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单片机
控制
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温湿度
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显示器
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单片机控制的温湿度采集显示器,单片机,控制,节制,温湿度,采集,收集,显示器
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无 锡 职 业 技 术 学 院毕业设计说明书(论文)单片机控制的温湿度采集显示器摘要:温湿度是生活生产中的重要参数。本设计为单片机控制的温湿度采集显示器,采用模块化、层次化设计。采用AT89C51单片机为核心,新型的智能温湿度传感器DHT11主要实现对温度、湿度的检测,将温度湿度信号通过传感器进行信号的采集并转换成数字信号,在运用单片机AT89C51进行数据的分析和处理,为显示电路提供信号,实现对温湿度的采集显示。显示部分用数码管显示温湿度值。关键词:单片机AT89C51、DHT11温湿度传感器、数码管1 引言温湿度的检测与控制是工业生产过程中比较典型的应用之一,随着传感器在生产和生活中的更加广泛的应用。在生产中,温湿度的高低对产品的质量影响很大。由于温湿度的检测控制不当,可能使我们导致无法估计的经济损失。为保证日常工作的顺利进行,首要问题是加强生产车间内温度与湿度的监测工作,但传统的方法过于粗糙,通过人工进行检测,对不符合温度和湿度要求的库房进行通风、去湿和降温等工作。这种人工测试方法费时费力、效率低,且测试的温度及湿度误差大,随机性大。目前,在低温条件下通常指 100以下,温湿度的测量已经相对成熟。利用新型单总线式数字温度传感器实现对温度的测试与控制得到更快的开发。但人们对它的要求越来越高,要为现代人工作、科研、学习、生活提供更好的更方便的设施就需要从数字单片机技术入手,一切向着数字化,智能化控制方向发展。 对于国内外对温湿度检测的研究,从复杂模拟量检测到现在的数字智能化检测越发的成熟,随着科技的进步,现在的对于温湿度研究,检测系统向着智能化、小型化、低功耗的方向发展。在发展过程中,以单片机为核心的温湿度控制系统发展为体积小、操作简单、量程宽、性能稳定、测量精度高,等诸多优点在生产生活的各个方面实现着至关重要的作用。 温湿度传感器除电阻式、电容式湿敏元件之外,还有电解质离子型湿敏元件、重量型湿 、光强型湿敏元件、声表面波湿敏元件等。敏元件(利用感湿膜重量的变化来改变振荡频率)湿敏元件的线性度及抗污染性差,在检测环境湿度时,湿敏元件要长期暴露在待测环境中,很容易被污染而影响其测量精度及长期稳定性。2 总体方案设计制作一个温湿度采集显示器,通过单片机获取温湿度采集器并将温湿度度通过数码管显示,设计要求:1.设计出如下模块电路:单片机最小系统电路,温湿度采集电路,显示电路;2.温湿度采集方案设计;3.编写程序,实现上述功能。21方案一:电阻测量温度、湿度 热电偶工作原理:热电偶是通过把两根不同的导体或半导体线状材料A和B的一端焊接起来而形成的,A、B就称为热电极(或热电偶丝)。焊接起来的一端置于被测温度t处,称为热电偶的热端(或称测量端、工作端);非焊接端称为冷端(或参考端、自由端),冷端则置于被测对象之外温度为t0的环境中。如把热电偶的两个冷端也连接起来则形成一个闭合回路,如图1所示,则当热端温度和冷端温度不相等,即tto时,回路中有电流流过,这说明在回路中产生了电动势,由于热电偶两个接点处的温度不同而产生的电动势称为热电(动)势,上述理象称为热电效应,或称塞贝克效应。热电偶就是利用热电效应来测量温度的。进一步的研究表明,热电势是由接触电势和温差电组成的。图1 热电偶回路热电偶温度测量由如图所示三部分组成: 热电偶 毫伏测量电路或毫伏测量仪表 连接热电偶和毫伏测量电路的补偿导线与铜线图2 热电偶测温系统示意图热电偶温度测量电路:图3热电偶温度测量电路原理如图3所示,热电偶产生的毫伏信号经放大电路后由VT端输出。它可作为A/D转换接口芯片的模拟量输入。第1级反相放大电路,根据运算放大器增益公式:增益为10。第2级反相放大电路,根据运算放大器增益公式:增益为20。总增益为200,由于选用的热电偶测温范围为0200变化,热电动势010mV对应放大电路的输出电压为02V。