基于单片机的交通灯设计

郑州工业应用技术学院

本科生毕业论文

题 目： 指导教师： 学生姓名： 专 业： 院 （系）： 答辩日期：

单片机控制的交通灯设计

郝东山 李亚南

职称： 教 授 学号： 通信工程 信息工程学院 20l5年5月29日

1101120147

20l5年5月20日

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摘 要

本设计从交通车辆管理人性化和科学高效化的理念出发，对单片机控制的智能交通灯系统进行了研究和设计，提出了采用STC89C51单片机及晶振电路、复位电路组成的单片机最小系统、74HC245驱动电路和按键模块、LED数码管显示和E18-D80NK-N近红外传感器等部件，设计出了一种新型的智能交通灯系统。该系统通过传感器自动检测车流量，实现了车辆通行时间的转换。通过蜂鸣器，实现了对闯红灯车辆的检测并发出声音警示的功能。对交通灯转换时间的自动倒计时实现了LED显示，通过两位一体共阴极数码管显示和按键，对定时进行人为设置等。本设计模型实际运行效果显示，各项功能稳定，不但能够实现交通灯基本的通行功能，并能根据红外传感器检测到的不同方向的车流量自动改变下一个时间段的通行时间。通过按键，依次可实现深夜时不同方向的交通灯均为黄灯的深夜模式；紧急情况时交通灯均为红灯的紧急模式；只允许十字路口单方向车辆通行的单向模式；按照人为设定的通行时间进行工作的确定模式；以及可查看不同方向的通行时间和车流量的查看模式。

关键词：交通灯；单片机；显示；计时；红外传感器；按键

I

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Design of traffic light base on the control of

single chip computer

Abstract

The system of wise traffic light controlled by single-chip microcomputer was studied and designed from the theory on concept of humanization and science. A new traffic light system composed of the minimum system formed by the STC89C51 single-chip microcomputer, crystal oscillating circuit and compound circuit, 74HC245 driving circuit, and press module, the LED digital tube display and E18-D80NK-N infrared sensor was given. This system can detect the number of cars through infrared sensor, the car passing time changes were achieved through that the system voluntarily examines car flow. Through the buzzer, the functions of test and issue a warning sound to the vehicles that pass the red light are achieved. Realizing the LED display of the traffic light conversation time’s automatic countdown, by the integration of two common cathode digital tube display and buttons, set the timing etal. The design model’s actual operation show that every function works well, not only can realize basic function of traffic lights, but also can change the passing time of next period according the vehicles that the infrared sensor detect. The keys can realize the following functions that the model of midnight that all traffic lights will turn yellow; the model of emergency that all traffic lights will turn red when encounter emergency; the model of east-west and the model of south-north, in this situation there will have only one direction’s traffic light is green and the other will become red; the model of determine that press the key the traffic will work base on the before passing time; the model of check, when you press this key, you can look the current passing time and the vehicles that the infrared sensor detect.

Keywords: traffic light；SCM；display；timing；infrared sensor；push button

II

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目 录

摘 要 .......................................................... 错误！未定义书签。 Abstract ....................................................... 错误！未定义书签。 1 背景意义与国内外相关研究现状 .................................... 1

1.1设计的背景及意义 ................................................ 1 1.2国内外研究现状 .................................................. 1 1.3小结 ............................................................ 2

2 系统方案设计与要求 ................................................ 3

2.1单片机交通灯控制系统通行方案设计 ................................ 3 2.2单片机交通灯控制系统的功能要求 .................................. 4

2.2.1 显示模块功能 .............................................. 5 2.2.2 按键模块功能 .............................................. 5 2.2.3 车流量检测模块功能 ........................................ 5 2.2.4 蜂鸣器模块功能 ............................................ 5 2.3单片机交通控制系统的基本构成及原理 .............................. 6 2.4小结 ............................................................ 6

3 系统硬件电路的设计 ................................................ 7

3.1系统硬件电路的构成 .............................................. 7 3.2工作原理 ........................................................ 8 3.3硬件总电路构成 .................................................. 8

