基于单片机汽车雨刮

学院：广东工贸职业技术学院

专业：电气自动化

班级：

学号：

姓名：林沆

内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文）

PIC单片机项目课程设计报告 ------汽车雨刮

09汽车电子技术 0922139

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基于单片机的汽车智能雨刮器设计

摘 要

雨刮器属汽车附件，是汽车安全行驶的重要部件，用于消除挡风玻璃、后窗玻璃及大灯玻璃上的雨雪和灰尘等，以保证玻璃透明清晰。

本文分析了三种雨滴传感器的组成原理，基于光强变化的原理设计了一种新型的汽车红外线雨滴传感器。当下雨时，该雨刮器系统可以通过红外雨滴传感器感知雨量大小，分辨出是大雨还是小雨,使雨刮器自动工作在高速或低速状态，能够取代传统的机械结构的雨刮器。

在汽车智能雨刮系统中由于两个雨刮电机的转速不可能完全一样，就存在两个雨刮摆动不同步的问题。本文在分析了模糊控制理论及雨刮同步摆动规则的基础上，提出了一种基于模糊控制的汽车智能雨刮系统。该系统将转速偏差和转速偏差变化量模糊化为模糊控制器的输入语言变量，根据所制定的一套模糊控制规则来选择控制PWM的输出语言变量，并以此通过脉宽调制技术来驱动直流电机，使两个雨刮同步摆动。

本文基于单片机完成了对雨滴传感器及模糊控制的软、硬件设计，并对控制系统进行了MATLAB仿真，仿真实验结果表明该系统能有效的抑制超调现象，提高系统的响应速度和稳态性能。

关键词：雨滴传感器；模糊控制；单片机；雨刮器

The Design Of Intelligent Windscreen Wiper Of Automobile

Based On Single Integrated Circuit

Abstract

The windscreen wiper is an accessories of the Automobile, it is an important part of Automobile for the steer security. It is used to clear up the rain and snow, dust and cement on

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the windscreens,rear windows and headlight windows,to make sure the windows transparent and clear.

In this thesis,compositive theory of three kinds of rain sensors are analysed,and a new-type of infrared rain sensor of automobile is designed based on the theory of variety of light intersity.When it rains,the windscreen wiper system senses the amount of rainfall by the infrared rain sensor and distinguish the number of precipitation rain fall and thus makes the windscreen wiper automatically work either at a high speed or at a low speed. It can replace traditional windscreen wiper system of mechanical structure.

In intelligent windscreen wiper system of automobile, As the problem of technics,rotate speed of two electro motors are not the same completely,so there are the problems that two wiper blades swing ansynchronous. In the thesis,a intelligent windscreen wiper system of automobile based on fuzzy control is presented,by analyzing fuzzy control theory and synchronous swing rules of windscreen wiper. The speed error and its change were used as fuzzy stable variable.According to a set of fuzzy rules, the output variable was selected to control the PWM switch. In this way, the PWM technique was used to drive the DC motor and control windscreen wiper to swing synchronously.

The software and hardware of rain sensors and fuzzy control was completed based on SCM in this thesis,and process the simulation of MATLAB. The simulation results showed that the system could depress the overshoot and improve the response and steady state performance.

keywords：rain sensor；fuzzy control；SCM；windscreen wiper

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目 录

摘 要 ........................................................................................................................................II Abstract ......................................................................................................................................II 第一章 引 言 ............................................................................................................................ 7

1.1 研究背景 ..................................................................................................................... 7 1.2 研究的意义 ................................................................................................................. 7 1.3 论文的内容 ................................................................................................................. 8 第二章 智能雨刮器的原理及种类 .......................................................................................... 9

2.1 雨滴传感器的分类 ..................................................................................................... 9

2.1.1 压电振子原理的雨滴传感器 .......................................................................... 9 2.1.2 静电电容原理的雨滴传感器 .......................................................................... 9 2.1.3 光量变化的雨滴传感器 ................................................................................ 10 2.2 红外雨滴传感器的原理 ........................................................................................... 10 第三章 智能雨刮器的硬件组成及其芯片介绍 .................................................................... 12

3.1 发射模块 ................................................................................................................... 12

3.1.1 发射管 ............................................................................................................ 12 3.1.2 由555定时器构成的多谐振荡器 ................................................................ 12 3.2 接收模块 ................................................................................................................... 14

