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攀枝花学院单片机测量电机转速的原理及程序设计

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攀枝花学院单片机测量电机转速的原理及程序设计,毕业设计
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攀枝花学院毕业设计(论文) 单片机测量电机转速的原理及程序 学生姓名: 唐 勤 学生学号: 200320832048 院(系): 电气信息工程学院 年级专业: 03工业电气自动化 指导教师: 唐宇 讲师 二六年五月 nts攀枝花学院毕业设计(论文) 摘 要 摘 要 在生产过程中,电机的应用十分广泛,为了更好地利用电机,在实际的生产过程中便运用单片机对其转速进行测量,以便更好地为生产和生 活服务。 在本方案中,测量转速的霍尔传感器和机轴同轴连接,机轴每转一周,产生一定量的脉冲个数,由霍尔器件电路部分输出。经光电耦合器后,成为转数计数器的计数脉冲。同时传感器电路输出幅度为 12V 的脉冲经光电耦合后降为 5V,保持 89C52 逻辑电平相一致。控制计数时间,即可实现计数器的计数值对应机轴的转速值。 CPU 将该值数据处理后,在 LED 数码管上显示出来。一旦超速, CPU 通过喇叭发出报警信号,同时灯屏上对应的指示灯闪烁。必要时, CPU 发出减速或停机控制信号。 通过对本方案的设计,让我更进一步加深了专业知识,掌握了 一些基本的设计方法。 关键词 单片机 ,霍尔器件 ,光电耦合器 ,LED 数码管 nts攀枝花学院专科毕业设计(论文) ABSTRACT ABSTRACT In the production process, the electrical machinery application is extremely widespread, in order to uses the electrical machinery well, then carries on the survey in the actual production process using the monolithic integrated circuit to its rotational speed, in order to well for production and life clothing. In this plan, the survey rotational speed Hall sensor and the engine shaft plumbing, the engine shaft every time transfers a week, has a quota pulse integer, partially outputs by the Hall component electric circuit. After the photoelectricity coupler, becomes the revolution counter to count the pulse. Simultaneously the sensor electric circuit output scope pulse falls after the photoelectricity coupling, guarantees the 89C51 logic level to be consistent. The control counts the time, and then realizes the counter idea value to correspond the engine shaft the rotational speed value. After CPU this value data processing, demonstrates on the LED numerical code tube. Once overspeed, CPU sends out the alarm through the loudspeaker, simultaneously on the lamp screen corresponds the indicating lamp glitters. When necessity, CPU sends out decelerates or the engine off control signal. Through to this plan design, let me further deepen the specialized knowledge, has grasped some basic design methods. Keywords One-chip computer, Halls device, photoelectrical coupler, LED number manage nts攀枝花学院专科毕业设计(论文) 目 录 1 目 录 摘 要 . ABSTRACT . 