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毕业设计智能循迹小车
摘要
本文论述了基于单片机的智能循迹小车的控制过程。
智能循迹是基于自动引导机器人系统，用以实现小车自动识别路线，以及选择正确的路线。
智能循迹小车是一个运用传感器、单片机、电机驱动及自动控制等技术来实现按照预先设定的模式下，不受人为管理时能够自动实现循迹导航的高新科技。
该技术已经应用于无人驾驶机动车，无人工厂，仓库，服务机器人等多种领域。
本设计采用AT89S52单片机作为小车的控制核心；采用红外反射式开关传感器作为小车的循迹模块来识别白色路面中央的黑色引导线，采集信号并将信号转换为能被单片机识别的数字信号；采用驱动芯片L298N控制直流电机，其中软件系统采用C程序，本设计的电路结构简单，容易实现，可靠性高。
关键词：
单片机；自动循迹；驱动电路
目录
1绪论1
1.1智能循迹小车概述1
1.1.1循迹小车的发展历程回顾1
1.1.2智能循迹分类2
1.1.3智能循迹小车的应用2
1.2智能循迹小车研究中的关键技术4
1.3智能循迹小车设计原理4
1.4智能循迹小车设计要求4
2智能循迹小车总体设计方案5
2.1整体设计方案5
2.1.1系统设计步骤5
2.1.2系统基本组成5
2.2整体控制方案确定6
3系统的硬件设计7
3.1单片机电路的设计7
3.1.1单片机的功能特性描述7
3.1.2晶振电路8
3.1.3复位电路9
3.2光电传感器模块9
3.2.1传感器分布10
3.3电机驱动电路11
3.3.1L298N引脚结构11
3.3.2直流电机控制原理12
4系统的软件设计13
4.1软件设计的流程13
5系统的总体调试15
5.1硬件的测试15
5.2程序的下载16
5.2.1ISP下载线的使用16
5.2.2程序的烧录17
5.3功能测试17
结论19
附录一硬件实物图20
附录二C源程序22
参考文献27
1绪论
进入二十一世纪，随着计算机技术和科学技术的不断进步，机器人技术较以往已经有了突飞猛进的提高，智能循迹小车即带有视觉和触觉的小车就是其中的典型代表。
1.1智能循迹小车概述
智能循迹小车又被称为AutomatedGuidedVehicle，简称AGV，是二十世纪五十年代研发出来的新型智能搬运机器人。
智能循迹小车是指装备如电磁，光学或其他自动导引装置，可以沿设定的引导路径行驶，安全的运输车。
工业应用中采用充电蓄电池为主要的动力来源，可通过电脑程序来控制其选择运动轨迹以及其它动作，也可把电磁轨道黏贴在地板上来确定其行进路线，无人搬运车通过电磁轨道所带来的讯息进行移动与动作，无需驾驶员操作，将货物或物料自动从起始点运送到目的地。
AGV的另一个特点是高度自动化和高智能化，可以根据仓储货位要求、生产工艺流程等改变而灵活改变行驶路径，而且改变运行路径的费用与传统的输送带和传送线相比非常低廉。
AGV小车一般配有装卸机构，可与其它物流设备自动接口，实现货物装卸与搬运的全自动化过程。
此外，AGV小车依靠蓄电池提供动力，还有清洁生产、运行过程中无噪音、无污染的特点，可用在工作环境清洁的地方。
1.1.1循迹小车的发展历程回顾
随着社会的不断发展，科学技术水平的不断提高，人们希望创造出一种来代替人来做一些非常危险，或者要求精度很高等其他事情的工具，于是就诞生了机器人这门学科。
世界上诞生第一台机器人诞生于1959年，至今已有50多年的历史，机器人技术也取得了飞速的发展和进步，现已发展成一门包含：
机械、电子、计算机、自动控制、信号处理，传感器等多学科为一体的性尖端技术。
循迹小车共历了三代技术创新变革：
第一代循迹小车是可编程的示教再现型，不装载任何传感器，只是采用简单的开关控制，通过编程来设置循迹小车的路径与运动参数，在工作过程中，不能根据环境的变化而改变自身的运动轨迹。