湿敏电阻的特点是在基片上覆盖一层用感湿材料制成的膜,当空气中的水蒸气吸附在感湿膜上时,元件的电阻率和电阻值都发生变化,利用这一特性即可测量湿度。湿敏元件的线性度及抗污染性差,在检测环境湿度时,湿敏元件要长期暴露在待测环境中,很容易被污染而影响其测量精度及长期稳定性。采用热敏电阻、湿敏电阻。但湿、热敏电阻精度、重复性、可靠性较差,对于检测要求精度高的温湿度是不适用的。模数转换温度采集湿度采集 AT89C51显示部分图4 单片机控制的温湿度采集显示电路框图22方案二:智能集成温湿度传感器集成温湿度传感器测量精度高,能把温度、湿度转化成数字,测得的温湿度值的存储在自带RAM中,单片机直接从中读出数据转换成十进制就是温度、湿度,使用方便。AT89C51温湿度传感器采集温度、湿度显示部分图5单片机控制的温湿度采集显示电路框图鉴于方案二测量精度高、单片机读取数据方便、电路简单,因此本设计采用方案二。3分电路设计和论证 31 温湿度采集电路设计和论证 311 温湿度传感器SHT10本系统选择的温湿度传感器是由瑞士Sensirion公司推出了SHT10单片数字温湿度集成传感器采用CMOS过程微加工专利技术CMOSens technology确保产品具有极高的可靠性和出色的长期稳定性。传感器将传感元件和信号处理电路集成在一块微型电路板上,输出完全标定的数字信号。传感器包括一个电容性聚合体测湿敏感元件、一个用能隙材料制成的测温元件,并在同一芯片上,与14 位的A/D 转换器以及串行接口电路实现无缝连接。因此,该产品具有品质卓越、响应迅速、抗干扰能力强、性价比高等优点。每个传感器芯片都在极为精确的湿度腔室中进行标定,校准系数以程序形式储存在OTP 内存中,用于内部的信号校准。两线制的串行接口与内部的电压调整,使外围系统集成变得快速而简单。微小的体积、极低的功耗,使SHT10成为各类应用的首选。SHT10提供表贴LCC 封装,可以使用标准回流焊接。1、湿度测量范围:0-100%RH 2、湿度测量精度:4.5%RH 3、温度测量范围:-40-123.8 4、温度测量精度:0.4 5、工作电压:2.2-5.5VDC 6、数字信号输出相对湿度参数条件mintypmax单位分辨率10.40.050.05%RH81212bit精度 2SHT10典型值4.5%RH最大值见图6重复性0.1%RH互换性可完全互换迟滞1%RH非线性原始数据3%RH线性化后1%RH响应时间3(63%)8s工作范围0100%RH漂移4常规 0.5%RH/yr表1 相对湿度图6 25时每种型号传感器的相对湿度的最大误差温度参数条件mintypmax单位分辨率 10.040.010.01C121414bit精度2SHT10典型值0.5C最大值参见图7重复性0.1C互换性可完全互换工作范围-40123.8C-40254.9F响应时间6(63%)530s漂移 0.04C/yr表2 温度图7 每种型号传感器的温度的最大误差如图8所示传感器SHT10的原理图图8 传感器SHT10的原理图如果与SHT10通讯中断,可通过下列信号时序复位:当DATA 保持高电平时,触发SCK 时钟9次或更多,参阅图9。接着发送一个“传输启动”时序。这些时序只复位串口,状态寄存器内容仍然保留。图9 复位时序用一组“ 启动传输”时序,来完成数据传输的初始化。它包括:当SCK 时钟高电平时DATA 翻转为低电平,紧接着SCK 变为低电平,随后是在SCK时钟高电平时DATA 翻转为高电平。参见图10。图10启动时序命令代码预留0000x温度测量00011湿度测量00101读状态寄存器00111写状态寄存器00110预留0101x-1110x软复位,接口复位,状态寄存器复位即恢复为默认状态,在要发送下一个命令前,至少等待11ms.11110表3 指令代码图11 SHT10工作的整个时序如图12所示传感器SHT10的电路连接图图12 传感器SHT10的电路连接图 312 智能温湿度传感器DHT11DHT11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和卓越的长期稳定性。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存在OTP内存中,传感器内部在检测型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,使其成为给类应用甚至最为苛刻的应用场合的最佳选择。产品为4针单排引脚封装,连接方便。