3.2.1 红外接收管 .................................................................................................... 14 3.2.2 带通滤波器 .................................................................................................... 15 3.2.3 分频器CD4024.............................................................. 错误！未定义书签。 3.2.4 80C51芯片资料 ............................................................. 错误！未定义书签。

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3.3 四总线缓冲门74ls125 ............................................................. 错误！未定义书签。 第四章 智能雨刮器硬件设计 ................................................................................................ 20

4.1 智能雨刮器的结构框图 ........................................................................................... 20 4.2 雨滴传感器的硬件设计 ........................................................................................... 20 4.3 电机控制的硬件设计 ............................................................... 错误！未定义书签。 第五章 智能雨刮器的软件设计 ............................................................ 错误！未定义书签。

5.1 雨滴传感器的流程图设计 ....................................................... 错误！未定义书签。 5.2 智能雨刮器双电机控制的流程图设计 ................................... 错误！未定义书签。 5.3 汽车智能雨刮器的主程序流程图设计 ................................... 错误！未定义书签。 第六章 基于模糊控制的智能雨刮控制系统 ........................................ 错误！未定义书签。

6.1 模糊控制简介 ........................................................................... 错误！未定义书签。 6.2 模糊控制的数学基础 ............................................................... 错误！未定义书签。

6.2.1 模糊集合 ........................................................................ 错误！未定义书签。 6.2.2 隶属度函数及其确定 .................................................... 错误！未定义书签。 6.3 模糊控制器的设计 ................................................................... 错误！未定义书签。

6.3.1 模糊控制器的结构设计 ................................................ 错误！未定义书签。 6.3.2 精确量的模糊化 ............................................................ 错误！未定义书签。 6.3.3建立模糊控制器的控制规则 ......................................... 错误！未定义书签。 6.3.4模糊判决 ......................................................................... 错误！未定义书签。 6.3.5论域、量化因子及比例因子的选择 ............................. 错误！未定义书签。 6.3.5.1论域及基本论域 .......................................................... 错误！未定义书签。 6.3.5.2量化因子 ...................................................................... 错误！未定义书签。 6.3.5.3比例因子 ...................................................................... 错误！未定义书签。

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6.3.5.4量化因子和比例因子的选择 ...................................... 错误！未定义书签。 6.4 智能雨刮器电机的模糊控制 ................................................... 错误！未定义书签。

6.4.1 智能雨刮器的控制原理图 ............................................ 错误！未定义书签。 6.4.2 直流电机的调速原理 .................................................... 错误！未定义书签。 6.4.3 电机同步设计中选择模糊控制的原因 ........................ 错误！未定义书签。 6.4.4 模糊控制在电机同步控制中的应用 ............................ 错误！未定义书签。 6.5 模糊控制算法流程图 ............................................................... 错误！未定义书签。 6.6 控制系统的仿真与分析 ........................................................... 错误！未定义书签。 总结 .......................................................................................................... 错误！未定义书签。 参考文献 .................................................................................................. 错误！未定义书签。 附录A matlab仿真图.............................................................................. 错误！未定义书签。 附录B 硬件原理图 ................................................................................ 错误！未定义书签。 附录C 程序 ............................................................................................ 错误！未定义书签。 致谢 .......................................................................................................................................... 21

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第一章 引 言

1.1 研究背景

汽车工业是国民经济发展的支柱产业之一，现代汽车正从一种单纯的交通工具朝着满足人们需求、安全、节能和环保的方向发展。为了满足人们对汽车日益提高的要求，汽车研发及生产机构必然要将越来越多的电子产品引入到汽车上，智能控制系统也成为汽车革新的主要内容。

雨刮器属汽车附件，是汽车安全行驶的重要部件，用于消除挡风玻璃、后窗玻璃及大灯玻璃上的雨雪、灰尘和水泥等，以保证玻璃透明清晰。

第一个发明电动刮水器的是德国博世公司，博世将它作为“博世最年幼的产品”加入到博世的产品家族。自那以后，这个婴儿逐渐成长，从单纯的刮片发展到二十一世纪初的风窗玻璃之星——无支架的刮水器。在汽车的驾驶史上，对风窗玻璃的清洁问题解决开始得比较晚。汽车从只有平添驾驶发展到成为全天候的驾驶。技术变化最大是在二战以后，伴随着大规模机械的出现。风窗玻璃洗涤器、间歇开关、后窗刮水器和可加热喷水器保证了驾驶时的视野清晰与行车安全。伴随着其他一些技术革新，比如雨滴传感器、可变位刮水臂、刮水器的出现，就更扩大了刮拭的范围，刮水器成为了一个复杂的系统。

