智能门禁系统设计 - 图文

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摘 要

随着社会经济和社会科学技术的不断发展，信息技术己经深入人类生活的各个领域特别是住宅区的需要。伴随着防盗与财物的安全的意识的不断提高，人们对高级的住宅区安全程度和门禁的系统人性化要求越来越高。本课题“智能安防系统系统设计”是建立在此背景基础上，以stm32f103c8t6单片机为控制核心，通过传感器的相互的协调，和无线信息传输技术的应用，设计一套智能化，人性化的智能门禁控制系统。

关键字：stm32f103c8t6单片机，刷卡系统，超声波，控制系统

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Abstract

With the development of economy and science, information technology has been applied in every part of people’s daily life, especially in residential area. People’s demands of exclusive residential security and user-friendly access control system are increasing by the developing awareness of the anti-theft and property security. Based on this trend, my paper, Intelligent Security System Design, is going to design an intelligent, user-friendly access control system. The main controller of the system is stm32f103c8t6 mono-chip, helped by the coordination of the sensors and the wireless information transmission technology.

Keywords: stm32f103c8t6； mono-chip； supersonic； wave； control system

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目 录

摘 要 .............................................................................................................................................. I Abstract .......................................................................................................................................... II 第1章 绪论 ................................................................................................................................... 1 1.1智能安防系统介绍 ................................................................................................................... 1

1.2对智能家居现状及对其未来发展探究 ............................................................................ 1 1.3本章小结 ............................................................................................................................ 1 第2章 系统整体方案构建设计 ................................................................................................... 2 2.1系统实现功能及要求 ........................................................................................................ 2 2.2 系统整体方案设计 ........................................................................................................... 2

2.2.1 MFRC522与IC卡概述 .......................................................................................... 2 2.2.2 总体方案设计 ......................................................................................................... 2 2.3 本章小结 ........................................................................................................................... 4 第3章 系统硬件电路设计 ........................................................................................................... 5

3.1 STM32F103C8T6单片机介绍 ...................................................................................... 5 3.2 单片机最小系统设计 ....................................................................................................... 7

3.2.1 稳压电源电路设计 ................................................................................................. 7 3.2.2晶振电路设计 .......................................................................................................... 7

3.2.3复位电路设计 .......................................................................................................... 8 3.3 IC卡模块介绍 ................................................................................................................. 10

3.3.1 MFRC522模块介绍 .............................................................................................. 10 3.3.2 MFRC522模块引脚功能简介 .............................................................................. 10 3.3.3 MFRC522模块控制简介 ...................................................................................... 11 3.4超声波模块介绍 .............................................................................................................. 11 3.5温度采集介绍 .................................................................................................................. 12 3.6 LCD1602显示屏介绍 ..................................................................................................... 13 3.7 nRF24L01无线模块的应用 ............................................................................................ 14 3.8本章小结 .......................................................................................................................... 15 第4章 PCB设计与焊接 ............................................................................................................ 16

4.1 PCB布局与布线基本原则 ............................................................................................. 16 4.2系统布局布线图 .............................................................................................................. 16 4.3 焊接电路总结 ................................................................................................................. 18 4.4 本章小结 ......................................................................................................................... 18 第5章 电路调试 ....................................................................................................................... 19

5.1 硬件电路调试 ................................................................................................................. 19

5.1.1 稳压电源电路 ....................................................................................................... 20

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5.2 nRF24L01模块调试 ........................................................................................................ 20 5.3 MFRC522模块模块调试 ................................................................................................ 21 5.4 本章小结 ......................................................................................................................... 22 第6章 编译软件 ......................................................................................................................... 23

6.1 编译软件的应用 ............................................................................................................. 23 6.2 Jlink的应用 ..................................................................................................................... 23 6.3 本章小结 ......................................................................................................................... 24 结论 ............................................................................................................................................... 25 参考文献 ....................................................................................................................................... 26 致谢 ............................................................................................................................................... 27

