基于单片机的智能电梯控制模块的设计与仿真毕业设计论文.docx
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基于单片机的智能电梯控制模块的设计与仿真毕业设计论文
目录
1绪论1
1.1课题背景1
1.2电梯的应用2
1.3电梯的发展趋势2
1.4设计目的3
1.5本设计完成的工作3
2总体方案设计4
2.1硬件设计4
2.2.1引言4
2.1.2单片机简介5
2.1.3主控芯片选择7
2.1.4电源选取9
2.1.5主显示器件选择9
2.1.674LS5958位输出锁存移位寄存器11
2.1.7发光二极管及独立按键14
2.2单片机开发工具仿真简介16
2.2.1Keil简介16
2.2.2Proteus简介16
3硬件实现及单元电路设计17
3.1主控制模块17
3.2单片机的时钟电路与复位电路设计17
3.3电梯按键电路18
3.4楼层显示和楼层指示电路图18
4系统软件设计方案19
4.1主程序流程图19
4.2电梯各情况下所对应的处理方法20
总结21
参考文献22
附录1整机电路原理图23
附录2源程序24
致谢34
1绪论
1.1课题背景
电梯进入人们的生活已经150年了。
一个半世纪的风风雨雨，翻天覆地的是历史的变迁，永恒不变的是电梯提升人类生活质量的承诺。
生活在继续，科技在发展，电梯也在进步。
150年来，电梯的材质由黑白到彩色，样式由直式到斜式，在操纵控制方面更是步步出新——手柄开关操纵、按钮控制、信号控制、集选控制、人机对话等等，多台电梯还出现了并联控制，智能群控；双层轿厢电梯展示出节省井道空间，提升运输能力的优势；变速式自动人行道扶梯的出现大大节省了行人的时间；不同外形——扇形、三角形、半菱形、半圆形、整圆形的观光电梯则使身处其中的乘客的视线不再封闭。
如今，以美国奥的斯公司为代表的世界各大著名电梯公司各展风姿，仍在继续进行电梯新品的研发，并不断完善维修和保养服务系统。
调频门控、智能远程监控、主机节能、控制柜低噪音耐用，一款款集纳了人类在机械、电子、光学等领域最新科研成果的新型电梯竞相问世，冷冰冰的建筑因此散射出人性的光辉，人们的生活因此变得更加美好。
中国最早的一部电梯出现在上海，是由美国奥的斯公司于1901年安装的。
1932年由美国奥的斯公司安装在天津利顺德酒店的电梯至今还在安全运转着。
1951年，党中央提出要在天安门安装一台由我国自行制造的电梯，天津从庆生电机厂荣接此任，四个月后不辱使命，顺利地完成了任务。
十一届三中全会后，沐浴着改革开放的春风，我国电梯业进入了高速发展的时期。
在我国任何一个城市，电梯都在被广泛应用着。
电梯给人们的生活带来了便利，也为我国现代化建设的加速发展提供了强大的保障。
电梯是高层建筑中安全、可靠、垂直上下的运载工具，对改善劳动条件、减轻劳动强度起到很大的作用。
电梯的应用范围很广，可用于宾馆、饭店、办公大楼、商场、娱乐场所、仓库以及居民住宅大楼等。
在现代社会中，电梯已成为人类必不可少的垂直运输交通工具。
1.2电梯的应用
电梯是一种以电动机为动力的垂直升降机，装有箱状吊舱，用于多层建筑乘人或载运货物。
也有台阶式，踏步板装在履带上连续运行，俗称自动电梯。
服务于规定楼层的固定式升降设备。
它具有一个轿厢，运行在至少两列垂直的或倾斜角小于15°的刚性导轨之间。
轿厢尺寸与结构形式便于乘客出入或装卸货物。
习惯上不论其驱动方式如何，将电梯作为建筑物内垂直交通运输工具的总称。
按速度可分低速电梯（1米/秒以下）、快速电梯（1～2米/秒）和高速电梯（2米/秒以上）。
19世纪中期开始采用液压电梯，至今仍在低层建筑物上应用。
1852年，美国的E.G.奥蒂斯研制出钢丝绳提升的安全升降机。
80年代，驱动装置有进一步改进，如电动机通过蜗杆传动带动缠绕卷筒、采用平衡重等。
19世纪末，采用了摩擦轮传动，大大增加电梯的提升高度。
1.3电梯的发展趋势