目前传感器在汽车上的应用已经相当广泛，汽车传感器作为汽车电子控制系统的信息源，是汽车电子控制系统的关键部件，也是汽车电子技术领域研究的核心内容之一。在对于汽车雨刮器的研究上，智能雨滴传感器自然成了智能刮水器系统的重要组成部分。智能化传感器是具有智能功能的高档传感器，它具有检测、信息处理功能、自动进行各种误差补偿、精度高、量程覆盖范围大、稳定性好、输出信号大、信噪比高、传输中抗干扰性能好，可远距离输送信号，有的还带有自检功能。

1.2 研究的意义

据统计全世界雨天行车有7%的事故是由于驾驶员手动操作雨刷引起的，现在的汽车中已经安装了越来越多的传感器以增加主动性和被动安全性。采用雨滴

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感应式自动雨刷控制系统可以使驾驶员免除手动操作雨刷的麻烦，有效地提高了雨天行车的安全性。如果汽车有雨滴传感器，驾驶者就无需调节雨刮器设置来迅速停止刮片的运动或者得到更好的视角。当在湿路上驾驶时，驾驶者就无需动手来打开雨刮器，所以驾驶者就可以集中精力开车。

1.3 论文的内容

论文结合智能雨刮系统的特点，进行了以下几个问题的研究：

1．论文总结了汽车雨刮器的发展历程以及汽车传感器的现状及发展趋势，提出了研制汽车雨滴传感器的重要意义。

2．目前，雨滴传感器主要由三种原理构成：利用压电振子的传感器、利用静电电容的传感器和利用光量变化的传感器。我们根据把雨滴传感器放在汽车内部的需要，利用光量变化的原理，研制出了一种新型红外线汽车雨滴传感器。该雨滴传感器能够智能的分辨出大雨还是小雨，从而使雨刮做高速或低速摆动。

3．本文系统分析了模糊控制理论及模糊控制技术在汽车上的应用。汽车工业在其发展过程中所日益显示的对于高新技术的可容性和电子化趋势，使得模糊技术颇受各国汽车公司和厂商的重视，并由此掀起了一股模糊技术用于汽车的热潮。因此，要研制智能化的汽车离不开模糊控制技术。

4．把模糊控制技术用于汽车智能雨刮系统中的两个雨刮片的同步问题。由于生产工艺的问题，两个雨刮电机的转速不可能完全一样，就会存在两个雨刮片摆动不同步的问题。用模糊控制器来取代传统的PID控制器，可以更好的控制雨刮片的同步。整个系统80c51单片机来控制，给出了硬件和软件设计。

5．用MATLAB软件对模糊控制系统和PID控制系统进行了仿真，并对比两个仿真结果。仿真结果表明了设计的合理性及方案的可行性。

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第二章 智能雨刮器的原理及种类

现在开发的雨滴检测雨刮器，将雨滴传感器检出的雨量变成电信号，根据电信号的大小，控制刮雨器动作。在这个系统中雨滴传感器的作用最重要。

2.1 雨滴传感器的分类

2.1.1 压电振子原理的雨滴传感器

压电振子利用压电效应将机械位移(振动)变成电信号。压电振子受到雨淋，按照雨滴的强弱和雨量作振动；将雨滴的冲击能量变换成电压波形，再输入到雨刮控制器。该电压波形的积分值(斜线部分的面积)与某一定值的速度对应，这样就可控制刮雨器运动的速度。如图2.1所示：

图2.1压电振子传感器

2.1.2 静电电容原理的雨滴传感器

静电电容表示因电极之间的物质不同(在雨滴传感器中为“空气”和“水”)能储存电荷量的能力。电极面积(S)，电极的间隔(d)不变，则静电容C只由介电系数(ε)决定。因水和空气的ε值不同，C随雨滴的大小而变。利用静电容的变化，改变振荡电路的振荡频率，从而控制雨刮器的动作。如图2.2所示：