3.3.1 信号显示驱动电路 .......................................... 8 3.3.2 键盘输入电路 .............................................. 9 3.3.3 蜂鸣器驱动电路 ............................................ 9 3.3.4 红外传感模拟电路 ......................................... 10 3.4小结 ........................................... 错误！未定义书签。

4 系统软件程序的设计 ............................................... 12

4.1程序主体设计流程 ............................................... 12 4.2子程序模块设计 ................................................. 12

4.2.1 状态灯显示及判断 ......................................... 12 4.2.2 紧停及调整时间中断子程序 ................................. 15

III

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4.3KEIL51的应用 ................................................... 16 4.4protel99se的应用 ............................................... 17 4.5小结 ........................................................... 17

5 系统调试 ........................................................... 18

5.1调试方法 ....................................................... 18 5.2调试及性能分析 ................................................. 18

5.2.1 红绿灯控制程序 ........................................... 18 5.2.2 紧急模式及深夜模式的调试 ................................. 18 5.2.3 车辆检测电路的调试 ....................................... 18 5.3问题及解决方法 ................................................. 19 5.4小结 ........................................................... 19

6 总结与展望 ........................................................ 20 参考文献 ...................................................................... 22 致 谢 ................................................................ 24 附 录 ................................................ 错误！未定义书签。

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警发出警告。其二，在对紧急事故进行处理而对普通车辆全部进行时若红外传感器检测到有普通车辆闯红灯时启动手工按键报警模式。

2.4 单片机交通控制系统的基本构成及原理

十字路口车辆行人穿梭不止，那么靠什么来维持路口的交通秩序，使车辆和行人

能够按照一定的规则来通过路口呢？交通指挥灯的自动指挥系统有很多种控制方式，因此交通灯的设计方案可以根据不同路口的情况来定[27]。本设计采用STC89C51单片机以及单片机、晶振电路、复位电路组成的单片机最小系统和74HC245驱动电路以及按键的设置和数码管和LED显示，近红外传感器等部件，完成一个基于单片机的交通灯模型的设计。本交通灯系统，单片机作为主控可以控制交通信号灯的状态变化，可以完成基本的指挥交通的功能。另外，接入LED数码管就可以显示倒计时以提醒行使者注意通行时间，更具人性化[28-30]。本设计在基本功能的基础上，加入车流量检测模块采集车辆信息，方便单片机控制系统及时调整下一时间段的通行时间，蜂鸣器模块提高了对交通车辆的指挥提醒作用。该设计能在相同的时间里提高通车的数量、效率，并能在上下班高峰期根据道路上的车流量及时调整该路口的下一个时段的通车时间，及时缓解上下班高峰期时交通拥挤堵塞现象。而且该交通控制系统具有紧急处理模块，当有突发情况或者紧急情况发生时，交通路口指示灯均亮红灯，此时普通禁止通行，当紧急车辆通过后，交通灯恢复到正常通行状态。系统的总体框图如如图（图2.3）所示：

8段LED数码管 车流量传感器 外围接口 单片机 驱动显示 按键控制 红黄绿信号灯 图2.3 系统总框图

2.5 小结

本节从设计该交通灯模型的理念出发，以及该交通灯要实现的功能，介绍了关于交通灯设计的可行方案以及功能要求，并进一步详细的介绍了模型中各个模块的功能。

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3 系统硬件电路的设计 3.1 系统硬件电路的构成

12M时钟 振荡电路 上电复位电路 两组交通灯模块 系统电源模块 数码管驱动电路（NPN三极管） 8051 控制器系统 处理 4位共阳数码管显示模块 红外传感器 流量检测模块 蜂鸣器报警模块 功能按键 图3.1 系统硬件电路图