支持离线编程的第二代循迹小车具有一定感知和适应环境的能力，这类循迹小车装有简单的传感器，可以感觉到自身的的运动位置，速度等其他物理量，电路是一个闭环反馈的控制系统，能适应一定的外部环境变化。
第三代循迹小车是智能的，目前在研究和发展阶段，以多种外部传感器构成感官系统，通过采集外部的环境信息，精确地描述外部环境的变化。
智能循迹小车，能独立完成任务，有其自身的知识基础，多信息处理系统，在结构化或半结构化的工作环境中，根据环境变化作出决策，有一定的适应能力，自我学习能力和自我组织的能力。
为了让循迹小车能独立工作，一方面应具有较高的智慧和更广泛的应用，研究各种新机传感器，另一方面，也掌握多个多类传感器信息融合的技术，这样循迹小车可以更准确，更全面的获得所处环境的信息。
1.1.2智能循迹分类
AGV从发明至今已经有50多年的历史，随着应用领域的不断扩大，其种类和形式也变得更加多样化。
一般根据行驶的导航方式将智能循迹小车分为以下几种类型：
（1）电磁感应式
电磁感应式引导一般在地面上，沿预定路径埋电线，当高频电流通过导线，电线周围产生电磁场流动，AGV小车上安装两个对称的电磁感应传感器，他们收到的电磁信号差异可以反映的AGV偏离程度路径的程度。
AGV自动化控制系统，基于这种偏差值，以控制车辆的转向，连续的动态的闭环控制设置能够保证AGV对设定路径的稳定自动跟踪。
在目前商业用途的AGV中，特别是大型和中型小车，绝大多数都采用电磁感应导航。
（2）激光式
安装有可旋转的激光扫描器的AGV，可安装在墙壁或有高反射激光定位标志的支柱上或者路径上运行，AGV依靠激光扫描器发射激光束，然后接收由四周定位标志反射回的激光束，车载计算机，计算出当前车辆的位置和运动方向，通过内置的数字地图和校准位置相比，以实现自动处理。
目前，这种AGV类型的应用比较广泛。
基于同样的原理，如果激光扫描仪被红外线发射器，或超声波发射取代，激光制导的AGV小车可以转变为红外引导和超声引导的AGV。
（3）视觉式
视觉引导式AGV是的迅速发展和比较成熟的AGV，这种AGV配备CCD摄像机，传感器和车载电脑，在车载计算机中设置有AGV欲行驶路径周围环境图像数库。
在AGV的行驶过程中，相机得到的图像与图像数据库进行比较，以确定当前位置和车辆周围的图像信息并对下一步作出决定。
这种AGV小车并不需要设置任何的人工物理路径，所以在理论上具有灵活性，在计算机图像采集、存储和处理技术飞速发展的今天，这种类型的AGV实用性越来越强。
此外，还有铁磁陀螺惯性引导式AGV、光学引导式AGV等多种形式的AGV。
1.1.3智能循迹小车的应用
智能循迹小车发展历史及主要应用场所如下：
（1）仓储业
1954年，来自美国南卡罗来纳州的MercuryMotorFreight公司成为第一批把AGV小车的应用到仓库的使用者，来实现出入库货物的自动处理。
至今世界上有超过2100个厂家把大约2万台大型或小型的AGV小车应用到自己的仓库中。
中国的海尔集团在2000年把9台AGV小车投产到了自己的仓库区，形成一个灵活的AGV自动数据库处理系统，轻松地完成了每天至少33500的储存和装卸货物的任务。
（2）制造业
在制造业的的生产线中AGV小车大显身手，快速，精确，灵活的完成材料的运送任务。
由多台AGV小车组成的物流运输处理系统，较人工搬运系统来说更灵活，运输路线可以根据生产过程及时调整，使一条生产线，生产十几个产品，大大提高了生产的灵活性，企业的竞争力。
在1974年瑞典的沃尔沃卡尔马的汽车组装厂，提高了运输系统的灵活性，使用以AGV小车为载运工具的装配线，采用该装配线后，减少了20%装配时间、减少了39%组装错误，减少了57%投资资金回收时间以及减少了5%的员工费用。
目前，在世界主要的汽车生产厂家，如通用、丰田、克莱斯勒、大众AGV小车已被广泛应用。
近年来，作为CIMS（ComputerIntegratedManufacturingSystems，直译为基于计算机的现代集成制造系统）的基础搬运工具，AGV已经深入到机械加工，家电制造，微电子制造，烟草等行业，生产业和加工业已成为AGV小车使用最广泛的领域。