1 原理简介 . 2 1.1原理 . 2 1.2意义 . 3 2 硬件电路设计 . 4 2.1霍尔器件 DN6837 . 4 2.1.1 霍尔效应 . 4 2.1.2 霍尔器件 . 5 2.1.3 霍尔线性电路 . 6 2.1.4 差动霍尔电路 (双霍尔电路 ) . 7 2.2光电编码器 . 7 2.3仪表仪器的数码显示 . 8 2.4单片机 . 11 2.4.1 单片机的硬件系统 . 11 2.4.2 单片机的软件系统 . 12 2.4.3 常用术语及外部结构 . 12 2.4.4 CPU 及存储器 . 14 2.4.5 引脚功能及 CPU 的时序 . 20 2.4.6 振荡电路、时钟电路、接口电路 . 22 2 5硬件电路 . 25 3 软件设计 . 26 3.1主程序 . 26 3.2主要功能函数 . 28 4 原理图的绘制 . 36 5 参考文献 . 38 6 致谢 . 39 附录 . 40 nts攀枝花学院毕业设计(论文) 1 原理简介 2 1 原理简介 1.1 原理 使用单片机测量电机转速的基本原理如图 1.1 所示。该系统包括传感器、处理器、计数器和显示 4个部分 。 1、 传感器部分 主要分为两个部分。第一部分是利用霍尔器件或者是光电编码器将电机的转速转化为脉冲信号;第二个部分是使用光耦,将传感器输出的信号和单片机的计数电路两个部分隔开,减少计数的干扰。 2、 计数器 可以采用片外计数器和片内计数器两个方案。片外计数器的方案是指采用8253等片外的专用计数芯片进行脉冲计数,单片机控制 8253的计数过程 ,并在计数完毕后读取计数值。片内计数方案是指采用单片机的内部计数器完成对脉冲的计数过程。 3、 处理器 本方案中的处理器是单片机,采用 89C52 单片机。 4、 显示部分 显示部分有两个功能,在正常的情况下,通过 LED 数码管显示当前的频率数值 ,当电机的转速超出一定的范围后,通过灯光和蜂鸣器进行报警。 图 1.1 单片机测量电机转速的原理图 本系统的测量过程如下:测量转速的霍尔传感器和机轴同轴连接,机轴每转一周,产生一定量的脉冲个数,由霍尔器件电路部分输出。经过光电耦合器后,成为转数计数器的计数脉冲。同时传感器 电路输出幅度为 12V 的脉冲经光电耦合后降为 5V,保持同 8952 逻辑电平相一致。控制计数时间,即可实现计数器的计数nts攀枝花学院毕业设计(论文) 1 原理简介 3 值对应机轴的转速值。 CPU将该数据处理后,在 LED数码管上显示出来。一旦超速,CPU通过喇叭和转灯发出声、光报警信号,同时灯屏上对应的指示灯闪烁。必要时,CPU发出减速或停机控制信号。 1.2 意义 随着单片机技术的广泛应用,以及它所显示出来的强大功能, 单片微型计算机(简称单片机)也叫做微型控制器,自从 20 世纪 70 年代问世以来,得到了快速发展,从早期的 8位机到现在的 32位机,其硬件资源和软件资源在 不断丰富与完善。 单片机由于其集成度高、体积小、抗干扰能力强和价格低廉、具有独特的控制功能,它已经成为计算机世界中的重要成员。在一个应用系统中,只用一个单片机,这是目前应用最多的方式。 但是单片机应用的意义绝不仅限于它的广阔范围以及所带来的经济效益上,更重要的意义还在于:单片机的应用正从根本上改变着传统的控制系统设计思想和设计方法。从前必须由模拟电路或数字电路实现的大部分控制功能,现在已能使用单片机通过软件(编程序)方法实现了。这种以软件取代硬件并能提高系统性能的控制技术必将随着单片机应用的推广普及而不断发 展完善。利用单片机测量电机的转速就是这样一个典型的例子。 nts攀枝花学院毕业设计(论文) 2硬件电路设计 4 2 硬件电路设计 2.1 霍尔器件 DN6837 霍尔器件是一种磁传感器。用它们可以检测磁场及其变化,可在各种与磁场有关的场合中使用。霍尔器件以霍尔效应为其工作基础。 霍尔器件具有许多优点,它们的结构牢固,体积小,重量轻,寿命长,安装方便,功耗小,频率高(可达 1MHZ),耐震动,不怕灰尘、油污、水汽及烟雾等的污染或腐蚀。