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3.2 工作原理

本设计模型通过选用STC89C51单片机及多种外围器件够层单片机最小系统实

现该设计的主要功能，四组红绿黄信号灯指示模块，四个不同方向的倒计时显示模块由八个LED构成，近红外传感器检测车流量并感应是否有违规车辆，多个按键组实现深夜模式，紧急模式和单向模式等功能，蜂鸣器电路实现报警功能。 单片机作为本模型设计的核心部件，其中P0口，P1口，用于送显交通灯LED数码管的型和位，P2用于控制交通灯红绿黄发光二极管，晶振时钟电路分别接在XTAL1口和XTAL2口，REST引脚接系统复位电路，实现复位功能。P3口用于实现各个按键功能的控制。单片机引脚如下图：

1234567891011121314151617181920U1P10P11P12P13P14P15P16P17RESETP30/RXDP31/TXDP32/INT0P33/INT1P34/T0P35/T1P36WRP37/RDX2X1GNDSTC89C52VCCP00P01P02P03P04P05P06P07EA/VPALE/PPSENP27P26P25P24P23P22P21P204039383736353433323130292827262524232221

图3.2单片机引脚图

接通电源后，交通灯模型开启自动模式，实现基本的交通灯通行功能，此时允许车辆通行的方向的红外传感器会自动检测该通行时间段内通过的车流量，禁止通行方向的传感器会检测是否有违规车辆通过，当红外传感器检测到有车辆通行时或者有车辆违规通行时，系统就会进入相应的中断子程序，然后进行计数或者开启蜂鸣器模式，然后结束中断。然后系统的控制中心就会处理该通行时间段内检测的通行车辆数量，调整下一个时间内该方向的通行时间，达到自动调整交通灯时间的目的。

3.3 硬件总电路构成

3.3.1 信号显示驱动电路

74HC245是单片机系统中常用的驱动器，三态输出八路收发器。它在本设计

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电路中的作用是：增加I/O口的驱动能力，因为51单片机的I/O口本身的驱动电流较小，但LED显示，和数码管显示对单片机来说是比较大的负载，因此采用74HC245来增强单片机I/O口的驱动能力。

A0B0C0D0E0F0G023456789191A0A1A2A3A4A5A6A7EDIRB0B1B2B3B4B5B6B71817161514131211ABCDEFGVCC74HC245

图3.3 74HC245电路图

设计中将1脚接VCC，19脚接地，整个芯片输出端的电平一直与输入端的电平保持一致，只是在交通灯系统中起到驱动作用。 3.3.2 键盘输入电路

为了使该交通灯系统更加稳定，程序编写简单，本设计采用的是独立式键盘接法。

该键盘的实现方法是通过检测I/O口是否有高低电平的变化一次来判断是否有按键按下。并且在对键盘的设置中运用了软件方法消除键盘不稳定抖动，避免由于抖动产生的干扰信号做出错误判断。89C51的RST接按键复位电路，用于单片机的复位控制。 89C51的P1.5、P3.1、P3.2、P3.3、P3.4、P3.7分别接按键 k1、k2、k3、k4、k5、k6，用于数码管显示车流量、紧急情况下暂停、单片机复位、单向模式切换、深夜模式切换、确定模式切换，如图6所示。硬件电路如图3.4所示：

13stopK12413dxK22413nbK32413okK72413K5add2413K6dec2413qiehuanK424 图3.4 键盘控制电路图

3.3.3 蜂鸣器驱动电路

本模型设计中采用有源蜂鸣器对违规车辆的通行发出警告。该驱动电路中，三极

管Q1起开关作用，当传感器检测到有违规车辆通行时，会将光信号转换为电信号，导致高电平向低电平的转换，其基极的低电平导通三极管，使蜂鸣器发声；当没有

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电平的变化时，基极一直保持高电平使三极管关闭，蜂鸣器不发声。

