參數(shù)下限;HH為設置的濕度報警參數(shù)上限;TL為溫度報警參數(shù)下限;TH為溫度報警參數(shù)上限。當前溫濕度超出閾值則蜂鳴器發(fā)出警報。圖5-4則顯示了修改濕度報警上限和下限后的結果。圖5-3溫濕度采集界面圖5-4修改濕度報警上下限后
結束語溫濕度檢測模塊采用DHT11溫濕度傳感器,為單片機采集環(huán)境溫濕度;報警模塊以蜂鳴器為核心,當數(shù)據(jù)異常時發(fā)出警報,可以讓用戶觀測到異常;顯示模塊使用LCD1602,作為字符型液晶他可以更方便的顯示出數(shù)值以及字母方便用戶觀察;多功能按鍵實現(xiàn)了在多個參數(shù)之間的切換以及數(shù)值的修改。本次畢業(yè)設計中,我對STC89C52有了一定的了解后,開始慢慢實現(xiàn)溫濕度采集、溫濕度顯示等一些功能,并在不斷地程序調試,電路修改的過程中漸漸完成了電子防潮箱的看板設計。在設計的過程中,我發(fā)現(xiàn)了自身許多的不足,首先是軟件的使用,程序的編寫,其次是對于元件的了解,最后還有動手操作的能力都有所欠缺。最初我的想法是使用altiumdesigner繪制原理圖以及完成pcb封裝,但由于時間緊迫已經軟件的不熟悉,改用了ProteusProfessional8.8仿真軟件,因為仿真軟件只需搭建電路,之后將完成編譯的程序導入仿真圖。通過仿
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