智能小车硬件系统设计正文.docx
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智能小车硬件系统设计正文
1引言
智能作为现代的新发明，是以后的发展方向，它可以按照预先设定的模式在一个环境里自动的运作，不需要人为的管理，可应用于科学勘探等用途。
智能电动小车就是其中的一个体现。
设计者可以通过软件编程实现它的行进、绕障、停止的精确控制以及检测数据的存储、显示，无需人工干预。
因此，智能电动小车具有再编程的特性，是机器人的一种。
根据本设计的要求，确定如下方案：
以AT89C51单片机为核心的控制电路，采用模块化的设计方案，运用光电传感器、金属探测传感器、超声波传感器组成不同的检测电路，实现小车在行驶中自动寻迹、探测预埋金属铁片、躲避障碍物等问题。
并将测量数据传送至单片机进行处理，然后由单片机根据所检测的各种数据实现对电动小车的智能控制。
这种方案能实现对电动小车的运动状态进行实时控制，控制灵活、可靠，精度高，可满足系统的各项要求。
本设计采用了比较先进的AT89C51为控制核心，功耗很低。
该设计具有实际意义，可以应用于考古、机器人、娱乐等许多方面。
尤其是在足球机器人研究方面具有很好的发展前景；在考古方面也应用到了超声波传感器进行检测。
所以本设计与实际相结合，现实意义很强。
1.1智能电动小车设计概述
随着计算机、微电子、信息技术的快速进步，智能化技术的开发速度越来越快,智能度越来越高,应用范围也得到了极大的扩展。
在海洋开发、宇宙探测、工农业生产、军事、社会服务、娱乐等各个领域。
智能电动小车系统以迅猛发展的汽车电子为背景，涵盖了控制、模式识别、传感技术、电子、电气、计算机、机械等多个学科。
主要由路径识别、角度控制及车速控制等功能模块组成[2]。
同时，当今机器人技术发展的如火如荼，其应用在国防等众多领域得到广泛开展。
神五、神六升天、无人飞船等等无不得益于机器人技术的迅速发展。
一些发达国家已把机器人制作比赛作为创新教育的战略性手段。
如日本每年都要举行诸如“NHK杯大学生机器人大赛”、“全日本机器人相扑大会”、“机器人足球赛”等各种类型的机器人制作比赛，参加者多数为学生，目的在于通过大赛全面培养学生的动手能力、创造能力、合作能力和进取精神，同时也普及智能机器人的知识。
从某种意义上来说,机器人技术反映了一个国家综合技术实力的高低,而智能电动小车是机器人的雏形,它的控制系统的研制将有助于推动智能机器人控制系统的发展，同时为智能机器人的研制提供更有利的手段。
随着汽车工业的迅速发展，关于汽车的研究也就越来越受人关注。
全国电子竞赛和省内电子竞赛几乎每次都有智能小车这方面的题目，全国各高校也都很重视该题目的研究。
可见其研究意义很大。
本设计是结合科研项目而确定的设计类课题。
设计的智能电动小车能够实现在行驶中自动寻迹、探测预埋金属铁片、实时显示铁片数目，躲避障碍物,实时显示铁片数目最后在光源的引导下到达目的地，停车。
1.2智能电动小车的设计依据
在国内外，智能化系统主要采用单片机作为控制核心。
因此，单片机的发展将有助于智能化技术的开发。
在本设计中,采用比较先进的AT89C51单片机为控制核心，它的功耗很低。
单片机技术发展至今，掌握最先进技术的仍然是国外的几大公司。
如Intel公司发展的MCS-51系列的新一代产品，如8ｘC152、80C51FA/FB、80C51GA/GB、8ｘC451、8ｘC452,还包括了Philips、Siemens、ADM、Fujutsu、OKI、Harria-Metra、ATMEL等公司以80C51为核心推出的大量各具特色﹑与80C51兼容的单片机。
新一代的单片机的最主要的技术特点是向外部接口电路扩展，以实现Microcomputer完善的控制功能为己任，可连接一些外部接口功能单元如A/D、PWM、PCA（可编程计数器阵列）﹑WDT（监视定时器）﹑高速I/O口、计数器的捕获/比较逻辑等。