霍尔线性器件的精度高、线性度好;霍尔开关器件无触点、无磨损、输出波形清晰、无抖动、无回跳、位置重复精度高(可达 m级)。取用了各种补偿和保护措施的霍尔器件的工作温度范围宽,可达 55 150。 按照霍尔器件的功能可将它们分为 :霍尔线性器件和霍尔开关器件。前者输出模拟量,后者输出数字量。 按被检测的对象的性质可将它们的应用分为 :直接应用和间接应用。前者是直接检测出受检测对象本身的磁场或磁特性,后者是检测受检对象上人为设置的磁场,用这个磁场来做被检测的信息的载体,通过它,将许多非电、非磁的物理量例如力、力矩、压力、应力、位置、位移、速度、加速度、角度、角速度、转数、转速以及工作状态发生变化的时间等,转变成电量来进行检测和控制。 2.1.1 霍尔效应 如图 2.1所示,在一块通电的半导体薄片上,加上和片子表面垂直的磁场 B,在薄片的横向两侧会出现一个电压,如图 2.1中的 VH,这种现象就是霍尔效应,是由科学家爱德文 霍尔在 1879年发现的。 VH称为霍尔电压。 图 2.1 霍尔效应和霍尔元件 这种现象的产生,是因为通电半导体片中的载流子在磁场产生的洛仑兹力的作用下,分别向片子横向两侧偏转和积聚,因而形成一个电场,称作霍尔电场。霍尔电场产生的电场力和洛仑兹力相反,它阻碍载流子继续堆积,直到霍尔电场力和洛仑兹力相等。这时,片子两侧建立起一个 稳定的电压,这就是霍尔电压。 在片子上作四个电极,其中 C1、 C2间通以工作电流 I, C1、 C2称为电流电极,nts攀枝花学院毕业设计(论文) 2硬件电路设计 5 C3、 C4间取出霍尔电压 VH, C3、 C4称为敏感电极。将各个电极焊上引线,并将片子用塑料封装起来,就形成了一个完整的霍尔元件(又称霍尔片)。 为了精确地测量磁场 ,常用恒流源供电 ,令工作电流恒定 ,因而 ,被测磁场的磁感应强度 B可用霍尔电压来量度。 在一些精密的测量仪表中,还采用恒温箱,将霍尔元件置于其中,令 RH保持恒定。若使用环境的温度变化,常采用恒压驱动,因和 RH比较起来, n随温度的变化比较平缓,因而 VH受温度变化的影响较小。 为获得尽可能高的输出霍尔电压 VH,可加大工作电流,同时元件的功耗也将增加。 2.1.2 霍尔器件 霍尔器件分为 :霍尔元件和霍尔集成电路两大类,前者是一个简单的霍尔片,使用时常常需要将获得的霍尔电压进行放大。后者将霍尔片和它的信号处理电路集成在同一个芯片上。 霍尔元件可用多种半导体材料制作,如 Ge、 Si、 InSb、 GaAs、 InAs、 InAsP以及多层半导体异质结构量子阱材料等等。 InSb和 GaAs霍尔元件输出特性见图 2.2和图 2.3这些霍尔元件大量用于直流无刷电机和测磁仪表。 图 2.2 InSb霍尔元件的输出特性 图 2.2 GaAs霍尔元件的输出特性 nts攀枝花学院毕业设计(论文) 2硬件电路设计 6 2.1.3 霍尔线性电路 图 2.4 霍尔线性电路的功能框图 它由霍尔元件、差分放大器和射极跟随器组成。其输出电压和加在霍尔元件上的磁感强度 B成比例,它的功能框图和输出特性示于图 2.4。这类电路有很高的灵敏度和优良的线性度,适用于各种磁场检测。 霍尔开关电路又称霍尔数字电路,由稳压器、霍尔片、差分放大器,斯密特触发器和输出级组成。在外磁场的作用下,当磁感应强度超过导通阈值 BOP时,霍尔电路输出管导通,输出低电平。之后, B再增 加,仍保持导通态。若外加磁场的B值降低到 BRP时,输出管截止,输出高电平。我们称 BOP为工作点, BRP为释放点,BOP BRP=BH称为回差。回差的存在使开关电路的抗干扰能力增强。霍尔开关电路的功能框见图 2.5。 图 2.5(a)表示集电极开路 (OC)输出, (b)表示双输出。它们的输出特性见图 2.6,图 2.6(a)表示普通霍尔开关, (b)表示锁定型霍尔开关的输出特性。 a 单 OC输出 b 双 OC输出 图 2.5 霍尔开关电路的功能框图 a 开关输出特性 b 锁定型输出特性 图 2.6 霍尔开关电路的输出 特性 一般规定,当外加磁场的南极 (S极 )接近霍尔电路外壳上打有标志的一面时,作用到霍尔电路上的磁场方向为正,北极接近标志面时为负。锁定型霍尔开关电路的特点是:当外加场 B正向增加,达到 BOP时,电路导通,之后无论 B增加或减小,甚至将 B除去,电路都保持导通态,只有达到负向的 BRP时,才改变为截止态,因nts攀枝花学院毕业设计(论文) 2硬件电路设计 7 而称为锁定型。 2.1.4 差动霍尔电路 (双霍尔电路 ) 它的霍尔电压发生器由一对相距 2.5mm的霍尔元件组成,其功能框图见图 2.7。 