基于单片机的电话远程控制家用电器系统设计.docx
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基于单片机的电话远程控制家用电器系统设计
天津大学网络教育学院
专科毕业论文
题目：
基于单片机的电话远程控制家用电器系统设计
完成期限：
2016年1月8日至2016年4月20日
学习中心：
嘉兴
专业名称：
电气自动化技术
学生姓名：
陈峰
学生学号：
132********4
指导教师：
黄凯
基于单片机的电话远程控制家用电器系统设计
引言
遥控技术是通过一定的手段对被控物体实施一定距离的控制，常用的方式有无线电遥控、有线遥控、红外线和超声波遥控等。
无线电遥控既是利用无线电信号对被控物体实施远距离控制。
无线电遥控不可避免的须占用一定的无线电频率资源，造成电磁污染；常规的有线遥控需进行专门的布线，增加了投入；而红外线、超声波遥控则受距离所限。
现有的遥控方式中，还有载波通信控制手段和基于无线寻呼的遥控方式。
载波方式即通过电力线传递信息，该方式只能局限于同一变电所、同一变压器所辖范围内。
因此也存在距离问题，应用范围有限。
基于无线寻呼的遥控方式利用了现有的寻呼频率资源，不需占用额外的频谱。
而且，随着寻呼网的全国联网，其遥控的距离基本不受限制。
但该方式的受控方动作滞后于控制方的操作，不具备实时性，而且不具备很高的可靠性。
随着我国信息事业的持续、快速发展,通信基础设施日臻完善,固定电话、移动电话用户总数接近两亿。
利用现有的通信终端,实现基于PLMN（陆基移动通信网）和PSTN（公用电话交换网）的电话远程控制系统,既可以节约投资,又便于推广。
电话远程控制系统（ITRCS）,以CCITT及我国标准共同规定的部分标准程控交换信令（DTMF双音多频信号,振铃信号,回铃音信号等）作为系统控制命令,以PLMN与PSTN通信网作为传输介质,使用户可以在远端利用固定电话或移动电话发送DTMF双音多频信号,实现对近端电器设备的远程控制。
电话属双工通信手段。
因此，这可以大大体现出利用电话进行遥控的更大优越性。
操作者可以通过各种提示音即时了解受控对象的有关信息，从而进行进一步的操作。
电话遥控这一课题目前已有涉足者，但是还只限于实验室阶段，因而距离实际应用，尤其是对于日常生活尚有一定的距离，并不能完全体现出电话遥控方式的双工通信特点。
本系统正是针对这一点进行了较大改进，采取单片机智能控制，利用不同的提示音达到对于不同操作的提示及对受控方状态的信息反馈，从而使操作者能够及时了解受控方信息，使产品达到交互式与智能化。
系统为了突出高性价比，故未对电话装置的其他功能进行进一步的扩展，而且所有使用的集成电路和其它元器件都尽量选择廉价的。
同时在该系统的基础上进行功能扩展是很方便的。
譬如:
加上留言功能，主人不在家时客人可以留言，利用遥控方式可使主人很方便地在异地提取留言信息；在各路终端上接上传感器即可实现对环境声响的监听；接上自动拨码电路可定时将预定信息转至主人传呼机或特定电话，从而达到定时提醒主人的目的。
本系统还可以应用于工厂企业的自动化控制等领域。
电话远程控制系统由单片机构成主控模块，进行主要的信息处理，接收外部操作指令形成各种控制信号，并完成对于各种信息的记录；另外还包括振铃检测模块、模拟摘挂机控制、双音频DTMF译码模块、及电器驱动模块等。
1PSTN介绍
在通信系统和通信网络中，为保证设备间或用户间的互通和正常的维护管理，除了需要传送话音、数据等业务信息外，还必须传送专用的附加控制信号。
对于程控交换系统，通常需要发送各种称之为“信铃”或“信号”（signal）的控制信号，来完成交换协调动作，实现用户呼叫的处理、接续、控制与维护管理等功能。
随着通信技术的迅猛发展，通信设备迅速增长，通信网络已遍布世界各地。