这一代单片机中，在总线方面最重要的进展是为单片机配置了芯片间的串行总线，为单片机应用系统设计提供了更加灵活的方式。
Philips公司还为这一代单片机80C51系列8ｘC592单片机引入了具有较强功能的设备间网络系统总线---CAN（ControllerAreaNetworkBUS）
2智能电动小车设计方案比较
2.1总体方案论证与比较
方案一、采用AT89C51单片机作为整机的控制单元。
以AT89C51单片机为核心的控制电路，采用模块化的设计方案，运用光电传感器、金属探测传感器、超声波传感器组成不同的检测电路，实现小车在行驶中自动寻迹、探测预埋金属铁片、躲避障碍物、光源的引导等问题。
并将测量数据传送至单片机进行处理，然后由单片机根据所检测的各种数据实现对电动小车的智能化控制[3]。
在本系统中，反射式红外光电传感器检测黑线，然后将信号传送到单片机系统进行处理，使小车沿轨道自主行走；电感式接近开关电路代替金属传感器探测预埋在轨道下的金属铁片，并发出声光信息进行提示；；采用H型脉冲宽度调制（PWM）全桥式驱动电路控制电机的转向，实现电动小车的正反向行驶、快慢速行驶及转弯；采用LED实时显示小车行驶的时间。
此系统比较灵活，采用软件方法来解决复杂的硬件电路部分，使系统硬件简洁化，各类功能易于实现，具有高度的智能化、人性化，一定程度体现了智能，能满足系统的要求。
此方案的基本原理如图2.1所示。
图2.1 智能小车运行基本原理图框图
方案二、采用各类数字电路来组成电动小车的控制系统。
采用数字电路对外围探测轨迹信号，检测金属信号，避障信号，寻找光源信号分部进行处理。
但对输入输出都是模拟量的小装置，如果采用数字化方案，则要先用A/D转换器将模拟量转换为数字量，经过数字电路处理后，再经D/A转换器将数字量转换为模拟量。
这样必然带来高成本、电路复杂等缺点。
因此，本方案灵活性不高，效率低，不利于电动小车智能化的扩展。
同时，对各路信号处理也比较困难。
比较以上两种方案的优缺点，方案一简洁、灵活、可扩展性好，能达到设计要求，因此本设计采用方案一来实现。
2.2探测轨迹模块方案比较
在本设计中，要求电动小车沿着路面的黑色轨道行驶。
其探测路面黑线的基本原理：
光线照射到路面并反射，由于黑线和白纸对光的反射系数不同，可以根据接收到的反射光强弱来判断是否是黑线。
利用这个原理，可以控制电动小车行走的路迹。
下面几种方案是根据本原理设计的。
方案一、采用发光二极管发光，用光敏二极管接收。
由于光敏二极管受可见光的影响较大，稳定性差，所以放弃该方案。
方案二、利用光敏电阻组成光敏探测器。
光敏电阻的阻值可以跟随周围环境光线的变化而变化。
当光线照射到白线上面时，光线发射强烈，光线照射到黑线上面时，光线发射较弱。
因此光敏电阻在白线和黑线上方时，阻值会发生明显的变化。
将阻值的变化值经过比较器就可以输出高低电平。
但是这种方案受光照影响很大，不能够稳定的工作。
方案三、采用反射式红外线光电传感器。
红外探测法，即利用红外线在不同颜色的物体表面具有不同的反射性质的特点[4]。
在小车行驶过程中不断地向地面发射红外光，当红外光遇到白色纸质地板时发生漫反射，反射光被装在电动小车上的接收管接收；如果遇到黑线则红外光被吸收，电动小车上的接收管接收不到红外光。
单片机根据是否收到反射回来的红外光来确定黑线的位置，从而控制小车的行走路线。
采用红外线发射，外面可见光对接收信号的影响较小，再用射极输出器对信号进行隔离。
红外线光电传感器的特点是尺寸小、使用方便、工作状态受温度影响小。
它的外围电路简单。
因此本方案易于实现，也比较可靠。
所以本设计采用反射式红外线光电传感器。
2.4避障模块方案比较
考虑到在测障过程中小车车速及反应调向速度的限制，小车应在距障碍物40CM的范围内做出反应，这样在顺利绕过障碍物后，可寻找到最佳的位置和方向。