VCCP30R52.2KQ19012LSSPEAKER 图3.5 蜂鸣器驱动电路

3.3.4 红外传感模拟电路

红外传感车流量检测电路是由红外传感器、信号放大电路、电压比较器、延时电

路和计数器等组成。下面是该电路的一个中的系统框图，概括了这次设计的主要电路。

红外线传感器

模块

信号放大电路模块 电压比较器模块 计数器

图3.6 红外传感模拟电路

延时电路模块 红外传感器探头通过探测车辆的红外线辐射信号，并经过信号的放大电路模块、延时电路模块和发射等环节，将检测到的车辆信号转换为电信号，当电路中有高低电平发生变化时，计数器会自动的记录车辆数。当有障碍物经过时，当红外接收光敏二极管接收到反射的红外信号时，它将该红外传感器检测到的光信号信号转换成电信号，处理之后使交通灯内部的高低电平发生变化时，驱动计数器计数。

3.3 系统电路图

本交通灯设计的系统电路图如图3.7所示：

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图3.7 系统电路图

3.4 小结

本节就该交通灯的电路设计做出了进一步的阐述，介绍了硬件电路的构成及工作原理。并分别详细的说明了实现各个功能的电路设计及设计原理。

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4 系统软件程序的设计 4.1 程序主体设计流程

本交通灯模型的控制程序实际上由很多模块组成：键盘设置处理程序，交通指示灯控制程序，LED数码管显示控制程序，去除键盘抖动延时程序，紧急情况处理或违规判断程序，中断服务子程序，红外传感器车流量计数程序，自动调整红绿灯时间程序等。整个软件程序方面主要分两大部分：按键处理程序和50ms扫描程序。流程图如图（图4.1）所示。 定义状态数组 初始化外部中 宏定义 断 初始化 I/O 进入while(1)循定义字位码函 环 数 定义共阴极字型 编码表调用显示控制函数进入主函数 void display（） main() 定义 函数变量并初始化 定时器0初始化 调用Buzzer()函 数

图4.1 系统总的流程图

设置字型码和字位码，完成显示 返回while(1)函数 4.2 子程序模块设计

4.2.1 状态灯显示及判断

本设计中独立式键盘的实现方法是根据单片机I/O口的电平高低来判断是否有按键按下。在本模型设计中，在实际的模型运行中需要控制的的指示灯只有6个，即：东西红绿黄指示灯，南北红绿黄指示灯。I/O端口定义如下，其中均是低电平才能使指示灯状态发生变化。如图4.2：

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设定初值 初始化 开始

按键事件检测与处理

绿灯倒计时

光电管为低电平？ 倒计时完毕？ 黄灯倒计时5秒

倒计时完毕？ 光电管为低电平？ 红灯倒计时 检测车流量 检测闯红灯 结束

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图4.2 状态灯显示及判断流程图

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4.2.2 紧停及定时中断子程序

定时中断子程序是本设计中一个重要模块，当定时器开始启动时，它会在之前的基础数值上开始加1计数，若我们没有在开始的程序中设置TH0和TL0的值，它们的值均会默认为0。

if(k5!=1) { display(); if(k5!=1) { flag3=0; flag5=1-flag5; if(flag5==1) { TR0=0; { TR0=0; P2=0x00; Red_dx=1; Red_nb=1; } void int0(void) interrupt 0 using 1 TR1=1;flag3=0; P2=0x00; Green_dx=1; Red_nb=1; sec_dx=00; sec_nb=00;

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} void int1(void) interrupt 2 using 1 { TR0=0; TR1=1;flag3=0; P2=0x00; Green_nb=1; Red_dx=1; sec_nb=00; sec_dx=00; } 4.3 KEIL51的应用

一般情况下我们在设计硬件和软件时都需要借助一些辅助软件，本设计采用 protel99se来设计交通灯模型的电路与制版，利用KEIL51来开发实现交通灯功能的程序等。

Keil C51 uVision2集成开发环境是基于89C51内核的软件开发平台，支持工程建立、程序的编译与链接、软件与硬件仿真、目标代码的生成等功能。Keil C51编译器能够编译出正确率很高的程序代码和而且在编译效率方面达到了非常高的层次。