技术参数供电电压: 3.35.5V DC输 出: 单总线数字信号测量范围: 湿度20-90%RH, 温度050测量精度: 湿度+-5%RH, 温度+-2分 辨 率: 湿度1%RH, 温度1互 换 性: 可完全互换 ,长期稳定性: 1%RH/年电气特性MCUDHT115KDATAVDDVDD1Pin2Pin4PinGND图13 单片机与DHT11连接图型号测量范围测湿精度测温精度分辨力封装DHT112090%RH 0505%RH214 针单排直插表4 DHT11的信息DHT11引脚说明pin名称注释1VDD供电 35.5VDC2DATA串行数据,单总线3NC空脚,请悬空4GND接地,电源负极表5 DHT11引脚说明VDD=5V,T = 25,除非特殊标注参数条件mintypmax单位供电DC355.5V供电电流测量0.52.5mA平均0.21mA待机100150uA采样周期秒1次表6 DHT11参数传感器上电后,要等待 1s 以越过不稳定状态在此期间无需发送任何指令。电源引脚(VDD,GND)之间可增加一个100nF 的电容,用以去耦滤波。串行接口(单线双向) DATA 用于微处理器与 DHT11之间的通讯和同步,采用单总线数据格式,一次通讯时间4ms左右,数据分小数部分和整数部分,具体格式在下面说明,当前小数部分用于以后扩展,现读出为零.操作流程如下: 一次完整的数据传输为40bit,高位先出。 数据格式:8bit湿度整数数据+8bit湿度小数数据 +8bit温度整数数据+8bit温度小数数据 +8bit校验和 数据传送正确时校验和数据等于“8bit湿度整数数据+8bit湿度小数数据+8bit温度整数数据+8bit温度小数数据”所得结果的末8位。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.从模式下,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。1.通讯过程如图14所示图14通讯过程总线空闲状态为高电平,主机把总线拉低等待DHT11响应,主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接收到主机的开始信号后,等待主机开始信号结束,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后, 读取DHT11的响应信号,主机发送开始信号后,可以切换到输入模式,或者输出高电平均可, 总线由上拉电阻拉高。图15总线为低电平,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,高电平的长短定了数据位是0还是1.格式见下面图示.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。数字0信号表示方法如图16所示 图16数字1信号表示方法.如图17所示图17图18 DHT11温湿度采集模块鉴于温湿度DHT11测量精度高、单片机读取数据方便、电路简单、性价比较高,因此本设计采用DHT11。32 显示电路设计和论证 321 LCD显示采用LCD显示。LCD具有轻薄短小、低耗电量,平面直角显示以及影像稳定不闪烁等优势,可视面积大,画面效果好,分辩率高,抗干扰能力强等特点。但由于只需要显示温度和湿度值,信息量少,且LCD液晶显示的成本相对来说比较高。图19 LCD显示模块 322 数码管显示 采用普通的LED数码管作为显示器件。数码管具有低能耗、低损耗、低压、寿命长、耐老化、防晒、防潮、防火、防高(低)温,对外界环境要求低,易于维护,同时其精度比较高,操作简单;编程容易,资源占用较少。74HC573介绍:74HC573是一款高速CMOS器件,74HC573引脚兼容低功耗肖特基TTL(LSTTL)系列。74HC573包含八路D型透明锁存器,每个锁存器具有独立的D型输入,以及适用于面向总线的应用的三态输出。所有锁存器共用一个锁存使能(LE)端和一个输出使能(OE)端。当LE为高时,数据从Dn输入到锁存器,在此条件下,锁存器进入透明模式,也就是说,锁存器的输出状态将会随着对应的D输入每次的变化而改变。当LE为低时,锁存器将存储D输入上的信息一段就绪时间,直到LE的下降沿来临。当OE为低时,8个锁存器的内容可被正常输出;当OE为高时,输出进入高阻态。OE端的操作不会影响锁存器的状态。8数据锁存器。主要用于数码管、按键等等的控制 八进制 3 态非反转透明锁存器74HC573高性能硅门CMOS器件锁存器:输入是和标准 CMOS 输出兼容的;加上拉电阻,他们能和 LS/ALSTTL 输出兼容。当锁存使能端LE为高时,这些器件的锁存对于数据是透明的(也就是说输出同步)。