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第1章 绪论

1.1智能安防系统介绍

以“智能门禁系统设计”的设计的话题，这一个方案以“智能门禁”这一理念，所以在这里有必要对“智能门禁”做一个简单的介绍。

现在家庭生活质量追求不断提升。现在技术不断提升比如：PCB板的精细、无线通信、微电子的发展。现在的单片机的速度在不断加速，加上传感器的精密度不断提升。这一系列的资源为提升一个智能门禁系统就很容易实现。智能门禁离不开语音的提示的系统，市场上的语音的芯片特别是语音的解码部分的性能的提升。小区实现一个智能门禁系统就能很简单了，人们的生活环境不断提升。

智能门禁的特点，它是融合了PCB板的精细、无线通信、网络的通信等等。小区用了智能门禁的手段来管理控制出入来往的客人，比如，通过指纹识别、无线传送、电话、互联网或者语音识别控制，通过这一类的传感器的控制，并将它们柔和在一个系统中。另一方面，一般高级一点的智能门禁系统，都是实现多块单片机的通信，用到无线的通信是比较方便。这样会系统的效率提高一个档次。

1.2对智能门禁发展历史与现在的发展

智能门禁起源很早，中国的古人就发明门与锁，为自己的家提供一个安宁的生活环境。

这一个发明，为生活改变了很多，生产的效率不断提高。因为以前没有出现门与锁，看守家里面的钱财，是要专人看守，浪费了人力物力。上一把锁就可以安全保护好财产。随着时间的不断的推移，人们对智能化的要求越来越高，普通的门禁系统满足不了人们的需要。所以现在的电子技术的发展起来了，现在的社会的商品房小区越来越多了，安全的问题越来越困扰着人们，还有国家的一些的政策，比如建设小康社会。所以智能化得到不断地推广，从原始的零指标到现在80%小区用上了智能门禁系统。还有现在的其他领域得到大幅度的增长。现在有不少的国家都向智能化的门禁系统发展，现在都在研究智能机器人，通过机器人的运动能力和机器人的图像的识别，代替传统的门禁系统。

1.3本章小结

本章主要概述了智能门禁系统，由来，发展，及智能门禁对人们的安全的影响。阐述了智能门禁在我国发展的良好势头和广阔的前景，为论文和“智能门禁系统”提供很好的设计思路。

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第2章 系统整体方案构建设计

2.1系统实现功能及要求

本设计是基于智能门禁系统的远程控制，其功能有：

(1) 利用IC的刷卡系统检测是否有人进出门，并进行远程无线报警； (2) 系统工作通过1602显示；

(3) 通过240L1通信实现2块单片机远程监控的功能。

(4)运用DMA功能实现温度的采集和超声波的高低电平的采集。

2.2 系统整体方案设计

基于上面四点功能要求，本系统最后确定设计以stm32f103c8t6单片机为控制核心，基于MFRC522非接触式读卡器系统。

2.2.1 MFRC522与IC卡概述

MFRC522是高度集成的非接触式的读卡芯片。此发送模块是利用调制和解调的原理，里面有支持很多种的通信方式有SPI，I2C，UART。这样的读卡器支持ISO 14443/MIFARE卡。现在很多收费系统都用这一块芯片，因为一张卡就可以达到借计的方式，特别现在的很流行一卡通的概念，所以这就满足大众的需求。

IC是高集密度的卡片，里面是一个电路芯片封装在一张塑料卡片里面。20世纪日本的一名工程师提出的，并获得这一项的专利。后来有几名工程师不断为这一方面的知识点专研，并得到一次又一次的飞跃，最终得到今天人们熟悉的IC卡。

防磁、防静电、防机械损坏和防化学腐蚀的特效，这都是IC卡的一个特点。其中卡中的信息可以存上一百年以上，可以读写10万次以上，一般的可以使用10年。IC卡的扇门多达16个，每一个扇区有4块，每一块有16个字节，与一块为一个单位，进行读写。其中每一张卡有唯一的序列号为16位，可以大多数的客户需求，所以在很多方面都用到IC卡系统，比如：金融理财，门禁系统，水电费收取，服务恒业的白金卡等等领域。