否则，如果范围太大，则可能产生对障碍物的判断失误；范围过小又很容易造成车身撞上障碍物或虽绕过障碍物却无法实现理想定向。
根据上述要求，提出以下方案。
方案一、采用激光传感器探测障碍物。
该传感器能非常准确地测出障碍物的存在，但价格高，处理复杂，不符合该设计的要求。
方案二、采用超声波传感器探测障碍物。
超声波传感器安装于小车前端，在规定的检测距离内，当探测到障碍物时，超声波传感器给出脉冲信号至单片机，单片机检测到该信号后，调整小车的方向，以控制小车准确地绕过障碍物，而且避免因小车自然转弯而导致的盲目方向控制。
这样不但能准确完成测量，而且能避免电路的复杂性。
同时，超声波传感器具有频率高、波长短、绕射现象小，特别是方向性好、能够成为射线而定向传播等特点。
超声波对液体、固体的穿透本领很大，尤其是在光线不透明的固体中，它可穿透几十米的深度。
超声波碰到杂质或分界面会产生显著反射，形成回波，碰到活动物体能产生多普勒效应。
因此超声波检测广泛应用在工业、国防、生物医学等方面[6]。
智能电动小车应以准确、智能见优，因此采用超声波传感器探测障碍物。
2.5寻找光源模块方案比较
方案一、采用多只方向性较强的光敏二极管作光源定位器。
若干定位器在水平面上按不同角度展开，在寻找光源时根据每个定位器接收到的光线强弱（有无）得出光源的方位。
该方案若采用方向性较强的光敏二极管作为光源定位器，要么是需要很多的器件，要么是难以检测到光源的方向。
方案二、利用由光敏电阻组成的光控开关电路。
利用光敏电阻阻值随光强弱变化的特性组成光控开关电路，检测光源。
光敏电阻是用光电导体制成的光电器件，又称光电管，它是基于半导体内光电效应工作的。
当无光照射时，光敏电阻值（暗电阻）很大，电路中电流很小。
当光敏电阻受到一定波长范围的光照时，它的阻值（亮电阻）急剧减少，因此电路中电流迅速增加。
光敏电阻具有很高的灵敏度、很好的光谱特性，光谱响应从紫外区一直到红外区，而且体积小、重量轻、性能稳定，因此在自动化技术中得到了广泛的应用。
综合考虑到上述方案的优缺点，本设计采用光敏电阻组成的光控开关电路。
2.6显示模块方案比较
方案一、采用LED数码管显示。
在系统中要用到多只LED数码管进行动态显示即可达到要求。
其优点是价格便宜，寿命长。
缺点是只能显示0～9的数字和一些简单的字符，电路设计繁锁，且占用空间。
方案二、采用LCD1602液晶显示器。
LCD广泛应用于微型计算机控制系统中。
与LED相比，它具有功耗低，抗干扰能力强，体积小，廉价的特点，且有良好的人机界面，直观，显示效果漂亮。
目前已广泛应用在各种显示领域。
另外，LCD在大小和形状上更加灵活，接口简单，不但可以显示数字、字符，而且可以显示汉字和图形，因此在袖珍仪表、医疗仪器、分析仪器及低功耗便携式仪器中，LCD已成为一种占主导地位的显示器件【8】。
LED数码显示价格便宜，在课程设计中用到的比较多，比较熟悉，设计要求中数码管只用来显示铁片个数，用一位LED数码显示足够，因此，本设计采用LED数码管显示。
2.7电动机驱动模块方案比较
方案一、使用功率三极管作为功率放大器的输出控制直流电机。
线性型驱动的电路结构和原理简单，成本低，加速能力强，但功率损耗大，特别是低速大转距运行时，通过电阻R的电流大，发热厉害，损耗大，对于小车的长时间运行不利。
方案二、采用继电器控制电机。
采用继电器对电机的开或关进行控制。
通过开关的切换对小车的速度进行调整.此方案的优点是电路较为简单,缺点是继电器的响应时间慢,易损坏,寿命较短,可靠性不高【1】。
方案三、采用H型脉冲宽度调制（PWM）全桥式驱动电路。
通过PWM脉宽调制的方法,实现对小车速度的控制。
这种调速方式有调速特性优良、调整平滑、调速范围广、过载能力大，能承受频繁的负载冲击，还可以实现频繁的快速启动、制动和反转等优点，是一种广泛采用的调速技术。
H型全桥式电路保证了可以简单地实现转速和方向的控制。
这种驱动电路可以很方便实现直流电机的四象限运行，分别对应正转、正转制动、反转、反转制动。