绿色化：
绿色理念是电梯发展总趋势。
发展趋势主要有如下：
不断改进产品的设计、生产环保型低能耗、低噪声、无漏油、无漏水、无电磁干扰、无井道导轨油渍污染的电梯。
电梯曳引采用尼龙合成纤维曳引绳、钢皮带等无润滑油污染曳引方式。
电梯装璜将采用无（少）环境污染材料、电梯空载上升和满载下行电机再生发电回收技术，安装电梯将无需安装脚手架，电梯零件在生产和使用过程中对环境没有影响（如刹车皮一定不能使用石棉）并且材料是可以回收的。
降低能耗：
减少电梯能耗的措施是多方面的。
主要包括：
选择减小电梯机械系统的惯性和磨擦阻力;合理运用对重和平衡重。
驱动系统使用永磁同步无齿轮曳引机从永磁同步电机工作原理可知其励磁是由永磁铁来实现的,不需要定子额外提供励磁电流因而电机的功率因数,可以达到很高（理论上可以达到1）。
同时永磁同步电机的转子无电流通过，不存在转子耗损问题，一般比异步电机降低45%～60%耗损。
由于没有效率低，高能耗蜗轮蜗杆传动副，能耗进一步降低。
在停站较少的群梯布置中，一个主机驱动两个轿厢分别上下运行是一种节能的方案。
而减少能耗的另一途径是电梯运行过程的能耗控制。
利用电梯空载上行、满载下行时电机处以发电状态的特性，将再生能量反馈给电网，这种节能措施在高速梯上效果显著。
还有一种节能方案将在软件控制中得以实现。
如建立实时控制的交通模式，尽量以较少的运行次数来运载较多的乘客，使电梯的停站次数减至最少。
电梯召唤与轿厢指令合一的楼层入口乘客登记方案是电梯控制方式的一项革命性技术，使原来层站上乘客未知的目的层变得一目了然，从而使控制系统的派梯效率达到最高。
减少运行过程能耗的另一措施是将电梯运行中的加减速度模式设置成变参数，即电梯控制系统中运行的速度、加速度以及加速度变化率曲线既随运行距离变化，也随轿厢负载变化通过仿真软件模拟，确定出不同楼层之间的最佳运行曲线。
利用电梯机房在楼顶的优势，充分利用太阳能作为电梯的补充能源也将是新的研究课题。
智能化：
随着计算机技术，通讯技术与控制技术的发展使大厦的智能化成为现实，而电梯是智能建筑中的重要交通工具，其技术发展及智能化程度也倍受世人关注。
智能化的电梯首先要与智能大厦中所有自动化系统联网，如与楼宇控制系统、消防系统、保安监控系统等交互联系，使电梯成为高效优质、安全舒适的服务工具。
从电梯运行的控制智能化角度讲，要求电梯有优质的服务质量,控制程序中应采用先进的调度规则，使群控管理有最佳的派梯模式。
现在的群控算法中已不是单一地依赖“乘客等候时间最短”为目标，而是采用模糊理论、神经网络、专家系统的方法，将要综合考虑的因素（即专家知识）吸收到群控系统中去，在这些因素中既有影响乘客心理的因素，也有对即将要发生的情况作评价决策，是专家系统和电梯当前运行状态组合在一起的多元目标控制。
利用遗传算法对客流交通模式及派梯规则进行优化、自学习，实现电梯调度规则的进化，以适应环境的变化。
“以人为本”设计的电梯控制系统，将会使电梯的服务质量越来越好。
1.4设计目的
目前电梯控制系统大多采用继电器或者可编程控制器（PLC）的控制方式，存在着成本高，需要三相供电等缺点，本设计给出了一种基于单片机的电梯模型控制系统设计。
以单片机为核心，再辅以适当的硬件电路和控制程序来检测和控制整个电梯的信号，具有成本低、通用性强、灵活性大、扩展容易及易于实现复杂控制等优点。
本设计注重基本理论知识与实际情况的紧密结合，同时对学生独立创新和分析问题的能力进行培养，加深对知识的理解，为以后的工作和学习打下坚实的基础。
1.5本设计完成的工作
1、设计电路模拟8层电梯运行
2、设置电梯的每一层按键，每按下一个按键有相应的二极管指示。
3、电梯具有向上还是向下指示，同时能显示到了哪一层
4、电梯无人时，应默认停在第一层
5、自行构建基于单片机的最小系统，完成相关硬件电路的设计实现；
2总体方案设计
系统采用STC89C52单片机作为核心控制单元用于智能电梯系统的控制,该电梯装有1个8×8点阵显示器，显示楼层和上下方向。