当锁存使能变低时,符合建立时间和保持时间的数据会被锁存。u36755X出能直接接到 CMOS,NMOS 和 TTL 接口上u25805X作电压范围:2.0V6.0V 图20 74HC573引脚图u20302X输入电流:1.0uACMOS 器件的高噪声抵抗特性74HC573 特性:输入输出分布在芯片封装的两侧,为微处理器提供简便的接口用于微控制器和微型计算机的输入输出口三态正相输出,用于面向总线的应用共用三态输出使能端逻辑功能与74HC563、74HC373相同遵循JEDEC标准no.7AESD保护HBM EIA/JESD22-A114-C超过2000 VMM EIA/JESD22-A115-A超过200 V温度范围-40+85 -40+125 数据锁存:当输入的数据消失时,在芯片的输出端,数据仍然保持; 这个概念在并行数据扩展中经常使用到。74HC573功能表:(X=不用关心,Z=高阻抗)输入输出OELEDQLHHHLHLLLLXQ0HXXZ表7 74HC573真值表LE为锁存控制端;OE为使能端。74HC573引脚功能表:PIN No 引脚号SYMBOL符号NAME AND FUNCTION名称及功能1OE3 State output Enable Input (Active LOW)3态输出使能输入(低电平)2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9D0 to D7Data Inputs数据输入12,13,14,15,16,17,18,19Q0 to Q73 State Latch Outputs 3态锁存输出11LELatch Enable Input 锁存使能输入10GNDGround接地(0V)20VCCPositive Supply Voltage电源电压表8 74HC573引脚功能表1脚三态允许控制端低电平有效1D8D为数据输入端1Q8Q为数据输出端74HC573引脚图图21 74HC573内部原理图图22 LED显示模块鉴于数码管低能耗、低损耗、低压、寿命长、耐老化、防晒、防潮、防火、防高(低)温,对外界环境要求低,易于维护,同时其精度比较高,操作简单;编程容易,资源占用较少,性价比高,故选择数码管较好。4 软件设计41程序流程411系统主程序流程图等上电稳定计数为60开始调用函数读温湿度设定定时器重新计数,次数加1读温湿度触发次数为偶数显示温度显示湿度YN返回0有数据YN图23 主程序流程图412各子程序流程图定义变量开始关闭中断总允许位拉低数据线延时20毫秒释放数据线延时40us检测应答信号是高电平返回错误信号等待应答信号结束读数据错误,退出函数检测计数器超范围释放数据线应答信号为高电平,等待80us打开中断总允许位,退出函数读数据出错数据和等于校验值读出次数不是5求出数据和温度、湿度扩大10倍返回正确信号打开中断总允许位,退出函数YNYN打开中断总允许位检测计数器超范围i5将数据赋值给数组打开中断总允许位,退出函数释放数据线打开中断总允许位结束i+i=0图24 读温度和湿度子程序42程序 421主程序/SCHEMATIC.除了dht11的接口外其他的电路原理图与天祥电子的C51板对应 /只要在keil下建三个文件后将两个C后缀的文件添加到工程就可以进行编译.单片机时钟为11.0592M/现象是循环显示温度和湿度各显示三秒小数位显示0/若需将dht11.c和其他的硬件结合使用只需在需用到温湿度值的文件加下面声明 /extern int temp_value, humi_value;(temp_value是温度值,humi_value是湿度值,比实际的温湿度值扩大了十倍 )/一、 /文件名保存为main.c/*/ /除了dht11的接口外其他的电路原理图与天祥的C51板对应 /现象是循环显示温度和湿度各显示三秒 #include dht11.h#include /数码管位定义 sbit DULA= P26; sbit WELA=P27; #define SET_DULA() (DULA=1) #define RESET_DULA() (DULA=0) #define SET_WELA() (WELA=1) #define RESET_WELA() (WELA=0) /中断计数标志 static unsigned char flag; /数码管编码 static unsigned char code array=0x3f,0x06,0x5b,0x4f,0x66, 0x6d,0x7d,0x07,0x7f,0x6f; extern int