（3）邮局、图书馆、港口码头和机场
在邮局，图书馆，码头和机场候机楼等人口密集的公众场所，存在着大量的物品的运送工作，充满不定性和动态性强的特点，搬运过程往往也很单一。
AGV有着可并行工作、自动化、智能化和处理灵活的特点，可以很好的满足这些场合的运输要求。
1983年瑞典的大斯得哥尔摩邮局，1988年日本东京的多摩邮局，1990年中国上海的邮政相继开始使用AGV小车来完成邮品的搬运工作。
（4）烟草、医药、化工、食品
对于处理一些需要在清洁、安全、无排放污染等其他特殊环境要求的产品生产如烟草、制药、食品、化工等产品时应考虑AGV小车的应用。
在全国许多卷烟企业，如青岛颐中集团、玉溪红塔集团、红河卷烟厂、淮阴卷烟厂，应用激光引导式AGV完成托盘货物的搬运工作。
（5）危险场所和特种行业
在军事方面，以AGV小车为基础有着自动驾驶和检测功能的设备，可用于战场侦察和扫雷，英国军方正在开发MINDER侦察系统，这是一种具有地雷探测、销毁和路线验证能力自动型侦察车。
在钢铁厂，AGV小车负责炉料运输，大大降低了工人们的劳动强度。
在核电厂的核储存地点使用AGV小车，以避免辐射的危险。
AGV小车可在黑暗环境中，准确、可靠的运输物料。
1.2智能循迹小车研究中的关键技术
现在全世界越来越多的国家都在做着研究智能化、多样化的自动汽车导航的工作。
自动汽车导航是一个非常复杂的系统，它不仅应具有正常的运动功能的成分，而且还应具有任务分析，路径规划，信息感知，自主决策等类似人类的智能行为。
人类可以利用自己的听觉、视觉、味觉、触觉等功能获取事物的信息，人类的大脑再根据已经掌握的知识对这些信息进行综合分析，从而全面了解认知事物。
这样一个认识事物、分析事物和处理信息的过程称之为信息融合过程。
多传感器信息融合的基本原理就是模仿人类大脑的这个过程，得到一个对复杂对象的一致性解释或结论。
多传感器信息融合是协调多个分布在不同地点，相同或不同种类的传感器所提供的局部不完整观测量信息加以综合，协调使用，消除可能存在的冗余和矛盾，并加以互补，以减少不确定性，得到对物体或环境的一致性描述的过程。
多传感器信息融合具有许多性能上的优点：
（1）增加了系统的生存能力；
（2）减少了信息的模糊性；（3）扩展了采集数据覆盖范围；（4）增加了可信度；（5）改善了探测性能；（6）提高了空间的分辨力；（7）改善了系统的可靠性（8）信息的低成本性。
1.3智能循迹小车设计原理
这里的循迹是指小车在白色地板上循白、黑线行走，通常采取的方法是红外探测法。
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，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，反射光被装在小车上的接收管接收；如果遇到黑线则红外光被吸收，小车上的接收管接收不到红外光。
单片机就是否收到反射回来的红外光为依据来确定黑线的位置和小车的行走路线。
红外探测器探测距离有限，一般最大不应超过3cm。
1.4智能循迹小车设计要求
（1）自动寻迹小车从安全区域启动。
（2）小车按指定路线运行，自动区分直线轨道和弯路轨道，在指定弯路处拐弯，实现灵活前进、转弯、倒退等功能。
2智能循迹小车总体设计方案
2.1整体设计方案
本系统采用简单明了的设计方案。
通过高发射功率红外光电二极管和高灵敏度光电晶体管组成的传感器循迹模块判断黑线路经，然后由AT89S52通过IO口控制L298N驱动模块改变两个直流电机的工作状态，最后实现小车循迹。
2.1.1系统设计步骤
（1）根据设计要求，确定控制方案；
（2）将各个模块进行组装并进行简单调试；
（3）画出程序流程图，使用C语言进行编程；
（4）将程序烧录到单片机内；
（5）进行调试以实现控制功能。