8×8点阵显示器接到单片机的p0和p2口接受信号，用于判断是否上下和显示楼层。
系统总体的设计方框图如图2-1所示。
图2-1系统总体方框图
2.1硬件设计
2.2.1引言
由于电梯要运送客人到不同楼层，所以每一层都要有按键才可以满足不同楼层顾客的需求。
而且，电梯还要有人性化的显示，如哪个按钮按下了，就把它对应楼层按钮的二极管点亮，还要有一个数码管实时显示电梯所在层数，用16×16点阵显示器件按数字转换用来表示电梯当前的运行方向等等。
而这些零碎的原件，又需要高效的芯片来控制，它们相互之间的物理连接问题这些就是本章所要叙述的硬件设计部分。
2.1.2单片机简介
单片机是一种集成电路芯片，是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微型计算机系统。
尽管他的大部分功能集成在一块小芯片上，但是它具有一个完整计算机所需要的大部分部件：
CPU、内存、内部和外部总线系统，目前大部分还会具有外存。
同时集成诸如通讯接口、定时器，实时时钟等外围设备。
而现在最强大的单片机系统甚至可以将声音、图像、网络、复杂的输入输出系统集成在一块芯片上。
单片机是微型计算机的一个重要分支，也是颇具生命力的机种。
单片机经过几代的发展，目前单片机正朝着高性能和多品种方向发展，它们的CPU功能在增强，内部资源在增多，引角的多功能化，以及低电压底功耗。
单片机是靠程序运行的，并且可以修改。
通过不同的程序实现不同的功能，尤其是特殊的独特的一些功能，这是别的器件需要费很大力气才能做到的，有些则是花大力气也很难做到的。
单片机诞生于20世纪70年代末，经历了SCM、MCU、SOC三大阶段。
SCM即单片微型计算机（SingleChipMicrocomputer）阶段，主要是寻求最佳的单片形态嵌入式系统的最佳体系结构。
“创新模式”获得成功，奠定了SCM与通用计算机完全不同的发展道路。
在开创嵌入式系统独立发展道路上，Intel公司功不可没。
MCU即微控制器（MicroControllerUnit）阶段，主要的技术发展方向是：
不断扩展满足嵌入式应用时，对象系统要求的各种外围电路与接口电路，突显其对象的智能化控制能力。
SOC单片机（SystemOnChip），单片机是嵌入式系统的独立发展之路，向MCU阶段发展的重要因素，就是寻求应用系统在芯片上的最大化解决；因此，专用单片机的发展自然形成了SOC化趋势。
随着微电子技术、IC设计、EDA工具的发展，基于SOC的单片机应用系统设计会有较大的发展。
因此，对单片机的理解可以从单片微型计算机、单片微控制器延伸到单片应用系统。
众多的单片机可以从不同角度进行分类。
按单片机数据总线的位数分为4位，8位，16位，32位。
4位单片机在整个单片机市场中所占的比例逐渐减小，它主要应用各种规模较小的家电类消费产品。
8位单片机是目前世界上品种最为丰富，应用最为广泛的单片机。
16位单片机的操作速度及数据吞吐能力在性能上比6位单片机有较大提高。
32位单片机在寻址能力，操作速度，运算能力，开发手段与环境方面大为增强。
单片机的应用范围十分广泛，主要的应用领域有：
工业控制，单片机可以构成各种控制系统，数据采集系统等。
仪器表，如智能仪器，医疗器械，数字示波器等。
计算机外部设备与智能接口，如传真机，打印机等等
单片机在工业控制，智能家电，汽车电子，楼宇自动化，医疗器械方面都有应用，智能仪表、实时工控、通讯设备、导航系统、家用电器常用的有验钞机，门禁系统，电子监控，变频空调等等随处可见目前有能力进行单片机开发的人员是非常受企业欢迎的;这方面需求量是很大的，单片机是我们生活中不可缺少的，它不断发达。
目前计算机硬件技术朝着巨型化，微型化和单片化三个方向发展。