如何有效地利用这个丰富的资源，设计出更好更有竞争力的产品，为多数设计人员所关注。
要设计出与之有关的产品，就必须知道存在于通信网络里一些基本信号和不同情况下的检测方法。
本章将介绍公用电话网络系统几种基本电信信号。
1.1公用电话网络的基本电话信号
1876年贝尔发明的电话只是原始的电磁式电话,是一对单向单工方式,并没有信号音之分。
直到本世纪60年代电话机的电子化，1963年出现了第一台按键电话，60年代末CCITT提出了一种新的发号方式：
“双音多频”（DTMF）发号方式——音频拨号。
70年代末的大规模集成电路的出现和程控交换网的扩大，对电话状态的提示要求产生了拨号、忙音、回铃音等多种信号音。
现代传真机的诞生，又增加了话网上的调制问答信号音。
公用电话网基本电信信号包括：
振铃、拨号音、回铃音、忙音、阻塞音和无效号码音。
同一信号的组成成分却因不同国家和不同地区而不完全一样,甚至差别很大。
当电话听筒从它的托架上拿起来，或者离开挂钩时，就开始请求振铃功能，这时有直流信号流过环路，中央局的交换设备检测到直流信号，就认为是请求服务的信号。
只要电话在使用，就有直流信号流过，所以，交换机可以通过检测直流信号判断电话线是否还在使用。
当直流信号中断时，交换机得知谈话已经结束了。
因此，在本地环路中，直流信号用来振铃和管理。
在用户本地环路上传送地址信息有两种方法：
第一种就是，电话拨号脉冲中断直流信号，交换机对拨号脉冲计数，拨号脉冲以10脉冲/秒的速度产生；第二种方法就是以两个音频信号组合形成的信号在用户环路网上传输，叫做双音多频信号，双音多频拨号一般由四个高频信号（称高频群组）和四个低频信号（称低频群组）组合代表一个数字，每个数字信号由高、低频群组中取一个频率组成，八中取二，共有十六种组合方式，可代表16种信息，组合情况如见下表1所示。
在使用电话过程中大致有以下几种情况出现：
（1）拨号前，摘机后出现的拨号音或阻塞音（机线阻塞）；
（2）拨号后可能出现无效号码音；忙音（如对方正在使用电话）；回铃音+语音（对方听到铃响后回话）；回铃，音+忙音（对方无人接听）；语音+忙音（如所拨号码是移动电话，但对方未开电话，电信局送来提示语音后再送来忙音）；几秒后语音提示（所拨号码为传呼机号码，传呼台送来提示拨号语音）；几秒后忙音（所拨号码为传呼台号码，传呼台送来忙音）；几秒后高频音（所拨号码为传呼机号码，传呼台发送来的2KHz的应答信号）
（3）振铃。
表1电话拨号数字对应的高低频率组
1.2电话信铃的检测与识别
从上一节我们可以知道电话局向用户传送的多种信号，这一节我们来看一下如何检测和识别这些信号。
首先，来看一下这些信号的各自含义。
·振铃：
铃流用来呼叫被叫用户。
·拨号音：
用来通知主叫用户可以拨号。
·回铃音：
表示被叫用户处于被振铃状态。
·忙音：
表示本次接续遇到机线忙或被叫用户忙。
·阻塞音：
呼叫必须的电话暂时无法使用，机线拥塞。
电话网信号识别的原理是利用CPU的中断和定时功能,检测输入信号的周期和一定时间内采集到的信号数量。
由检测到的周期可计算出信号的频率,由定时窗口内采集到的信号脉冲数量可以算出信号的占空比。
有了频率和占空比两个参数,就可以推断出信号的类型。
对于拨号音、阻塞音和振铃的情况,只需检测出信号的频率和占空比,就可以推算出它是振铃信号、拨号信号还是阻塞信号。
对于拨号后的情况，要识别的信号有四种，其中三种为基本信号（回铃音、忙音和无效号码音），一种为传呼台2KHz应答信号。
这些信号出现的时刻和持续时间都有很大差别。
尤其是出现在信号前的语音信号,使得识别工作变得复杂、困难。
拨号后的前五种是与打电话相关的情况，后三种是与拨传呼机有关的情况。
以打电话为例，拨号后如果是忙音，则挂机延时后再拨，如果是回铃信号，则进一步检测对方是否摘机应答，何时摘机?