图 2.7 差动霍尔电路的原理图 使用时在电路背面放置一块永久磁体,当用铁磁材料 制成的齿轮从电路附近转过时,一对霍尔片上产生的霍尔电压相位相反,经差分放大后,使器件灵敏度大为提高。用这种电路制成的汽车齿轮传感器具有极优的性能。 2.2 光电编码器 光电编码器是利用光栅衍射原理实现位移 数字变换的,从 50 年代开始应用于机床和计算仪器,因其结构简单、计量精度高、寿命长等优点,在国内外受到重视和推广。近年来更取得长足的发展,在精密定位、速度、长度、加速度、振动等方面得到广泛的应用。光电编码器按编码方式分为二类:增量式与绝对式。 增量式编码器特点: 增量式编码器转轴旋转时,有相应的脉冲输出 ,其计数起点任意设定,可实现多圈无限累加和测量。编码器轴转一圈会输出固定的脉冲,脉冲数由编码器光栅的线数决定。需要提高 分辨率 时,可利用 90 度相位差的 A、 B 两路信号进行倍频或更换高 分辨率 编码器。 绝对式编码器特点: 绝对式编码器有与位置相对应的代 码 输出,通常为二进制码或 BCD 码。从代码数大小的变化可以判别正反方向和位移所处的位置,绝对零位代码还可以用于停电位置记忆。绝对式编码器的测量范围常规为 0 360 度。速度计与长度计一般采用增量式编码器,以下就其参数范围作简要的介绍,供选型参考。 nts攀枝花学院毕业设计(论文) 2硬件电路设计 8 1光栅线数: 2输出方式: 常规有五种输出方式: 集电极开路输出(通用型 ) 互补输出 电压输出 长线驱动器输出 UVW 输出 3工作电压:常规有以下几种: 5V、 12V、 24V、 5-24V(通用型)、 5-30V 4防护性能:常规为防油、防尘、抗震型。 5 弹性联接器:编码器轴与用户轴联接时,存在同轴误差,严重时将损坏编码器。要求采用弹性联接器(编码器厂家提供选件),解决偏心问题,一般可以做到允许扭矩 #include #define unchar unsigned char #define unchar unsigned char unchar data BUFFER1=0; void main( ) P2=0x0f; EA=1;IT1=1;ET0=1; TMOD=0x01; TH0=-5000/256; TL0=-5000%256; TR0=1; count(void); gate=1; for (;) If(gate) Display(); Else Break; nts攀枝花学院专科毕业设计(论文) 3 软件设计 28 3.2 主要功能函数 1.LED 显示子函数 电路原理和器件选择 89C52:单片机,控制 LED 的数据显示。 LED14:两个两位的 LED 数码管,用于显示单片机的数据。 74LS273:地址锁存器, LED 显示扩展电路中的段码和位码使用了两片74LS273,上升沿锁存,相应地址为这位口 8000H,字段口 4000H。 74LS02:与非门,与单片机的读写信号一起作用,选中外部的 74LS273,决定LED 的字段和字位的显示内容。 7407:驱动门电路,提供数码管显示的驱动电流。 74LS04:非门,对单片机的片选信号取反,并和读写信号一起作用,决定 273的片选。 地址分配和连接 P2.7:和写信号一起组成字位口的片选信号,字位口的对应地址为 8000H。 P2.6:和写信号一起组成字段口的片选信号弹,字型口的对应地址为 4000H。 D0D7:单片机的数据总线, LED 显示的内容通过 D0D7 数据线从单片机传送到 LED。 程序设计 在前文中提到, LED 的显示有静态和动态两种,这两种显示方法所对应的程序也是不同的。在此方案中选择的是动态的显示方法。 程序功能 数码管显示程序主要完成以下功能: 定义字位和字型口 根据驱动电路的硬件连接,得到 LED 的字位和字型口的地址,并对其定义如下: #define DIGPORT XBYTE0x8000 /*定义字位口 */ #define WORDPORT XBYTE0x4000 /*定义字型口 */ 字义共阴极字型编码表(数字 09) 即确定发光数码管的字型对应在单片机中的变量和参数: uchar code TABLE=0x3f,0x06,0x5b,0x66,0x6d,0x7d,0x07,0x7f,0x6f; 显示 得到字型和字位口的地址后,向不同的字位送数据,进行数据的显示。显示的内容包括高低两位;高位需要两个数码管,低位也需要两个数码管。 动态扫描 nts攀枝花学院专科毕业设计(论文) 3 软件设计 29 在本方案中,使用的是动态显示方法。