为了电路设计简单，采用电机专用驱动芯片L298N，其驱动电流大，瞬时电流最高可达2A，为电机驱动专门设计，工作稳定可靠。
完全满足设计要求[9]。
综合三种方案的优缺点，选择H型脉冲宽度调制（PWM）全桥式驱动电路。
3系统的硬件电路设计
单片机（SCM）是单片微型计算机（SingleChipMicrocomputer）的简称。
它是把中央处理器CPU、随机存储器RAM、只读存储器ROM、I/O接口电路、定时/计数器以及输入输出适配器都集成在一块芯片上，构成一个完整的微型计算机。
随着SCM在技术上、体系上不断扩展其控制功能，国际上已经采用MCU（MicroControllerUnit）代替单片机的名词。
它的最大优点是体积小，可放在仪表内部。
但存储量小，输入输出适配器简单，功能较低。
目前，单片机在民用和工业测控领域得到最广泛的应用，早已深深地融入人们的生活中。
近年来，AT89C51在我国非常流行，它最大的特点是内部有可以多次重复编程的闪烁ROM,并且闪烁ROM可以直接用编程器来擦写（电擦写），使用起来比较方便【10】。
一个单片机应用系统的硬件电路设计包含有两部分内容：
一是系统扩展，即单片机内部的功能单元，如ROM﹑RAM﹑I/O口﹑定时/记数器﹑中断系统等能量不能满足应用系统的要求时，必须在片外进行扩展，选择适当的芯片，设计相应的电路。
二是系统配置，既要按照系统功能要求配置外围设备，如键盘显示器﹑打印机﹑A/D﹑D/A转换器等，又要设计合适的接口电路。
本系统采用AT89C51单片机作为中央处理器。
其主要任务是在小车行走过程中不断读取传感器采集到的数据，将得到的数据进行处理后，来控制小车行走，同时将相关数据送显示单元动态显示。
在本系统中，AT89C51单片机的P1口用于LED数码显示，P2.0、P2.1口用于电动机的PWM驱动控制，P0.3、P0.4口用于探测轨迹，P0.5口用于探测障碍物，P0.0、P0.1口用于寻找光源。
P0.6用于LED提示，P0.7用于蜂鸣器报警，P3.2外部中断0用于检测金属铁片。
3.1检测轨迹电路设计
轨迹探测电路根据反射接收原理配置了一对红外线发射、接收传感器。
该电路包括一个红外发光二极管、一个红外光敏三极管及其上拉电阻。
如图3.4所示。
红外发光二极管发射一定强度的红外线照射物体，红外光敏三极管在接收到反射回来的红外线后导通，发出一个电平跳变信号。
当小车在白色地面行驶时，装在车下的红外发射管发射红外线信号，经白色反射后，被接收管接收，一旦接收管接收到信号，那么图3.1中光敏三极管将导通，输出低电平，当小车行驶到黑色引导线时，红外线信号被黑色吸收后，光敏三极管截止，输出高电平，从而实现了通过红外线检测信号的功能。
将检测到的信号送到单片机I/O口，当I/O口检测到的信号为高电平时，表明红外光被地上的黑色引导线吸收了，表明小车处在黑色的引导线上；同理，当I/O口检测到的信号为低电平时，表明小车行驶在白色地面上。
即当小车底部的某边红外线收发对管遇到黑带时输入电平为高电平，反之为低电平。
图3.1轨迹探测电路图
为了保证小车沿黑线行驶，采用了两个检测器并行排列，左右方向都可以进行控制，控制精度得以提高。
在小车行走过程中，结合查询方式，通过程序控制小车行走轨迹。
如果左方向偏离黑线，则右侧的探头就会检测到黑线，把信号传送到单片机，进行处理校正。
控制其向右转；如果右方向偏离黑线，则左侧的探头就会检测到黑线，把信号传送到单片机，进行处理校正。
控制其向左转。
从而保证小车沿黑线行驶。
3.3检测障碍物电路设计
采用超声波传感器探测障碍物。
超声波是一种在弹性介质中的机械振荡，其频率超过20KHz，分横向振荡和纵向振荡两种，超声波可以在气体、液体及固体中传播，其传播速度不同。
它有折射和反射现象，且在传播过程中有衰减。
利用超声波的特性，可做成各种超声波传感器，结合不同的电路，可以制成超声波仪器及装置，在通讯、医疗及家电中获得广泛应用。