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图2.2 静电电容传感器

2.1.3 光量变化的雨滴传感器

把半导体发光元件和感光元件配成一对，从发光元件发出的光信号，如果在光路途中遇到雨滴落下，由于光的散射，光强减弱。可利用光强的衰减信号控制雨刮器的动作。

前两种雨滴传感器需要放在汽车的外部，而本文所研制的雨滴传感器需要放在汽车的内部，即驾驶室一侧的风挡玻璃上。所以采用第三种方法，利用光强变化来实现的雨滴传感器。

2.2 红外雨滴传感器的原理

本设计中的雨滴传感器选用红外雨滴传感器，属于光量变化原理雨滴传感器的一种。由光（本设计中选用红外线）发射元件发射出的红外光以全反射角度在挡风玻璃的外表面反射，其角度必须在42°（玻璃-水）和63°（玻璃-空气）之间。如果在挡风玻璃上有雨，雨量越大，反射回来的光越多。从发射元件发出的光反射到接收装置的挡风玻璃区域被称之为传感器的“敏感区域”，仅当雨水滴到这个区域时，才可以被探测出来。为使系统灵敏可靠，挡风玻璃区域和灵敏区

域之间必须要有一个较好的比例。雨滴传感器的原理图如图2.3所示：

[1]

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敏感区域挡风玻璃红外接收管红外发射管测量控制电路图2.3雨滴传感器原理图

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第三章 雨刮器的硬件组成及其芯片介绍

该雨刮器的雨滴传感器部分主要由发射模块和接收模块两大模块组成。而电机部分的主要芯片是四总线缓冲门74LS125。

3.1 发射模块

发射模块的主要功能是为接收模块提供足够的光辐射通量，本设计中光源定为红外线，所以发射模块由八个红外发射器、一个555定时器和电阻电容元件组成。八个红外发射管采用4个为一组，两组并联的方式，由555定时器驱动。 3.1.1 发射管

发射管采用西门子公司出产的SFH421作为光源，实物图如图2-10所示。峰值波长λ为880 nm，带宽?<80 nm。它具有高线性度、高可靠性、高脉冲处理能力等特点。采用4个一组，两组并联的方式，由555定时器驱动，发出频率为38 kHz的红外光。工作在38 kHz的频率下，采用这种方式可以减少发射电路的功耗。 3.1.2 由555定时器构成的多谐振荡器

发射器的核心是振荡器,多谐振荡器是一种自激振荡电路，该电路在接通电源后无需外接触发信号就能产生一定频率和幅值的矩形脉冲或方波。可由集成电路反相器、与非门、无稳态电路, 555定时器等组成. 其中555定时器组成的振荡发射系统容易起振,本身的输出功率较大,常用其组成发射系统,其芯片图如图3.1所示，原理图如图3.2所示：

C1、C2的比较电压分别为Vcc和Vcc。接通电源后，电容C被充电，vc上

3321升，当vc上升到

23vcc时，触发器被复位，同时放电BJT T导通，此时v0为低

13电平，电容C通过R2和T放电，使vc下降。当vc降到vcc时，触发器又被置位，

v0翻转为高电平。电容器C放电所需的时间为：

tPL?(R2Cln2)?0.7R2C

式(3.1)

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当C放电结束时，T截止，vcc将通过R1、R2向电容器C充电，vc由vcc上升

31到

23vcc所需的时间为：

tPH?(R1?R2)Cln2?0.7(R1?R2)C

式(3.2)

当vc上升到vcc时，触发器又发生翻转，如此周而复始，在输出端就得

32到一个周期性的方波，其频率为[2]：

f?1tPL?tPH?1.43(R1?2R2)C

式(3.3)

图3.1 多谢振荡器电路图

本文设计的发射模块就是由555定时器构成的多谐振荡器，通过式(3.1)、(3.2)、(3.3)计算出R1、R2和C的值，使555电路发出频率为38 kHz的脉冲波，从而驱动红外发射管工作在38 kHz的频率下。

由于555内部的比较器灵敏度较高，而且采用差分电路形式，它的振荡频率受电压和温度变化的影响很小。所以电源电压的变化,对发射频率的影响可忽略.但对红外光发射强度的影响不容忽略,须采取提高稳定发射强度的措施,方法是采取恒流源技术或窄脉冲发射的措施,能使红外辐射强度保持不变[3]。本设计中采用的是恒流源技术。