在动态 LED 显示程序中,需要不停地扫描字位口,从而实现不同字位的数据的动态显示效果。 主要器件和变量的说明 图 3.2 LED显示程序流 程图 表 3.2变量及功能 变量 说明 DIGPORT 字位口 WORDPORT 字型口 TABLE 共阴极字型编码表 digit 字的位数 disp 计数值取余数 dlay 延时变量 程序代码 LED 显示程序的流程图如图 3.2 所示,代码如下: #define #include #include #include /定义:根据驱动电路的硬件连接,得到 LED 的字位和字型口的地址,并对其定义如下: #define DIGPORT XBYTE0x800 /*定义字位口 */ nts攀枝花学院专科毕业设计(论文) 3 软件设计 30 #define WORDPORT XBYTE0x4001 /*定义字型口 */ #define uchar unsigned char /*定义共阴极字型编码表(数字 09) */ uchar code TABLE=0x3f,0x06,0x5b,0x66,0x6d,0x7d,0x07,0x7f,0x6f; / 显示:等到字型口和字位口的地址后,向不同的字位送数据,进行数据的显示 / 数码管显示计数值个 位 uchar digit; uchar disp; /对计数值取余数 uchar delay; /*动态扫描,使用的是 LED 动态显示方法。在动态 LED 显示程序中,需要不停地扫描字位口,从而实现不同字位的数据的动态显示效果。 */ display (void) TMOD=0x60; /*T0 方式 1 计时 0.01s*/ TH1=0; TL1=0; EA=1;ET1=0;TR1=1; /*开中断 ,启动定时器 */ for (;) /*数码管显示计数值低位 */ digit=0x08; disp=TL1%10; DIGPORT=digit; WORDPORT=TABLEdisp; for(delay=0;delay #include #include #define uchar unsingned char #define uint unsingned int /定义 8253 的寄存器地址 #define COM XBYTE0x600 /定义 8253 的控制字寄存器 #define C0 XBYTE0x0000 /定义 8253 的计数器 0 寄存器地址 #define C0I XBYTE0x1000 sbit P1_7=P17; uint BUF810; uchar h,1,a,b,c,sendflag,FREQ; /主函数,初始化定时器和片外计数器 void count(void) EA=1;PT0=1; ET0=1; IT0=1;IT1=1; EX0=1;EX1=1;ET2=1; T2CON=0xo8; TMOD=0x21; /用定时器 0 产生 2s 的中断信号, 为 8253 计数提供门控 TH0=-1000/256; TL0=-1000%256; /向 8253R 中的控制字寄存器中选择计数器 0,并对其赋初值 0 COM=0x30; C0=0;C0=0; TR0=1; sendflag=1; while(1) /*定时计数器 0 的中断服务子程序 */ nts攀枝花学院专科毕业设计(论文) 3 软件设计 33 void timer0(void) interrupt 1 using 1 TH0-1000/256; /定时器 T0 的高 4 位赋值 TL0=-1000%256; FREQ=TREQ+1; /定时器 T0 的低 4 位赋值 if(FREQ=1000) /1s 判断 FREQ=0; P1_7=!P1_7; /信号输出端口取反 COM=0x00; /计数器 0门锁操作 1=CO; /分别读取高、低 8位数据 h=C0; BUF810=-(h*256+1); COM=0x30; C0=0;C0I=0; 3.片内计数子函数 片内计数电路原理和器件选择 在此列出和本方案相关的 、 关键部分和器件名称及其在电路中的主要功能。 89C52:单片机,完成对电机转速脉冲计数的控制,读取 8253 的寄存器完成转速频率的确定。 片内计数地址分配和连接 SGN:电机转速的脉冲信号,连接到单片机的 T1 引脚。 片内计数 方法程序代码 利用单片机的片内计数器测量电机转速的程序流程如图 3-3 所示。这里,我们对脉冲计数程序稍做修改,将 T1 的计数次数改为 5 次,每次计数时间为 0.01s,将最后的 5 次结果取平均,从而提高计数的稳定性和精确性。