作为超声波传感器的材料，主要为压电晶体。
压电晶体组成的超声波传感器是一种可逆传感器，它可以将电能转变成机械振荡而产生超声波，同时它接收到超声波时，也能转变成电能，故它分为发送器和接收器。
超声波传感器有透射型、反射型两种类型，常用于防盗报警器、接近开关、测距及材料探伤、测厚等。
本设计应用反射式超声波探测电路探测障碍物。
该电路分为超声发射电路，超声接收电路和信号处理电路。
（1）超声发射电路
超声发射电路由时基电路555组成，555振荡电路的频率可以调整，调节电位器RP1可以将接受超声传感器的输出电压调至最大，通常可调至40kHz。
电路如图3.4所示。
图3.4超声波发射电路
该电路用到时基电路LM555。
LM555时基电路内部由分压器、比较器、触发器、输出管和放电管等组成，是模拟电路和数字电路的混合体。
其各个引脚的功能如下：
6脚为阀值端（TH），是上比较器的输入。
2脚为触发端（TR），是下比较器的输入。
3脚为输出端（OUT），有0和1两种状态，它的状态由输入端所加的电平决定。
7脚为放电端（DIS），是内部放电管的输出，它有悬空和接地两种状态，也是由输入端的状态决定。
4脚为复位端（R），叫上低电平（<0.3V）时可使输出端为低电平。
5脚为控制电压端（CV），可以用它来改变上下触发电平值。
8脚为电源（VCC），1脚为地（GND）。
一般可以把LM555电路等效成一个大放电开关的R-S触发器。
这个特殊的触发器有两个输入端：
阀值端（TH）可看成是置零端R，高电平有效；触发端（TR）可看成是置位端S，低电平有效。
它只有一个输出端OUT，OUT可等效成触发器的Q端。
放电端（DIS）可看成由内部放电开关控制的一个接点，放电开关由触发器的反Q端控制：
反Q=1时DIS端接地；反Q=0时DIS端悬空。
此外这个触发器还有复位端R，控制电压端CV，电源端VCC和接地端GND。
图3.7是等效的触发器和它的功能真值表。
图3.5等效的触发器和它的功能真值表
这个特殊的R-S触发器工作原理：
①两个输入端的触发电平要求一高一低：
置零端R即阀值端TH要求高电平，而置位端S即触发端TR则要求低电平。
②两个输入端的触发电平，是使它们翻转的阀值电压值也不同，当CV端不接控制电压时，对TH（R）端来讲，大于2/3VCC是高电平1，小于2/3VCC是低电平0；而对TR（S）端来讲，大于1/3VCC是高电平1，小于1/3VCC是低电平0。
如果在控制端CV加上控制电压VC，这时上触发电平就变成VC值，而下触发电平则变成1/2VC。
可见改变控制端的控制电压值可以改变上下触发电平值。
（2）超声波接收电路
超声波接收电路使用超声波接收传感器，当它接收到超声波信号（为正弦波信号）后输入到集成比较器LM393进行处理。
LM393输出的是比较规范的方波信号。
将此方波信号输出到信号处理电路。
电路如图3.6所示。
图3.6超声波接收和处理电路
（3）信号处理电路
信号处理电路使用集成电路LM2907N，它原是测量转速用的IC,其内部有F/V转换器和比较器、充电泵、高增益运算放大器，它的输出要求有一定频率的信号，能将频率信号转换为直流电压信号。
LM2907N具有以下特点：
1LM2907N进行频率倍增时只需使用一个RC网络；
2以地为参考点的转速计（频率）输入可直接从输入管脚接入；
3运算放大器／比较器采用浮动三极管输出；
4最大50mA的输出电流可驱动开关管、发光二极管等；
5内含的转速计使用充电泵技术，对低纹波有频率倍增功能；
6比较器的滞后电压为30mV利用这个特性可以抑制外界干扰；
7输出电压与输入频率成正比，线性度典型值为±0.3%；
8具有保护电路，不会受高于Vcc值或低于地参考点输入信号的损伤；
9在零频率输入时，LM2907N的输出电压可根据外围电路自行调节；
10当输入频率达到或超过某一给定值时，可将输出用于驱动继电器、指示灯等负载。