2.1.2系统基本组成
小车
图2.1智能循迹小车控制系统结构框图
智能循迹小车主要由AT89S52单片机电路、循迹模块、L298N驱动模块、直流电机、小车底板、电源模块等组成。
（1）单片机电路：
采用AT89S52芯片作为控制单元。
AT89S52单片机具有低成本、高性能、抗干扰能力强、超低功耗、低电磁干扰，并且与传统的8051单片机程序兼容，无需改变硬件，支持在系统编程技术。
使用ISP可不用编程器直接在PCB板上烧录程序，修改、调速都很方便。
（2）循迹模块：
采用脉冲调制反射式红外发射接收器作为循迹传感器，调制信号带有交流分量，可减少外界的大量干扰。
信号采集部分就相当于智能循迹小车的眼睛，由它完成黑线识别并生产高、低平信号传送到控制单元，然后单片机生成指令来控制驱动模块来控制两个直流电机的工作状态，来完成自动循迹。
（3）L298N驱动模块：
采用L298N作为电机驱动芯片。
L298N具有高电压、大电流、响应频率高的全桥驱动芯片，一片L298N可以分别控制两个直流电机，并且带有控制使能端。
该电机驱动芯片驱动能力强、操作方便，稳定性好，性能优良。
L298N的使能端可以外接电平控制，也可以利用单片机进行软件控制，满足各种复杂电路的需要。
另外，L298N的驱动功率较大，能够根据输入电压的大小输出不同的电压和功率，解决了负载能力不够的问题。
（4）直流电机：
采用双直流电动机。
直流电动机的控制方法比异步电动机简单，只需给电机两条控制线加上适当的电压就能使电机旋转，在正常工作电压范围，电压越高直流电机转速越高。
直流电动机调速方法分为两种：
一种是直接调整电压，另一种通过PWM调速。
PWM调速就是使加在直流电机两端的电压波形为矩形波，改变矩形波的占空比就能实现电压的改变，从而实现电机转速的改变。
2.2整体控制方案确定
图2.2智能循迹小车系统控制框图
图2.2为循迹小车的系统控制框图。
引导线是小车跟踪的目标，检测系统检测车的相对路径，然后将此信息输入到单片机，单片机处理此信息后，将控制命令输出到驱动模块，以控制小车的直流电机，保证小车快速平稳地沿预先设定好的路线行驶。
本系统采用可充电池组作为主电源。
AT89S52单片机作为主控制器。
采用电机驱动芯片L298N控制直流电机，而不使用步进电机。
L298N是利用TTL电平进行控制，通过改变芯片控制端的输入电平，即可以对电机进行正转、反转和停止操作，亦能满足直流减速电机的要求，用该芯片作为电机驱动具有的操作方便、稳定性好等优点。
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。
这样单片机和循迹传感器组成了一个带有反馈信号的系统。
3系统的硬件设计
3.1单片机电路的设计
一个单片机应用系统的硬件电路设计包含两部分内容：
一是系统扩展，即单片机内部的功能单元，如ROM、RAM、I/O、定时器/计数器、中断系统等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；二是系统的配置，即按照系统功能要求配置外围设备，如键盘、显示器、A/D、D/A转换器等。
3.1.1单片机的功能特性描述
单片机又称单片微控制器,它不是完成某一个逻辑功能的芯片,而是把一个计算机系统集成到一个芯片上。
概括的讲：
一块芯片就成了一台计算机。
它的体积小、质量轻、价格便宜。
单片机内部也有和电脑功能类似的模块，比如CPU，内存，并行总线，还有和硬盘作用相同的存储器件。
单片机是一种集成电路芯片，采用超大规模集成电路技术把具有数据处理能力的中央处理器CPU随机存储器RAM、只读存储器ROM、多种I/O口和中断系统、定时器/计时器等功能（可能还包括显示驱动电路、脉宽调制电路、模拟多路转换器、A/D转换器等电路）集成到一块硅片上构成的一个小而完善的计算机系统。
本课题选择了Atmel公司的生产的AT89S52单片机。