基本程序代码如下。 #include #define uint unsigned int #define uchar unsigned char bit OVER /*NUM 计数溢出 =1*/ uchar NUM; /*计数 10 次 0.01s,计时 100ms*/ nts攀枝花学院专科毕业设计(论文) 3 软件设计 34 void timer0(void) interrupt 1 using 1 /*time unit:0.01s*/ TL1=-(10248%256); TH0=-(10248/256); NUM+=1; if(NUM=10) TR1=0; TR0=0; OVER=1; unit freq(void) /当 T0 的时间到后,读取 T1 中的计数值 unit number=0; OVER=0; NUM=0; EA=1; ET0=1; TH0=-(10203/256); /T0 重新赋值 TL0=-(10203%256); TH1=0; /T1 重新赋值 TL1=0; TMOD=0x51; TR0=1; TR1=1; while (!OVER); OVER=0; number=TH1*256+TL1; /读取 T1 的计数值 return(number); void main(void) uchar i; nts攀枝花学院专科毕业设计(论文) 3 软件设计 35 uint f=0; df=0; f=0; for(i=0;i=4;i+) f=f+freq(); f=f/5; /对 5 次的计数值到平均 nts攀枝花学院专科毕业设计(论文) 4 原理图的绘制 36 4 原理图的绘制 在前面的章节中我们已经了硬件电路和软件设计,在这一章中我们将运用Protel DXP 来绘制其原理图。 Protel DXP 是 Protel 公司最新一代桌面板级设计系统,是基于 WINDOWS 平台的第七代产品。 Protel DXP 将所有板级设计工具集于一身,从 最初的项目模块规划到最终形成生产数据都可以按照设计者自己的设计方式来实现。 Protel DXP 融合了当今 EDA 最先进的设计成果,能处理各种复杂的 PCB 设计过程,提供 PCB和 FPGA 实现的多维设计输入、兼容 SPICE 的仿真技术、 VHDL 仿真与综合、信号完整性分析、拓扑自动布线和 CAM 处理与验证等。 Protel DXP 软件是一个多方位的 EDA 设计工具,可以实现 PCB 项目设计中电学的原理设计到最后输出物理生产数据的全过程。这一软件有下述特点:包括独具特色的原理图输入工具;具有完全 SPICE 兼容的数字 /模拟混合 电路信号仿真功能,可实现电路 的功能验证;采用集成的库管理方式,使设计人员在进行原理图输入选择器件时,就可以看到该元件所带的仿真模型、 PCB 封装、 SI 仿真模型等信息,并可以方便地随时更改、添加、编辑这些模型;在原理图设计期间就可以进行信号完整性的分析,找到潜在的反射等问题,提前加以解决;全程 ECO 使得随时可以通过强大的设计同步器实现设计各个阶段的设计数据同步。 此外,该软件能轻松实现 FPGA 项目设计,支持 VHDL 语言、原理图图形,以及 VHDL 语言和原理图图形的混合输入方式;在同一界面实现编译、仿真 、调试;支持与 ALTERA、 XILINX 等著名可编程器件厂商工具的接口;可将 FPGA管脚映射回板级设计系统,最终完成整个项目设计。设计数据具有良好的兼容性、开放性。 在完成了对硬件及软件的设计后,在此运用 DXP 做出了其原理图。见附录A。 nts攀枝花学院毕业设计 ( 论文 ) 5 结束语 37 5 结束语 毕业设计对我们每个毕业生都非常重要。在两个多月的毕业设计中,通过广泛查阅与课题有关的内容,使我掌握了许多与凌阳单片机有关的知识,对 OFFICE办公软件 、 C语言、 IDE 开发环境 等 都 有了一定的 理解,另外 对 一整套 系统设计的思路 、步骤、方法 等 有了一个 全新的认识。 通过此次毕业设计, 加深了我对 大学所学知识更深入 的理解,同时也给我提供了一次 理论与实践相结合的机会,我感到受益非浅。为此,我也希望我的毕业设计能给 老师们交上一份满意的试卷。nts攀枝花学院毕业设计(论文) 6 参考文 献 38 6 参考文献 1 何希才 . 传感器技术及应用 .北京:北京航空航天大学出版社 ,2005 2 王晓明 .电动机的单片机控制 .北京:北
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