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图3.2 555定时器原理图

3.2 接收模块

接收模块是由一个红外接收管、带通滤波器、分频器及51单片机组成。 3.2.1 红外接收管

红外接收管SFH320是西门子公司生产的，外形图如图3.2所示。它将接收到的红外光脉冲信号变成电脉冲信号后送入带通滤波器。SFH320是NPN型硅光电三极管。峰值波长λ为880 nm，具有高线性度、高可靠性等特点。

图3.2 SFH320外形图

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3.2.2 带通滤波器

带通滤波器的作用是只允许某一段频带内的信号通过，而将此频带以外的信号阻断。这种滤波器经常用于抗干扰的设备中，以便接收某一频带范围内的有效信号，而消除高频段及低频段的干扰和噪声。将低通滤波器和高通滤波器串联起来，即可获得带通滤波电路。其原理示意图如图3.3所示。

在图2.3中，低通滤波器的通带截止频率为f2，即该低通滤波器只允许ff1的信号通过。现将二者串联起来，且f2>f1，则其通频带即是上述二者频带的覆盖部分，即等于f2-f1，成为一个带通滤波器根据以上原理组成的带通滤波器的典型电路见图2.4。输入端的电阻R和电容C组成低通电路，另一个电容C和电阻R2组成高通电路，二者串联起来接在集成运放的同相输入端[4]。

图3.3 带通滤波器原理示意图

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图3.4 带通滤波器的典型电路

为了估算方便起见，设R2=2R，R3=R，此时可求得带通滤波器的电压放大倍数为：

。Au?Auo(3?Auo)?j(ff0?f0f)?Aup1?jq(ff0?f0f)

式(3.4)

f0?12πRC

式(3.5)

Aup?Auo3?Auo?QAuo

式(3.6)

Auo?1?RfR1

式(3.7)

Q?13?Auo

式(3.8)

本设计中选取中心频率为38kHz，带宽为100Hz，所以Q为380，选取C，再求R 。C的容量不易超过

。因大容量的电容器体积大，价格高，应尽量

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避免使用。根据式取C=0.1?F，1K??R?1M?,根据式(3.5)可得：

12πRC12πR?0.1?10?6f0???38KHz

计算出R=41.9?.再根据Ｑ值求以Auo?2.997。根据与Auo、称条件，可得：

1+

和、

：因为f=f0时则Q?13?Auo=380，所

的关系，集成运放两输入端外接电阻的对

RfR1?Auo?2.997

R1//Rf?R?R?R?3R

解得：R1=188.7Ω,Rf=376.8Ω 3.2.3 PIC16F877A的功能

PIC16F877芯片的介绍

(1) PIC16F877原理简介

PIC16F877特性：PIC16F877是由Microchip公司所生产开发的新产品， 属于PICmicro 系列单片微机，具有Flash program程序内存功能，可以重复 烧录程序，适合教学、开发新产品等用途；而其内建ICD(In Circuit Debug) 功能，可以让使用者直接在单片机电路或产品上，进行如暂停微处理器执行、观 看缓存器内容等，让使用者能快速地进行程序除错与开发。

如图1 为PIC16F877 的40根接脚图，PDIP是指一般最常见的DIP(Dual In Line Package)包装，而PIC单片机也有PLCC(Plastic Leaded Chip Carrier) 与QFP(Quad Flat Package)两种形式的包装，依照不同的需求，寻找不同的 包装形式。如图所示，每根接脚都有其特定功能，例如Pin11与Pin32(VDD) 为正电源接脚，Pin12 与Pin31(VSS)为地线接脚；而有些接脚有两种甚至三种 以上功能，例如Pin2(RA0/AN0)代表PORTA的第一支接脚，在系统重置(Reset) 后，可自动成为模拟输入接脚，接收模拟讯号，也可经由程序规划为数字输出输

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入接脚。

(2) 输入输出接口

PIC16F877 除了上述基本电路所占用的7支接脚外，其余的33支接脚都可当 成输出、输入接脚，输入输出端口是单片机基本界面，可以与周边电路进行电路 控制和信号传输与检测。PIC 是8位的单片机，以接脚特性分组，每组尽量凑满 8支接脚，并将I/O命名为PORTA(RA0~RA5)、PORTB(RB0~RB7)、 PORTC(RC0~RC7)、PORTD(RD0~RD7)和PORTE(RE0~RE2)等，各分组 接口特性说明如下： PORTA