与大多数集成开发环境类似，Keil C51集成开发环境也是通过工程的方法来管理文件，在一个工程文件中源程序（C51程序、汇编程序）、头文件等都可以进行统一管理。

编写本设计模型需要用到的C 语言源程序。 编译或汇编源文件。 运行并纠正源文件中的错误。 从编译器和汇编器连接目标文件。 测试连接的应用程序。

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4.4 protel99se的应用

Protel是一款由Protel Technolgy公司推出的现在应用非常广泛的软件，一直是从事印刷电路板设计的首选软件。在1990年，Protel软件由以前DOS平台发展到现代的Windos平台，成为世界上第一款有资格运行在Windos平台的EDA（电子设计自动化）软件。Protel 99 SE是由Protel 99版本逐渐发展而来的，是一款基于Windos环境下的EDA软件。

Protel 99 SE主要的功能模块；

电路原理图(Schematic)设计模块。该功能模块能够设计实物电路原理图，完成原理图的编辑，根据该模型要实现的功能设计并不断的修改电路元件符号并可以完成报表的生成。

印刷电路板(PCB)设计模块。该模块主要包括用于设计电路板的PCB编辑器，用于PCB自动布线的Route模块。能够修改、生成元件封装的元件封装库编辑器以及能够生成各种报表的生成器。

可编程逻辑器件（PLD）设计模块。该模块包含一个有语法功能的文本编辑器、用于编译和仿真设计结果的PLD模块。

电路仿真(Simulate)模块。该模块主要包括一个数字/模拟信号仿真器，能提供连续的模拟信号和离散的数字信号进行仿真，方便模拟仿真电路原理图，检查其是否正确和是否可行。

4.5 小结

本节介绍了交通灯软件方面的设计，先总体上介绍了整个主体的程序设计流程，然后分别介绍了各个子程序模块的的设计，还有设计该软件程序所用到编译软件和制图软件。

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5 系统调试 5.1 调试方法

一般情况下，为了保证电子类的产品组装后能够正常工作实现其预期的功能，都要进行调试步骤。在电路测试中可能会出现很多故障，只有经过不断的检查，明确出现问题的地方，才能够准确的排除故障。调试过程大致分为调整和测试部分。通常情况下。我们只有经过不断的测试，调整，再测试，再调整，直到能够实现电路要求的功能。故障检测的过程中，关键在于采取合适的方法，准确的查找出问题所在。

在实际应用中，排查电子线路中的故障通常采用静态和动态两种观察法。静态的主要是通过观察查找出故障，主要检查是否出现虚焊，导线的接头是否牢固，如果静态观察没有发现问题，那么可以采取动态观察法。

动态观察法又称为通电观察法，当系统电路连接上电源时，要时刻注意电路内是否出现异常情况，若出现问题，要立即切断供电电源。但是为了准确的找出故障的位置，还要结合其它检测方法，综合分析，精确的找出故障所在。

5.2 调试及性能分析

5.2.1 红绿灯控制程序

红绿灯的部分主要观察两个方向的红绿灯状态是否能够符合预期的功能要求，然后经过不断的调试并观察红绿灯的状态，直到两个方向的红绿灯能够符合正确的逻辑关系。

5.2.2 紧急模式及深夜模式的调试

将按键控制端接在交通灯模型单片机控制模块的引脚上，模拟手动按键实现不同的交通灯功能，当有紧急情况发生时，按键按下，I/O口输出为低电平，此时根据主控模块的系统设置，开启紧急模块的功能，即路口的交通灯全为红灯，只允许特殊车辆的通行，同时，深夜模式也是通过按键实现深夜车辆非常少时，开启深夜模式实现在此模式下路口的交通灯全为黄灯闪烁。 5.2.3 车辆检测电路的调试

可将红外传感器接在设计模型的的车辆检测模块的I/O上，接通电源，查看在交通灯正常的运行情况下，用手指遮挡传感器模拟车辆通行，查看显示屏上是否出现车辆数的变化，同时可以使摸个方向的通行时段内的检测到的车辆数超过该通行

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时间段的一半，然后观察该方向下一个通行段的通行时间是否增加5秒。