根据拨号后出现的情况所述，给出打电话时的波形图，如图1.1所示。
图1.1电话信铃波形图
2总体设计
设计此系统必须具有以下单元功能模块：
（1）铃音检测、计数；
（2）自动摘挂机；
（3）密码校验；
（4）双音频信号解码；
（5）控制电器开关；
2.1系统总体设计框图
电话线
图2.1系统总体设计框图
当需要遥控家用电器时，拨打相应的电话号码，振铃检测电路检测铃流信号，如果有人接听电话或振铃次数少于6次，对程控电话的使用不造成影响，当振铃次数达到6次后（次数可以通过软件任意设定），单片机启动语音提示电路发出提示音，询问是否进入家电控制模式，按“0”键否，挂机退出，按“1”键是，摘挂机电路自动摘机进入控制状态并将摘机信号输入到单片机中，单片机接收到摘机信号后，启动语音提示电路发出提示音，提示操作者输入密码或是退出。
输入的密码经DTMF接收，转换成二进制数并与事先存储在单片机中的密码比较，如果不相符，则语音提示密码错误，可再次重新输入，若三次密码错误则发提示音并自动挂机；如果密码相符则语音提示选择控制通道（按键1～8分别表示1～8号通道，分别控制8路电器）。
通道选择后，按下“1”键表示开启该路电器，并有语音提示“该路电器已经开启”，按下“0”键表示关断该路电器，有提示音“该路电器已经关闭”，按下“＊”键则可挂机退出。
若超时则自动挂机（时间可由软件设定）。
2.2系统整体方案论证
由于该系统其它模块都是固定的，不需要做大的变动，而唯一可以有所不同的就在于语音控制电路部分。
语音控制部分设计的不同就会导致整个系统设计方案的不同。
所以主要分析语音控制电路，可以使用录音芯片作为信号音反馈，提高本系统的实用性，也可以不使用录音芯片，提示音使用程序产生，保证整体电路的廉价。
下面给出两种不同的方案，并对其进行分析，最终选择其中一个方案。
2.2.1两种方案分析
方案一：
使用录音芯片来完成语音控制电路功能
本文使用的录音芯片是ISD1420，使用录音芯片可以使操作者能及时了解到受控家用电器的信息，使产品达到交互式与智能化。
具有多种手动控制方式、分段管理方便、多段控制时电路简单、采样速度及录放音时间可调、每个单键均有开始停止循环多种功能等特点当利用ISD1420进行录音时，外部音频信号通过话筒输入和线路输入方式进入，通过芯片内话筒放大器中自带的自动增益调节，如果信号幅度在100mV左右即可直接进入线路输入端，音频信号经内部滤波器、采样电路处理后以模拟量方式存入专用快闪存储器中。
放音时芯片内读逻辑电路从闪存中取出信号，经过一个低通滤波器送到功率放大器中，然后直接推动外部的喇叭放音。
方案二：
提示音使用程序产生
该方案可以减少该系统成本费用，语音提示电路受单片机的控制产生相应的提示音提示，并通过反馈电路反馈至电话外线。
从而使操作者对电器的操作达到交互式，并能即时了解有关的信息。
但是该方案在程序中实现会非常麻烦，增加了编程的难度和软件调试的难度。
2.2.2最终选择方案
根据以上分析，决定采用方案一来完成语音控制并形成如下总体设计方案：
（1）DTMF解码电路采用FM9270芯片接收从TEL0、TEL1输入的双音多频信号并将其转换成二进制编码，然后输至单片机进行数据处理，进而实现控制功能。
（2）语音提示电路采用ISD1420芯片，可以使操作者能及时了解到受控家用电器的信息，使产品达到交互式与智能化。
（3）主控制器采用AT89C51，它是一款与MCS51完全兼容且内部自带有4KB的Flash存储器及256KBRAM单元的芯片，因此可以不需另外扩展EEPROM及静态RAM就可以实现所需功能。
3硬件设计
主要器件：
AT89C51单片机、ISD1420、FM9270
3.1AT89C51单片机
AT89C51是一种带4K字节闪烁可编程可擦除只读存储器FPEROM的低电压，高性能CMOS8位微处理器，俗称单片机。
该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。