AT89S52是一种低功耗、高性能的CMOS8位微控制器，具有8K在系统可编程Flash存储器。
使用Atmel公司高密度非易失性存储器技术制造，与工业80C51产品指令和引脚完全兼容。
片上Flash允许程序存储器在系统可编程，亦适于常规编程器。
在单芯片上，拥有灵巧的8位CPU和在系统可编程Flash，使得AT89S52为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案。
AT89S52具有以下标准功能：
8k字节Flash，256字节RAM，32位I/O口线，看门狗定时器，2个数据指针，三个16位定时器/计数器，一个6向量2级中断结构，全双工串行口，片内晶振及时钟电路。
另外，AT89S52可降至0Hz静态逻辑操作，支持2种软件，可选择节电模式。
空闲模式下，CPU停止工作，允许RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工作。
掉电保护方式下，RAM内容被保存，振荡器被冻结，单片机一切工作停止，直到下一个中断或硬件复位为止。
图3.1AT89S52芯片管脚图
3.1.2晶振电路
在AT89S52单片机上有一个用于构成内部振荡器的反相放大器，XTAL1和XTAL2分别是放大器的输入、输出端。
石英晶体和陶瓷谐振器都可以用来一起构成自激振荡器。
从外部时钟源驱动器件的话，XTAL2可以不接，而从XTAL1接入，如图3.3所示。
由于外部时钟信号经过二分频触发后作为外部时钟电路输入的，所以对外部时钟信号的占空比没有其它要求，最长低电平持续时间和最少高电平持续时间等还是要符合要求的。
图3.2单片机外部振荡电路连接图
图3.3单片机外部振荡电路连接图
3.1.3复位电路
复位电路的作用是在上电或复位过程中，控制CPU的复位状态：
这段时间内让CPU保持复位状态，而不是一上电或刚复位完毕就工作，防止CPU发出错误的指令、执行错误操作，也可以提高电磁兼容性能。
89系列单片机的复位信号是从RST引脚输入到芯片内的施密特触发器中的。
施密特触发电路是一种波形整形电路，当任何波形的信号进入电路时，输出在正、负饱和之间跳动，产生方波或脉波输出。
不同于比较器，施密特触发电路有两个临界电压且形成一个滞后区，可以防止在滞后范围内之噪声干扰电路的正常工作。
如遥控接收线路，传感器输入电路都会用到它整形。
当系统处于正常工作状态时，且振荡器稳定后，如果RST引脚上有一个高电平并维持2个机器周期（24个振荡周期）以上，则CPU就可以响应并将系统复位。
3.2光电传感器模块
循迹光电传感器原理，就是利用黑线对红外线不同的反射能力通过光敏二极管或光敏三极管，接收反射回的不同光强信号，把不同光强转换为电流信号，最后通过电阻，转换为单片机可识别的高低电平。
光电传感器实现循迹的基本电路如3.4所示。
图3.4循迹传感器电路图
循迹传感器工作原理：
TC端是传感器工作控制端，为高电平时，发光二极管不工作，传感器休眠，为低电平时，传感器启动。
Signal端为检测信号输出，当遇到黑线，黑线吸收大量的红外线，反射的红外线很弱，光敏三极管不导通，Signal输出高电平；当遇到白线，与黑线相反，反射的红外线很强，使光敏三极管导通，Signal输出低电平。
这种探测方法，即利用红外线在不同颜色的表面特征，具有不同的反射性能，汽车行驶过程中接收地面的红外光。
当红外光遇到白色路线，地板发生漫反射，安装在小型车的反射光接收器接收；如果是遇到黑色路线，红外光将被黑线吸收，安装在小车上的接收管没有收到红外光。
控制器会根据是否收到反射的红外光为判断依据来确定的黑线的位置和小车的路线。
红外探测器距离通常是不应超过15厘米的。
红外发射和接收红外线感应器，可以使自己或直接使用集成红外探头。
调整左右传感器之间的距离，两探头距离约等于黑线宽度最合适，选择宽度为3–5厘米的黑线。