单片机代表着计算机技术的一个发展方向，自1975年美国德克萨斯仪器公司第一块单片机芯片TMS-1000问世以来，在短短的30多年间，单片机技术已发展成为计算机技术的一个非常活力的分支，单片机在集成度，功能，性能，体系结构等方面都得到了飞速发展。
2.1.3主控芯片选择
该设计用了STC89C51RC单片机这种单片机是宏晶科技推出的新一代高速/低功耗，指令代码完全兼容传统8051单片机，12时钟/机器周期和6时钟/机器周期可以任主要特性如下：
增强型8052单片机，6时钟/机器周期和12时钟/机器周期可以任意选择，指令代码完全兼容传统8051。
工作电压：
5.5V～3.3V（5V单片机）/3.8V～2.0V（3V单片机）工作频率范围：
0～40MHz，相当于普通8051的～80MHz实际工作频率可达48MHz 用户应用程序空间为8K字节片上集成512字节RAM 通用I/O口（32个），复位后为：
P1/P2/P3/P4是准双向口弱上拉，P0口是漏极开路输出，作为总线扩展用时，不用加上拉电阻，作为I/O口用时，需加上拉电阻。
ISP（在系统可编程）/IAP（在应用可编程），无需专用编程器，无需专用仿真器，可通过串口（RxD/P3.0,TxD/P3.1）直接下载用户程序，数秒即可完成一片具有EEPROM功能具有看门狗功能共3个16位定时器计数器。
即定时器T0、T1、T2外部中断4路，下降沿中断或低电平触发电路，Power Down模式可由外部中断低电平触发中断方式唤醒通用异步串行口（UART），还可用定时器软件实现多个UART工作温度范围：
-40～+85℃（工业级）/0～75℃（商业级）PDIP封装STC89C51RC单片机的工作模式掉电模式：
典型功耗<0.1μA,可由外部中断唤醒，中断返回后，继续执行原程序空闲模式：
典型功耗2mA正常工作模式：
典型功耗4Ma～7mA 掉电模式可由外部中断唤醒，适用于水表、气表等电池供电系统及便携设备如图2-2所示。
图2-2STC89C51RC引脚图
。
STC89C51RC引脚功能说明，VCC：
电源电压，VSS：
接地
P0端口（P0.～P0.7）：
P0口是一个漏极开路8位双向I/O口。
作为输出端口，每个引脚能驱动8个TTL负载，对端P0写入“1”时，可以作为高阻抗输入。
在访问外部程序和数据存储器时，P0口也可以提供低8位地址和8位数据的复用总线。
此时，P0口内部上拉电阻有效。
在FlashROM编程时，P0端口接收指令字节；而在校验程序时，则输出指令字节。
验证时，要求外接上拉电阻。
P1端口（P1.0～P1.7）：
P1口是一个带内部上拉电阻的8位双向I/O口。
P1的输出缓冲器可驱动（吸收或者输出电流方式）4个TTL输入。
对端口写入1时，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电位，这是可用作输入口。
P1口作输入口使用时，因为有内部上拉电阻，那些被外部拉低的引脚会输出一个电流（）。
P2端口（P2.0～P2.7）：
P2口是一个带内部上拉电阻的8位双向I/O端口。
P2的输出缓冲器可以驱动（吸收或输出电流方式）4个TTL输入。
对端口写入1时，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平，这时可用作输入口。
P2作为输入口使用时，因为有内部的上拉电阻，那些被外部信号拉低的引脚会输出一个电流（）。
在访问外部程序存储器和16位地址的外部数据存储器（如执行“MOVX@DPTR”指令）时，P2送出高8位地址。
在访问8位地址的外部数据存储器（如执行“MOVX@R1”指令）时，P2口引脚上的内容（就是专用寄存器（SFR）区中的P2寄存器的内容），在整个访问期间不会改变。
在对FlashROM编程和程序校验期间，P2也接收高位地址和一些控制信号。
P3端口（P3.0～P3.7）：
P3是一个带内部上拉电阻的8位双向I/O端口。
P3的输出缓冲器可驱动（吸收或输出电流方式）4个TTL输入。