2.2.2 总体方案设计

本文研究的内容是基于IC卡无线门禁系统。在结合现在人们的需求现状，综合比较常用的门禁系统的基础上，进行对IC卡进行另一方面的应用的提升。这一个毕业设计里面包括了硬件的设计，软件的设计，并将硬软件综合调试成一个系统。

用nRF24l01的无线的模块将两块单片机通信连接在一起，进行对IC卡的系列号传送。通过外围搭建的电路，对一些电路的硬件的干扰进行分析，形成的设计方案：

(1)硬件设计主要包括单片机及其外围电路、nRF24L01、传感器电路、通信接口设计、MFRCC522,等。 如图2-1所示：

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1602

稳压电路 NRF24L01 S T M 3 2 语音 超声波 稳压电路 热敏电阻 NRF24L01 S T M 3 2 按键

图2-1 硬件设计逻辑框图

(2) 系统的软件设计之一是发射单片机模块。软件设计主要包括24L01无线数据传输模块控制、温度采集、超声波的距离的采集、刷卡系统的采集。 如图2-2所示：

开始 初始化 DMA采集温度、超声波距离采集 IC卡采集卡号 24L01发射数据 N 接收规定IC号 24L01接收数据 Y N 蜂鸣器鸣一下表示开门 接收指令1 Y

图2 – 2 发射模块软件设计图

(3) 系统的软件设计之二接收单片机模块。软件设计主要包括24L01无线数据传输模块控1602的显示、LED、按键。 如图2-3所示：

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开始

240L01接收数据

发送数据 1602显示 N Y N Y 规 定 按 下 按 IC号 键S1

图2-3接收模块软件设计图

(4) 首先是着手系统的测试与优化设计。主要的框架有无线通信，IC卡的系列号的采集，等等的硬件的模块。还有对系统的设计是否合理进行评价，综合出一条可行的方案。

2.3 本章小结

本章统领整个系统的设计与开发，主要从软硬件，测试优化等方面进行总体阐述，以下各章内容均以本章为中心展开。

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第3章 系统硬件电路设计

3.1 STM32F103C8T6单片机介绍

STM32F103C8T6是ARM公司的高性能“Cortex-M3”内核，是32位处理器，可以升频到72MHZ。。 主要特性如下：

1. STM32F103C8T6单片机的工作的时钟可以从外部时钟的8MHZ升频到72MHZ 的32位微处理器。

2. 工作电压： 2.0～3.6V（3V 单片机） 3. 用户应用程序空间为64K字节 4. 片上集成6K字节 RAM

5. 通用 I/O 口（32 个）PA、PB这32个IO口有8种的输入输出的方式分别为：模拟输入（GPIO_Mode_AIN）、浮空输入模式（GPIO_Mode_IN_FLOATING）、下拉输入模式（GPIO_Mode_IPD）、上拉输入模式（GPIO_Mode_IPU）、通用开漏输出 （GPIO_Mode_Out_OD）、通用推挽输出（GPIO_Mode_Out_PP）、复用（开漏)输出（ GPIO_Mode_AF_OD） 复用（推挽)输出（GPIO_Mode_AF_PP），满足不同项目的需求，同时这些的IO的驱动能力是非常强可以输出30mA电流，对于加强灌电流时无什么问题。

6.这一款芯片是编程的时候是调用底层封装好的库函数，是非常方便快捷。

7. 2串口是这一款单片机的追基本的通信方式，还比较强大的我。都拥有普通串口的基本的功能还具有LIN总线功能（局部互联网）、IRDA功能（红外通信）、SmartCard功能。 8. 集成ADC的功能，内嵌1个12位的ADC，每个ADC有16个外部通道，可以实现单次或多次扫描转换。