该传感器的灵敏度是可调的，传感器有时遇到黑线却不能送出相应的信号，通过调节传感器上的可调电阻，适当的增大或减小可改变灵敏度。
另外，循迹传感器的放置也是有讲究的，有两种方法，一种是两个都是放置在黑线内侧紧贴黑线边缘，第二种是都放置在黑线的外侧，同样紧贴黑线边缘。
本设计采用第二种方法。
单片机烧录程序后，就可以执行循迹指令了。
如果小车向前行驶时向左偏离了黑线，那么右边传感器会产生一个高电平，单片机判断这个信号，然后向右拐回到黑线。
两传感器输出信号为低电平时，小车前进。
如果小车向右偏离黑线，左边传感器产生一个高电平，单片机判断这个信号，然后向左拐。
这样，小车一定不会偏离黑线。
若两个光电传感器同时输出的信号为高电平，即单片机判断的都为高电平时，小车向前直走。
3.2.1传感器分布
传感器通过信号采集，向单片机提供信息。
因此传感器合理的布局很重要，传感器布局需要考虑小车行驶过程中信息检测的准确度和前瞻性，能使在相同数量的传感器下，获得更多的数据。
传感器的布局一般有以下三种：
一字型布局，M型布局和活动型布局。
一字型布局即所有传感器在同一直线上。
一字型布局分为等距排布型和非等距排布型。
等距排布型不利于采集准确的弯道信息。
考虑到弧度信息采集的连贯性，非等距排布采用等角原则，即在垂直平分线上方处某点，以等角的引射线与直线的交点就是传感器的分布点，此种方法检测连贯简单，更容易控制小车。
M型布局即传感器的布局成M型，M型布局最适合检测多弯道的轨迹。
由于传感器不在同一直线上，故小车转弯时，左右两边后部的传感器有较大的采样空间，两边前端的传
感器则对采集的信号有更好的前瞻性，M型中间底部的传感器择更好的确定小车的位置。
整个布局有利于在弯道处提高小车速度。
但相对一字型布局，M型布局容易产生不稳定信号，从而产生信号震荡，影响小车行驶的稳定性。
活动型布局采用矩阵模式，将传感器排布成矩阵形状，通过对不同位置传感器采集到信息的选择来适应各种不同的跑道。
这样对不同路况有更强的适应性。
此种方案可调性大，但此种方法需要较多传感器，冗余较大，比较笨重，增加小车的重量，不利于小车的加减速。
最终决定采用一字型布局方法来对3个传感器进行布局。
3.3电机驱动电路
本设计采用L298N电机专用驱动芯片带动两个12V的直流电动机。
直流电机由定子和转子两大部分组成。
直流电机运行时静止不动的部分称为定子，定子的主要作用是产生磁场，由机座、主磁极、换向极、端盖、轴承和电刷装置等组成。
运行时转动的部分称为转子，其主要作用是产生电磁转矩和感应电动势，是直流电机进行能量转换的枢纽，通常又称为电枢，由转轴、电枢铁心、电枢绕组、换向器等组成。
其中L298N是ST公司的产品，比较常见的是15脚Multiwatt封装的L298N，内部包含4通道逻辑驱动电路。
可以驱动两个直流电机或驱动两个二相电机，也可单独驱动一个四相电机，输出电压最高可达50V。
直接通过电源来调节输出电压，直接通过单片机的IO端口提供信号，使得电路简单，使用更方便。
L298N可接受标准的TTL逻辑电平信号VSS，VSS通常接4.5~7V的电压。
4脚VS接电压源，VS可接电压范围VIH为2.5~46V。
L298N芯片输出电流可达2.5A，可驱动电感负载。
L298N是一个内部有两个H桥的高电压大电流全桥式驱动芯片，可以用来驱动直流电动机、步进电动机。
使用标准逻辑电平信号控制，直接连接单片机管脚，具有两个使能控制端，使能端在不受输入信号影响的情况下不允许器件工作。
L298N有一个逻辑电源输入端，使内部逻辑电路部分在低电压下工作。
3.3.1L298N引脚结构
图3.5L298N驱动芯片
引脚编号
名称
功能
1
电流传感器A
在该引脚和地之间接小阻值电阻可用来检测电流
2
输出引脚1
内置驱动器A的输出端1，接至电机A
3
输
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