对端口写入1时，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电位，这时可用作输入口。
P3做输入口使用时，因为有内部的上拉电阻，那些被外部信号拉低的引脚会输入一个电流（）。
在对FlashROM编程或程序校验时，P3还接收一些控制信号。
RST：
复位输入。
当输入连续两个机器周期以上高电平时为有效，用来完成单片机单片机的复位初始化操作。
看门狗计时完成后，RST引脚输出96个晶振周期的高电平。
特殊寄存器AUXR（地址8EH）上的DISRTO位可以使此功能无效。
DISRTO默认状态下，复位高电平有效。
ALE/：
地址锁存控制信号（ALE）是访问外部程序存储器时,锁存低8位地址的输出脉冲。
在Flash编程时，此引脚（）也用作编程输入脉冲。
XTAL1：
振荡器反相放大器和内部时钟发生电路的输入端。
XTAL2：
振荡器反相放大器的输入端
EA：
访问外部程序存储器控制信号。
为使能从0000H到FFFFH的外部程序存储器读取指令，必须接GND。
注意加密方式1时，将内部锁定位RESET。
为了执行内部程序指令，应该接VCC。
在Flash编程期间，也接收12伏EA电压。
PSEN：
外部程序存储器选通信号（）是外部程序存储器选通信号。
当AT89C51RC从外部程序存储器执行外部代码时，在每个机器周期被激活两次，而访问外部数据存储器时，将不被激活。
2.1.4电源选取
由于本系统是模拟电梯系统，我们采用9V直流电源为系统供电。
经过7805稳压后为单片机，指示灯，8×8点阵显示器供电。
经过实验验证系统工作时，8×8点阵显示器、单片机、指示灯工作稳定能够满足系统的要求。
2.1.5主显示器件选择
MAX6960–MAX6963是紧凑型阴极阵列显示驱动器，通过一个高速4线串行接口与微处理器连接，实现8x8点阵红色、绿色和黄色（R，G，Y）LED显示。
MAX6960–MAX6963无需外部元件，可驱动两个单色8x8矩阵显示器或者一个RGY8x8矩阵显示器。
驱动器还可以与外部调整管配合使用，以更高的电流和电压控制红色、绿色、蓝色（RGB）以及其他显示器。
MAX6960–MAX6963具有开路和短路LED探测功能，同时提供模拟和数字点阵段电流校准，以对不同生产批次的8x8显示器进行补偿或色彩匹配。
一个本地3线总线对多个互连的MAX6960–MAX6963进行同步，自动分配存储器映射地址，以适应用户的显示面板结构。
MAX6960–MAX6963的4线接口连接了多个驱动器，在驱动器之间共享、分配显示存储器映射。
一个全局写操作可向同一面板上的所有MAX6960发送命令。
MAX6963分两级亮度控制来驱动单色显示器。
MAX6962分两级或者四级亮度控制来驱动单色显示器。
MAX6961分两级亮度控制来驱动单色或者RGY显示器。
MAX6960分两级或者四级亮度控制来驱动单色或者RGY显示器如图2-3所示。
图2-3引脚配置图
关键特性2.7V至3.6V工作电压高速20MHz串行接口，可调的40mA或者20mA峰值段电流，可直接驱动两个单色或者一个RGY阴极阵列8x8矩阵显示器，模拟逐位段电流校准，数字逐位段电流校准，256级面板亮度控制（所有驱动器），每彩色象素级4级亮度控制，开路/短路LED探测，显示存储器页面突发写入，全局命令可访问所有驱动器，可通过外部调整管控制RGB面板或者更高电流/电压的面板，多显示数据页面方便进行动画显示，从每秒63个页面至每63秒一个页面自动切换，支持中断，限摆率段驱动器具有更低EMI，驱动器切换定时功能可扩展至多个驱动器，以降低电源峰值要求，低功耗关断，保持所有数据，-40°C至+125°C温度范围
2.1.674LS5958位输出锁存移位寄存器
74ls595是串转并的一个器件。
至于BL是厂家的一些编号。
它和74ls595是一样的，但是它的驱动能力更强，驱动小的LED可以不加上拉电阻。