temp_value, humi_value ;static void InitTime(void); void Delay_1ms(unsigned int ms); static void SMG_Display(unsigned int value); int main(void) unsigned char mark=0; /先等上电稳定 Delay_1ms(1000); /因为读一次数据dht11才会触发一次采集数据. /即在先使用数据时采集一次数据 ReadTempAndHumi(); /因为在两次采集数据需一定的时间间隔这里还可减少 Delay_1ms(3000) /设定定时器 InitTime(); while(1) /三秒读一次温湿度 if(flag=60) flag=0; mark+; /* /读温湿度可检测函数调用是否失败 /函数返回OK(1)表示成功,返回ERROR(0)表示失败 /OK和ERROR是在DHT11.H中定义的宏 */ ReadTempAndHumi(); if(mark%2=0) /显示温度 SMG_Display(temp_value); else /显示湿度 SMG_Display(humi_value); return 0 ;/设定定时器 static void InitTime(void) TH0=(unsigned char)(65535U - 50000) 8); TL0=(unsigned char)(65535U - 50000); TMOD=0X01; TR0=1; ET0=1; EA=1; /数码管显示函数 static void SMG_Display(unsigned int value) unsigned char ge, bai, shi; ge=value%10; shi=value%100 / 10; bai=value%1000 / 100; SET_WELA(); P0=0XFE; RESET_WELA(); P0=0XFF; SET_DULA(); P0=arraybai; RESET_DULA(); Delay_1ms(2); SET_WELA(); P0=0XFD; RESET_WELA(); P0=0XFF; SET_DULA(); P0=arrayshi; P0=0x80; /*显示小数点*/ RESET_DULA(); Delay_1ms(2); SET_WELA(); P0=0XFB; RESET_WELA(); P0=0XFF; SET_DULA(); P0=arrayge; RESET_DULA(); Delay_1ms(2);/中断函数 void timer(void) interrupt 1 TH0=(unsigned char)(65535 - 50000) 8); TL0=(unsigned char)(65535 - 50000); flag+; /*/422 各子程序二、 保存文件名dht11.h(保存时必须命名为dht11.h)/*/*/ #ifndef _DHT11_H_ #define _HDT11_H_ /设定标志(static unsigned char status)的宏值#define OK 1 #define ERROR 0 extern void Delay_1ms(unsigned int ms);/函数的返回值表示读取数据是否成功 OK表示成功 ERROR表示失败 extern unsigned char ReadTempAndHumi(void);#endif/*/ /*/三、 保存的文件名是dht11.c /单片机时钟为11.0592M #include #include dht11.h/请根据自己的dht11接的IO口来改动位定义 /防止在与硬件通信时发生死循环的计数范围 #define NUMBER 20 #define SIZE 5 sbit dht11 = P20; static unsigned char status;/存放五字节数据的数组 static unsigned char value_arraySIZE;/*可在其他的文件引用温湿度值实际是温度的整数的10倍 如dht11读回的温度是26,则temp_value=260, 湿度同理*/ int temp_value, humi_value; static unsigned char ReadValue(void);extern void Delay_1ms(unsigned int ms) unsigned int