9.在里面还有2个DMA，重而更加加快芯片的运行的速度；

10.有RTC的功能，外部接一个锂电池，加上一个外部的32.768KHZ的晶振，有一个独立时钟

11. 具有看门狗功能

12.共有8个定时器，TIM1和TIM8是16位的高级定时器，TIM2、TIM3、 TIM4、 TIM5是通用定时器。

13.芯片里面硬件已经集成两个I2C的功能，控制所有I2C总线特定的时序、协议、定时。同时可以用使用DMA方式操作。 14. 具有2个SPI通信接口，可以工作在全双工，单向发送，单向接收模式，同时可以DMA方式操作。

15.自带一个CAN控制器。

16. 内核具有强大的异常相应系统，它可以能够打断当前代码执行流程的事件分为异常（exception）和中断（interrupt）。有上升沿模式（EXTI_Trigger_Rising） 有上升沿模式

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（EXTI_Trigger_Falling） 有低电平模式（ EXTI_Trigger_Rising_Falling ） 13. 工作温度范围：-40～+85℃（工业级）/0～75℃（商业级） 14. DIP48 封装

STM32F103C8T6 引脚功能说明：

VDD A（24 引脚）、VDD_1（24 引脚）、VDD_2（36 引脚）、VDD_3（48 引脚）：电源电压

VS S _1（23 引脚）、VS S_2（35 引脚）、VS S_3（47 引脚）：接地 有三个固件分配的UART，分别:PA2、PA3定义为UART2；PA9、PA10 定义为UART1；PB10、PB11定义为UART3；

有两个固件分配的SPI，分别：PA4、PA5 、PA6、PA7定义为SPI1；PB12、 PB13、PB14、 PB15定义为SPI2.

有两个固件分配的I2C，分别：PB6、PB7定义为I2C1；PB10、 PB11定义为I2C2. ADC的通道有10个分别为：PA0～PA7、PB0、PB1。 固件配置一个CAN引脚分别为：PB8、PB9 NRST（9 引脚）：复位输入。当输入低电平时为有效， 用来完成单片机单片机的复位初始化操作。

PC15和PC14是外部晶振32.768KHZ的输入，PD0和PD1是外部晶振8MHZ的输入。 这一款主控的运行的速度是可以通过程序升分频其时钟控制如下图3-1图

图3 -1时钟控制图

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图4-1显示模块的PCB的布局图

采集模块的电路图为4-2图

图4-2采集模块的电路图

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4.3 焊接电路总结

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1.通过手工做好对PCB之后要第一时间要给PCB板上涂上一层松香，这松香是一种助焊剂。很好使电路的焊锡粘在线路的铜线上。

2.在焊接电路前提是要检查一下电路是否有短断路的现象。如果是有断短路的现象就用刀片将短路的铜线划开，是断路的地方通过用焊锡比断路变成通路。

3.首先这是一块双面电路板，里面是比较多过孔。但是这一块板上的主控STM32F103C8T6的引脚是比较细小的，焊接起来是比较困难的，一不小心就会焊坏主控。用刀头电烙铁焊接贴片芯片是比较容易控制焊锡的多少。首先将芯片贴在对PCB板上指定的元器件位上，再用镊子把这一块芯片预固定一下。电烙铁的温度不要调太高300度以下，因为焊接贴片芯片的时间是比较长的，怕电烙铁烧坏芯片。把电烙铁粘一下松香，往主控的地方点一下。然后在电烙铁上粘一小点焊锡，把电烙铁头在一个芯片的引脚上划一下，把一个芯片引脚固定下来。因为之前镊子固定的芯片的位置是可能有偏移，现在芯片的有一个脚固定在PCB板上，再整体调整芯片的位置，使芯片正确贴在准确的位置上。把电烙铁上多一点焊锡，在芯片的一排引脚上一拉，就把一排的引脚固定在PCB板上，通过这一种的办法把剩下的三排的引脚都焊接在PCB板上。