由于将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中，ATMEL的AT89C51是一种高效微控制器，为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。
1.主要特性：
·与MCS-51兼容
·4K字节可编程闪烁存储器
寿命：
1000写/擦循环
数据保留时间：
10年
·全静态工作：
0Hz-24Hz
·三级程序存储器锁定
·128*8位内部RAM
·32可编程I/O线
·两个16位定时器/计数器
·5个中断源
·可编程串行通道
·低功耗的闲置和掉电模式
本设计中选用AT89C51作为中央的处理模块，下面对AT89C51作简要介绍：
AT89C51是Intel公司于20世纪80年代推出MCS-51系列单片机的一种型号。
下面是AT89C51单片机的基本结构和有关引脚功能:
中央处理器CPU为单片机的核心;内部数据存储器RAM,用以存放各类数据；内部程序存储器ROM，用以存放程序指令或某些常数表格；每个8位的并行I/接口（P0，P1，P2和P3）均可用做输入或者输出；两个定时器/计数器，用做外部事件计数或定时；内部中断系统具有5个中断源，其中两个外部中断源；1个串行接口电路，可用于全双工异步收发；内部时钟电路只需外接晶振和微调电容，最高工作频率达到12MHz。
AT89C51单片机采用40引脚双列直插（DIP）封装。
串行通讯
计算机的CPU与其外部设备之间常常要进行信息的交换，一台计算机与其他的计算机之间也往往要交换信息，所有这样的信息交换均称之为“通讯”。
通讯的方式可分为：
并行通讯和串行通讯。
串行通讯是指数据的各位是一位一位地按顺序传送通讯方式。
它的突出优点是只需要一根传输线，甚至可以利用电话线作为传输线，这样就可以大大的降低了传输成本，特别适用于远程通讯。
其缺点是传送速度较低。
假设并行传送N位数据所需的时间为T，那么串行传送的时间至少为NT，而实际上总是大于NT。
①串行通讯的两种基本方式
围绕着当两个设备进行串行通讯时，如何才能保证接收机接收到正确的饿字符这个问题，通常采用通讯双方都认可的两种传送方式（即通讯方式）。
a异步传送方式
在异步传送中，字符是按格式进行传送的。
每帧格式如图所示。
在帧格式中，先是一个起始为“0”，然后是5-8位数据，且规定低位在前，高位在后；接下来是奇偶校验位（可略），最后一位是停止位“1”。
这种传送方式利用每一贝贞的起、止信号来建立发送与接收之间的同步。
其特点是：
没一帧内部各位均采用固定的时间间隔，但贝贞与贝贞之间的时间间隔是随机的。
接收机完全靠每一贝贞的起始位与停止位来识别字符传送是正在进行还是已经结束，或是一个新的字符。
这也是“异步”的涵义所在。
b同步传送方式
同步传送方式是一种连续传送的方式，它不必想异步传送方式那样要在每个字符都要加上起、止位，而是在要传送的数据块前加上同步字符SYN，而且数据没有间隙，使用同步传送方式，可以实现高速度、大容量的数据传送。
在用同步传送方式时，为了保证接收正确无误，发送方除了传送数据外，还要将时钟信号同时传送。
②波特率
在串行通讯中，有一个重要的指标叫波特率。
它定义为每秒钟传送二进制数码的位数（亦称比特数），以位/秒作为单位。
波特率反映了串行通讯的速率，也反映了对传输通道的要求：
波特率越高，要求传输通道的频带就越宽。
在异步通讯中，波特率为每秒钟传送的字符数和每个字符位数的乘积。
注意：
波特率与时钟频率不是一回事。
时钟频率波特率高得多，一般有两种选取的方法：
即高16倍或高64倍。
须知，由于异步通讯双方各自使用自己的时钟源，若时钟频率等于波特率，则只要频率稍微有偏差就会导致接受错误。
如果使用较高频率的时钟，例如在一位数据内就有16或64个时钟，则捕捉正确的信号就可以得到保证。
就串行通讯中数据的传送方向而言，有所谓单工、半双工和全双工之分。
a单工方式
在这种方式中只允许在意个方向传输数据。