x,y; for(x=ms;x0;x-) for(y=124;y0;y-); static void Delay_10us(void) unsigned char i; i-; i-; i-; i-; i-; i-; /*读一个字节的数据*/ static unsigned char ReadValue(void) unsigned char count, value=0, i; status=OK; /设定标志为正常状态 for(i=8;i0;i-) /高位在先 value=1; count=0;/每一位数据前会有一个50us的低电平时间,等待50us低电平结束 while(dht11=0&count+=NUMBER) status=ERROR; /设定错误标志 return 0;/函数执行过程发生错误就退出函数 /26-28us的高电平表示该位是0,为70us高电平表示为1 Delay_10us(); Delay_10us(); Delay_10us(); /延迟30us后检测数据线是否还是高电平 if(dht11!=0) /进入这里表示该位是1 value+; /等待剩余(约40us)的高电平结束 while(dht11 !=0&count+=NUMBER) status=ERROR; /设定错误标志 return 0;/函数执行过程发生错误就退出函数 return(value);/读一次的数据,共五字节 extern unsigned char ReadTempAndHumi(void) unsigned char i=0, check_value=0,count=0; EA=0; dht11=0; /拉低数据线大于18ms发送开始信号 Delay_1ms(20); /需大于18毫秒 dht11=1; /释放数据线,用于检测低电平的应答信号 /延时20-40us,等待一段时间后检测应答信号,应答信号是从机拉低数据线80us Delay_10us(); Delay_10us(); Delay_10us(); Delay_10us(); if(dht11!=0)/检测应答,信号应答信号是低电平 /没应答信号 EA=1; return ERROR; else /有应答信号 while(dht11=0&count+= NUMBER) /检测计数器是否超过了设定的范围 dht11=1; EA=1; return ERROR; /读数据出错,退出函数 count=0; dht11=1;/释放数据线 /应答信号后会有一个80us的高电平,等待高电平结束 while(dht11!= 0& count+= NUMBER) dht11=1; EA=1; return ERROR;/退出函数 /读出湿.温度值 for(i=0;iSIZE;i+) value_arrayi= ReadValue(); if(status=ERROR)/调用ReadValue()读数据出错会设定status为ERROR dht11=1; EA=1; return ERROR; /读出的最后一个值是校验值不需加上去 if(i!= SIZE-1) /读出的五字节数据中的前四字节数据和等于第五字节数据表示成功 check_value +=value_arrayi; /end for /在没用发生函数调用失败时进行校验 if(check_value=value_arraySIZE-1) /将温湿度扩大10倍方便分离出每一位 humi_value=value_array0*10; temp_value=value_array2*10; dht11=1; EA=1; return OK; /正确的读出dht11输出的数据 else /校验数据出错 EA=1; return ERROR; /*/ /*/ 5软硬件系统的调试(一)调试软件介绍Protel 99SE是应用于Windows9X/2000/NT操作系统下的EDA设计软件,采用设计库管理模式,可以进行联网设计,具有很强的数据交换能力和开放性及3D模拟功能,可以完成电路原理图设计,印制电路板设计和可编程逻辑器件设计等工作,可以设计32个信号层,16个电源-地层和16个机加工层。按照系统功能来划分,Protel 99se主要包含6个功能模块:电路工程设计部分、印刷电路板设计系统、自动布线系统、电路模拟仿真系统、可编程逻辑设计系统、高级信号完整性分析系统。存储器和特殊功能寄存器的存取、中断功能、灵活的指针Keil C51软件提供丰富的库函数和功能强大的集成开发调试工具,如W
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