PIC16F877 的PORTA总共有6个位(RA0~RA5)，PORTA 的接脚可作为数 字输出输入端口，而系统重置后，PORTA自动成为模拟输入状态，可读取模拟 输入讯号。 PORTB

PORTB总共有8 个位(RB0~RB7)，可以撰写程序规划输入输出方向、状态， 其中，要进行烧录时，使用到三支接脚，分别是Pin36(RB3/PGM)、 Pin39(RB6/PGC)与Pin40(RB7/PGD)。 PORTC

PORTC总共有8 个位(RC0~RC7)，除了可作为数位I/O外，还和一些特殊功 能的周边电路共享接脚，例如CCP（直流马达控制）、I2C、SPI（同步串行通 讯电路）、UART（异步串行传输电路）等等。 PORTD

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第四章 智能雨刮器硬件设计

4.1 智能雨刮器的结构框图

智能雨刮器系统由单片机、直流电动机、雨滴传感器及雨刷等组成。智能雨刮器的系统结构框图如图4.1所示。

雨刷电机雨滴传感器51单片机到位信号雨刷

图4.1智能雨刮器的系统结构框图

4.2 雨滴传感器的硬件设计

雨滴传感器部分，由555定时器构成的多谢振荡器对红外发射管进行驱动，再由接收管接收，这样就构成一个光电传感器。把光电传感器的信号经带通滤波器把信号频率限制在38KHz左右，再经分频器进行128分频，使脉冲信号变为毫秒数量级。

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致谢

在论文完成之际，我首先向关心帮助和指导我的指导老师表示衷心的感谢并致以崇高的敬意！

三年的读书生活在这个即将划上一个句号，而于我的人生却只是一个逗号，我将面对又一次征程的开始。两年的求学生涯在师长、朋友的大力支持下，走得辛苦却也收获满囊，在论文即将结束之际，思绪万千，心情久久不能平静。

感谢我的所有任课老师，他（她）们治学严谨，学识渊博，思想深邃，视野雄阔，为我营造了一种良好的精神氛围。老师让我不仅学到了扎实的专业知识，还教会了我如何做人，面对问题养成了沉着冷静，努力解决。

还要要感谢的是我的父母，因他们的给予我才能在这校园里完成我的大学梦想，使我的人生阅历提高，增长见识，提高了自己个方面的素质和涵养。也要感谢我的同学。，因为我们团结我们才能高效的完成毕业设计。在未来的日子里，我会更加努力的学习和工作，不辜负父母对我的殷殷期望！我一定会好好孝敬和报答他们！

从开始进入课题到论文的顺利完成，有多少可敬的师长、同学、朋友给了我无言的帮助，在这里请接受我诚挚的谢意！

最后，衷心地感谢在百忙之中我们的授课老师!

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致谢

在论文完成之际，我首先向关心帮助和指导我的指导老师表示衷心的感谢并致以崇高的敬意！

三年的读书生活在这个即将划上一个句号，而于我的人生却只是一个逗号，我将面对又一次征程的开始。两年的求学生涯在师长、朋友的大力支持下，走得辛苦却也收获满囊，在论文即将结束之际，思绪万千，心情久久不能平静。

感谢我的所有任课老师，他（她）们治学严谨，学识渊博，思想深邃，视野雄阔，为我营造了一种良好的精神氛围。老师让我不仅学到了扎实的专业知识，还教会了我如何做人，面对问题养成了沉着冷静，努力解决。

还要要感谢的是我的父母，因他们的给予我才能在这校园里完成我的大学梦想，使我的人生阅历提高，增长见识，提高了自己个方面的素质和涵养。也要感谢我的同学。，因为我们团结我们才能高效的完成毕业设计。在未来的日子里，我会更加努力的学习和工作，不辜负父母对我的殷殷期望！我一定会好好孝敬和报答他们！

从开始进入课题到论文的顺利完成，有多少可敬的师长、同学、朋友给了我无言的帮助，在这里请接受我诚挚的谢意！

最后，衷心地感谢在百忙之中我们的授课老师!

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