一个只作为数据发送器，一个只作为数据接收器，而不能进行相反方向的数据传输。
b半双工方式
在这种方式中只有一条传输线。
尽管传输可以双向进行，但任何时候只能是一个站发送，另一个站接收，为了控制线路的换向，必须对收、发双方进行协调。
这种协调既可以靠增加借口的附加控制线路来实现，也可以用软件约定来实现。
c.全双工方式
在这种方式中有两条传输线，因此，无论是对于传输的哪个站来说，都允许发送和接收同时进行，显然，在这种方式下，两个传输方向的资源必须完全独立，各个站都有独立的接受器和发送器。
2.1.7数字显示与键盘
（1）数字显示部分
数字显示电路采用数码显示管（共阳）动态显示方式，其使用方便，结构简单,不用外加专门的驱动芯片。
①四位数码管的结构及显示原理
四位数码管是由发光二极管显示字段组成的，由于制造的材料不同，可相应发出红、黄、兰、紫等各种单色光。
发光二极管可以有多种组成形式，其中七段显示器应用最多，其次是“米”字显示器。
根据显示块内部发光二极管的连接方式不同，又有共阴极和共阳极两种形式，如图所示。
本系统采用的是四位共阳极的七段显示器。
由于发光二极管通常需要十几毫安到几十毫安的驱动电流才能正常发光，因此，由微型机发出的显示控制信号必须经过驱动才能使显示器正常工作，现在已经生产出集成电路驱动器，以及带有译码功能的多功能芯片，采用这类的芯片，可同时完成BCD码－七段数码管显示模型的转换和电流驱动工作，使用起来很方便。
另外，为了使用方便，现在已经生产出把4位或5位LED数码管集成在一起的多位小型LED数码管，有些还带有放大镜，采用双列直插式封装，因而体积小，功耗低，可靠，寿命长，使用方便。
②四位数码管的显示方法
在微型机控制系统中，常用的显示方法有两种，一种为动态显示，一种为静态显示。
a动态显示
动态显示，就是微型机定时地对显示器件扫描，在这种方法中，显示器件分时工作，每次只能有一个器件显示。
但由于人视觉的暂时现象，所以，仍感觉所有的器件都在显示。
如许多单片机的开发系统及仿真器上的六位显示器即采用这类显示方法。
此种显示的优点是使用硬件少，因而价格低，但它占用机时长，只要微型机部执行显示程序，就立刻停止显示。
由此可见，这种显示将使计算机的开销太大，所以，在以工业控制为主的微型机控制系统种应
③键盘接口
a分类和功能
本系统的键盘是由8个按键组成的开关矩阵，它是一种廉价的输出设备。
一个键盘，通常包括数字键（0～9），字母键（A～Z）以及一些功能键。
操作人员可以通过键盘向计算机输入数据、地址、指令或其它的控制命令，实现简单的人机对话。
用于计算机系统的键盘有两类：
—类是编码链盘、即键盘上闭合键的识别由专用硬件实现的。
另一类是非编码键盘，即键盘上键入及闭合键的识别由软件来究成。
键盘接口应具有如下功能：
*键扫描功能，即检测是否有键按下。
*键识别功能，确定被按下键所在的行列的位置。
*产生相应的键的代码（键值）。
*消除按键弹跳及对付多键串键（复按）。
b键盘的工作原理
2*4的键盘结构如图4-3所示，图中列线通过电阻接十5V。
当键盘上没有键闭合时，所有的行线和列线断开，列线Y0—Y3都呈高电平。
当硬盘上接一个键闭合时，则该键所对应的列线与行线短路。
例如4号键按下闭合时，行线Xl和列线Y0短路，此时Y0的电平由X1行线的电位所决定。
如果把列线接到微机的输入口，行线接到微机的输出口，则在微机的控制下，使行线X0为低电平（0），Xl都为高电平，读列线状态。
如果Y0、Y1、Y2、Y3都为高电平，则X0这一行上没有闭合键，如果读出的列线状态不全为高电平，则为低电平的列线与X0相交处的键处于闭合状态；如果X0这一行上没有闭合键，以此类推，最后使列线X2为低电平，其余的行线为高电平，检查X2这一行上是否有键闭合。
这种逐行逐列地检查键盘状态的过程称为对键盘的一次扫描。
CPU对键盘扫描可以采取程序控制的随机方式，CPU空闲时扫描键盘。
也可以来取定时控制方式，每隔一定时间，CPU对键盘扫描—次。