LM2907N的内部结构及各引脚功能如图3.9所示，LM2907N的引脚功能如下：
1脚（F）和11脚（IN-）为运算放大器／比较器的输入端
2脚接充电泵的定时电容（C1）
33脚接充电泵的输出电阻和积分电容（R1/C2）
44脚（IN+）和10脚（UF1）为运算放大器的输入端
55脚为输出晶体管的发射极（U0）
68脚为输出晶体管的集电极，一般接电源（UC）
79脚为正电源端（VCC）
812脚为接地端（GND）
96，7，13，14脚未用
图3.7LM2907N原理框图
将LM2907N的8脚接到单片机输入口。
由图3.7可以看出，由于两个串联5.1kΩ电阻的分压，LM290N7的10脚电压Vop-=6V，这是内部比较器的参考电压。
内部比较器的4脚电压为Vop+输入电压，它是电阻R（51KΩ）上的电压，这个电压和频率有关的。
当Vop+大于Vop-时，比较器输出为“1”，LM2907N内部三极管导通（或饱和）输出为“0”,则发光二极管LED点亮。
因此，当超声发射电路由LM555产生40KHz方波来起振超声波发射探头，使其发射超声波，如智能电动小车前方遇到障碍物时，此超声波信号被障碍物反射回来，超声波接收电路接收到超声波信号（为正弦波信号）后输入到比较器LM393使其调整为方波输出到LM2907N，LM2907N芯片会把此方波信号的频率转化为对应电压值，当此电压值大于由4号引脚输入的门电压时，LM2907N的8号引脚输出低电平，LED处于发光状态。
即当有障碍物时LED处于发光状态，LM2907N的8号引脚输出低电平，同时通过8脚将信号送给单片机，使单片机该根据信号控制小车转向，从而实现避开障碍物的目的。
3.4检测光源电路设计
利用光敏电阻高灵敏感光特性，在小车车头两端对称安装两个光敏电阻，在小车不正对光源行驶的时候，两个电阻的阻值不同，所以输出的电压不同，输出电压通过电压比较器LM339比较，输出高低电平控制小车前进。
LM339集成块内部装有四个独立的电压比较器，该电压比较器的特点是：
失调电压小，典型值为2mV；电源电压范围宽，单电源为2-36V，双电源电压为±1V-±18V；对比较信号源的内阻限制较宽；共模范围很大，为0~（Ucc-1.5V）Vo；差动输入电压范围较大，大到可以等于电源电压；输出端电位可灵活方便地选用。
LM339集成块采用C-14型封装，图1为外型及管脚排列图。
由于LM339使用灵活，应用广泛，所以世界上各大IC生产厂、公司竟相推出自己的四比较器，如IR2339、ANI339、SF339等，它们的参数基本一致，可互换使用。
图3.8LM339外型及管脚排列图
LM339类似于增益不可调的运算放大器。
每个比较器有两个输入端和一个输出端。
两个输入端一个称为同相输入端，用“+”表示，另一个称为反相输入端，用“-”表示。
用作比较两个电压时，任意一个输入端加一个固定电压做参考电压（也称为门限电平，它可选择LM339输入共模范围的任何一点），另一端加一个待比较的信号电压。
当“+”端电压高于“-”端时，输出管截止，相当于输出端开路。
当“-”端电压高于“+”端时，输出管饱和，相当于输出端接低电位。
两个输入端电压差别大于10mV就能确保输出能从一种状态可靠地转换到另一种状态，因此，把LM339用在弱信号检测等场合是比较理想的。
LM339的输出端相当于一只不接集电极电阻的晶体三极管，在使用时输出端到正电源一般须接一只电阻（称为上拉电阻，选3-15K）。
选不同阻值的上拉电阻会影响输出端高电位的值。
因为当输出晶体三极管截止时，它的集电极电压基本上取决于上拉电阻与负载的值。
另外，各比较器的输出端允许连接在一起使用。
图3.9单限比较器电路
图3.10寻灯光进入车库电路
3.5显示电路设计
采用CD4518组成8421码同步十进
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