5.3 问题及解决方法

本次设计的硬件电路主要由单片机STC89C51组成，在下载程序，调试电路，检查该设计实现的功能过程中也出现了一些问题。

问题一：单片机不能正常下载编写的程序。 调试步骤：

查看是否单片机的串口电路的连接有误； 检查焊接电路是否有虚焊和漏焊。 问题二：数码管显示出现异常。 调试步骤：

检查数码管的型和位是连接的是否正确。

故障原因：焊接时过于马虎，由于数码管较多，数码管的管脚焊接错误。 解决方案：重新焊接。

5.4 小结

本节主要总结了在设计完成之后进行的调试过程，该设计主要是通过软件的编写实现相对应的功能，因此在软件程序的编写调试无误后我们主要进行硬件方面的调试，通过不同的观察，检测，运行，查看相应的模块是否能实现其预期的功能，如果出现问题，要重新进行修改，排除故障，保证设计的功能完整。

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6 总结与展望

本次交通灯模型毕业设计的制作及相应的论文完成，让我从动手实践学到了很多有用的东西。归纳起来，主要有以下几点：

（1）通过完成本次交通灯的毕业设计，将我们以前所学到的硬件与软件的专业知识与本次实际设计制作相联系，将以前专业课和实验课上所学到的知识充分运用到本次设计中。同时，我也深刻地认识到自己在某些专业知识上不足的地方，体会到了理论知识对于实践操作的重要性，掌握的知识越多，设计的就更完善、产品实现的功能就更稳定。

（2）加强了对单片机的知识的学习。通过本次设计，我对单片机发展历史，以及其在生活中的广泛应用和能实现的功能都有了更深刻的认识。并且，能够利用单片机和其它功能模块制作一个简单的实物模型。

（3）通过本次设计，了解了完成一个设计要准备和完成的几个阶段。本次设计从理论研究到硬件原理图设计，从各种元器件的确定到PCB板的制作，从单片机语言的编写到最后的程序调试及运行过程都由我独立完成。这不仅锻炼了我独立动手完成模型设计工作的能力，更重要的是清楚了完成一个电子产品的设计需要操作的步骤，为以后的实际工作提供了宝贵的经验，奠定了坚实的基础。

（4）提高了自己查找资料的能力。在实物模型的设计过程中，我碰到了一些自己无法解决的问题，于是我通过上网查阅本专业的知识和图书馆借阅相关的图书资料，或是通过向老师同学交流讨论逐渐地解决了遇到的问题。从中我懂得了我们这个专业的需要学习和掌握的知识还需要很多努力，我们需要不断给自己充电，及时更新自己的知识，不断扩充自己的知识面，同时要懂得与他人交流各自的想法和建议，积极听取老师和同学的建议做出正确的修改。

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郑州工业应用技术学院本科生毕业论文 单片机控制的交通灯设计

致 谢

在即将完成本篇论文，完成我的毕业设计的时刻，真诚的对所有在我毕业设计这一阶段乃至我大学的学习生涯中帮助过我的老师和同学表示深深的谢意，感谢他们在学习和生活上给我的帮助。

在本次毕业设计的完成过程中，在指导老师郝老师的细心指导和严格要求下，学习到了丰富的理论知识，极大地锻炼了实践动手能力，并对当前单片机的发展状况和以后的发展方向有了一定的认识了解，而且对单片机知识的掌握这对我今后进一步学习计算机方面的其它知识有极大的帮助。在进行过C语言编写的时候也遇到过很多无法解决的问题，最后在老师的耐心帮助和指导下，在同学的不断帮助下,终于迎刃而解。同时，在老师的身上我学到很多专业方面和技术方面实用的知识，在此我表示感谢！同时也非常感谢学院给我们提供非常多的宝贵资源和各位指导老师在百忙之中抽出时间对我们的论文设计进行检验和提出宝贵的意见，让我们可以认识到自己的问题并作出改正。最后，再次对在本次毕业设计和论文完成中给予我帮助的所有同学和信息工程学院各位尽心尽力的指导老师表示衷心的感谢！

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