也可以采用中断方式，每当键盘上有键闭合时，向CPU请求中断，CPU响应键盘输入中断，对键盘扫描，以识别哪一个键处于闭合状态，并对键输入信息做出相应处理，CPU对键盘上闭合键的键号确定，可根据行线和列线的状态计算求得，也可以根据行线和列线状态查表求得。
P2.7～P2.4口为输出口控制键扫描作为键扫描口，同时由是4位显示器的扫描输出口，P2.3、P2.2读入键盘数，称为键输入口。
键输入程序的功能有以下四个方面：
（1）判别键盘上有无键闭合，其方法为扫描口P2.7～P2.4输出全“0”，读P2.3、P2.2口的状态，若P2.3、P2.2为全“1”（键盘上行线全为高电平）则键盘上没有闭合键，若P2.3、P2.2不全为“1”则有键处于闭合状态。
（2）去除键的机械抖动，其方法为判别到键盘上有键闭合，后延迟一段时间再判别键盘的状态，若仍有键闭合，则认为键盘上有一个键处于稳定的闭合期，否则认为是键的抖动；
（3）判别闭合键的键号，方法为对键盘的列线进行扫描，扫描口P2.7～P2.4依次输出
P2.7P2.6P2.5P2.4
1110
1101
1011
0111
并相应的顺次读P2.3、P2.2口的状态，若P2.3、P2.2为全“1”，则列线为0的这一列上没有键闭合，否则这一列上有键闭合，闭合键的键号等于为低电平的列号加上为低电平的行的首键号。
例如：
P2.7～P2.4口的输出为1101，读出P2.3、P2.2为10，则为3号键闭合。
P0P1P2P3TXDRXDINT0INT1
图3.189c51结构图
3.2语音提示电路
现代电子、电器产品及设备的智能化水平不断提高，在人机界面设计上不但有了文字标识、发光管指示、显像屏显示等视觉表达，而且还有各种听觉表达，如最简单的“滴滴、嘟嘟”讯响声、稍丰富些的音乐声，甚至用人的语言直接对用户“说话”等。
用简单的数码语音集成电路可以实现一句或多句语言的播放，如掩模芯片中的“欢迎光临”、“有电危险、请勿靠近”等，还有如ISD系列、APR9600（IVS1560）等芯片可由开发人员或用户任意录制、播放需要的一段或几段语音等。
在听觉表达中最复杂的就是语音的组合，它是将用户预存的多段语音选择顺序连续播放，将字或词素组合成一句话、甚至一段话播放出来，从而实现最准确、定量的语义表达，例如“嘟，现在温度37.5度，温度偏高”、“现在时间五点二十五分三十三秒”等。
传统语音组合电路的设计十分复杂，开发工具十分昂贵，语音录制及软件编制工作量巨大，而且组合出来的语音效果也不甚理想，尤其在投资不大的产品、系统中最为突出，从而制约了这一技术的应用和发展。
只在近一、两年来，模拟存储语音技术的ISD芯片及其廉价的开发编辑工具问世后，情况才大为改观。
现在已有专业公司开发出通用ISD语音组合模块，用户只需要在ISD语音芯片中分段录入要求的词素，即可方便地用单片机控制输出这些词素的任意组合成句、成段，词素的语音容量从20秒至480秒甚至更长，以至可以容纳所有的中文汉字发音。
ISD1420是采用模拟存取技术集成的可反复录放的20秒语音芯片，掉电语音不丢失，最大可分160段，最小每段语音长度为125ms，每段语音都可由地址线控制输出，每125ms为一个地址，由A0-A7八根地址线控制。
用户录制的语音每一段结束后芯片自动设有段结束标志（EOM），芯片录满后设有溢出标志（OVF）。
如果用单片机等控制电路按某一段的起始地址进行放音操作，遇到段结束标志（EOM）即自动停止放音，单片机收到段结束标志（EOM）就开始触发下一段语音的起始地址，如此控制，即可以将很多、不同段的语音组合在一起成一句话放音出来，实现语音的自动组合。
用户可以先通过专用的ISD1425语音编程拷贝机将需要的语音分段编程、连续录制到芯片中，每段语音的长度不限，制成语音源片后，将源片的录音端封住不让其再做录音操作，再由单片机电路控
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