74LS595，74HC595引脚图，管脚图如图2-4所示。
图2-4译码器图
QA--QH:
八位并行输出端，可以直接控制数码管的8个段。
QH`:
级联输出端。
我将它接下一个595的SI端。
SI:
串行数据输入端。
74595的控制端说明：
/SRCLR（10脚）:
低点平时将移位寄存器的数据清零。
通常我将它接Vcc。
SRCK（11脚）：
上升沿时数据寄存器的数据移位。
QA-->QB-->QC-->...-->QH；下降沿移位寄存器数据不变。
（脉冲宽度：
5V时，大于几十纳秒就行了。
我通常都选微秒级）
RCK（12脚）：
上升沿时移位寄存器的数据进入数据存储寄存器，下降沿时存储寄存器数据不变。
（通常我将RCK置为低电平，）当移位结束后，在RCK端产生一个正脉冲（5V时，大于几十纳秒就行了。
我通常都选微秒级），更新显示数据。
/G（13脚）:
高电平时禁止输出（高阻态）。
如果单片机的引脚不紧张，用一个引脚控制它，可以方便地产生闪烁和熄灭效果。
比通过数据端移位控制要省时省力。
注：
74164和74595功能相仿，都是8位串行输入转并行输出移位寄存器。
74164的驱动电流（25mA）比74595（35mA）的要小14脚封装，体积也小一些。
74595的主要优点是具有数据存储寄存器，在移位的过程中，输出端的数据可以保持不变。
这在串行速度慢的场合很有用处，数码管没有闪烁感。
与164只有数据清零端相比，595还多有输出端时能/禁止控制端，可以使输出为高阻态。
1）74164和74595功能相仿，都是8位串行输入转并行输出移位寄存器。
74164的驱动电流（25mA）比74595（35mA）的要小14脚封装，体积也小一些。
2）74595的主要优点是具有数据存储寄存器，在移位的过程中，输出端的数据可以保持不变。
这在串行速度慢的场合很有用处，数码管没有闪烁感。
3）595是串入并出带有锁存功能移位寄存器，它的使用方法很简单，在正常使用时SCLR为高电平，G为低电平。
从SER每输入一位数据，串行输595是串入并出带有锁存功能移位寄存器，它的使用方法很简单，如下面的真值表，在正常使用时SCLR为高电平，G为低电平。
从SER每输入一位数据，串行输入时钟SCK上升沿有效一次，直到八位数据输入完毕，输出时钟上升沿有效一次，此时，输入的数据就被送到了输出端。
入时钟SCK上升沿有效一次，直到八位数据输入完毕，输出时钟上升沿有效一次，此时，输入的数据就被送到了输出端。
其实看了这么多595的资料觉得没什么难的关键是看懂其时序图说到底就是下面三步（引用）:
第一步：
目的：
将要准备输入的位数据移入74HC595数据输入端上。
方法：
送位数据到P1.0。
第二步：
目的：
将位数据逐位移入74HC595，即数据串入
方法：
P1.2产生一上升沿，将P1.0上的数据移入74HC595中.从低到高。
第三步：
目的：
并行输出数据。
即数据并出
方法：
P1.1产生一上升沿，将由P1.0上已移入数据寄存器中的数据
送入到输出锁存器。
说明：
从上可分析：
从P1.2产生一上升沿（移入数据）和P1.1产生一上升沿
（输出数据）是二个独立过程，实际应用时互不干扰。
即可输出数据的
同时移入数据。
而具体编程方法为如：
R0中存放3FHLED数码管显示“0”
引脚说明
符号引脚描述
Q0…Q715，1，7并行数据输出
GND8地,Q7’9串行数据输出,MR10主复位（低电平）,SHCP11移位寄存器时钟输入,STCP12存储寄存器时钟输入,OE13输出有效（低电平）,DS14串行数据输入,VCC16电源。
输入输出功能
SHCPSTCPOEMRDSQ7’Qn
××L↓×LNCMR为低电平时紧紧影响移位寄存器
×↑LL×LL空移
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