4.这一块PCB是双面板，有很多过孔要焊接，用一根导线穿过过孔，过孔的两端都要焊接，保证过孔底层和顶层构成导通。

5.焊接PCB板规则，是先焊接贴片的芯片，再焊接过孔，再焊接体积大的芯片。

4.4 本章小结

本章对PCB设计及其抗干扰进行阐述和焊接技术的总结，这一步是非常重要的，直接影响到整一个系统的系统到整个系开发设计的成败。

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第5章 电路调试

5.1 硬件电路调试

硬件电路的调试本着“先模块再整体”的原则，依次调试稳压电源电路、单片机电路、nRF24L01模块、MFRC522模块、温度模块及整体调试。数据采集系统整机如下图5-1所示

图5 -1 系统实物图

数据显示模块里面集成了nRF24L01模块，1602显示屏，稳压电路，按键等电路。其中实物图为图5-1-1

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图5-1-1

5.1.1 稳压电源电路

(1)上电，观察左上角红色指示灯是否点亮

(2)若指示灯被点亮则说明电源有电压输入，用万用表测量一下1117芯片的输出端的输出电压是否是3.3v。 (3) 稳压电源测试通过。

5.2 nRF24L01模块调试

nRF24L01的电路要接3.3V的电压，检测一下这一个模块是否是正常工作，首先要通过串口电路，将SPI的读回来nRF24L01的状态显示在串口助手上。STM32的串口也是一个硬件化，通过USB转串口芯片2003工具，把主控要传回电脑的信息传回电脑上显示。我通过nRF24L01的缓冲器的功能，来检测nRF24L01与主控是否连接正常。将一个数组写到缓冲区上，再通过读缓冲区的指令读出缓冲区的数据，将读出的数据打印在串口助手上，比较读出来的

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数据和输入的缓冲区的数据是否相同。如果是相同的，就表示nRF24L01与主控正常连接起来了。这样就调好一块主控与nRF24L01连接，下一步是调试nRF24L01与nRF24L01之间通信是否正常。将串口的通信设置在接收模块上，首先在发射模块上写好要发射的数组的值，再通过接收模块接收到的数据通过串口打印在串口助手上，比较一下发射的数据是否和串口打印的数据相同，来确定nRF24L01之间的通信是否正常。串口助手如图5-2所示。

图5-2串口助手图

5.3 MFRC522模块模块调试

当MFRC522模块上电的时候，这一个模块上的LED灯会亮起来，电路是接3.3V的电压。

因为MFRC522模块程序里面包括了：寻卡，防冲撞，选卡，读卡，卡进入休眠状态。首先调一下寻卡的功能，寻卡是能读回来卡的类型号。也通过串口功能把类型号打印在串口助手上，对数据进行分析，看寻卡的功能是否能在芯片中运行。当寻卡的功能是调好了，就直接去调读卡的步骤，同样也是讲读回的序列号打印在串口助手上。进行数据的比较，读回来的数据是否和卡的序列号相同。

这一个模块是SPI的通信方式，是上升沿输入输出数据。SPI的通信要确保MFRC522与

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STM32F103C8T6的时序是否兼容。所以在调这一个模块的时候，选不用STM32F103C8T6硬件上的SPI模式，而是通过IO口模拟出一个SPI的通信时序，里面的时序可以通过延时函数调节，从而提高MFRC522与STM32F103C8T6的兼容性。

5.4 本章小结

本章内容是关乎本作品系统是否成功的重要一环，硬件测试通过下面软件程序的调

试就事半功倍；否则的话注定作品失败。 22

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第6章 编译软件

6.1 编译软件的应用

STM32F103C8T6单片机的内核是“Cortex-M3”，这是一个ARM的内核，是用KEIL4，

程序里面是已经集成化了，里面包括所有STM32的库函数，把用到的库函数放到头文件里面。近年来，随着C语言的编译器性能的不断提高，因此，使用C语言进行单片机程序设计已经成为单片机程序设计的主流选择之一。KEIL4的界面如图6-1。

如图6-1

6.2 Jlink的应用

下载到STM32F103C8T6单片机里面的时候直接用Jlink下载器，不用串口下载这样就方便很多，同时可以在编译器里面调试程序在单片机里面运行的参数，观察其中参数的变化，达到更好的调试程序里面的参数。这一个下载器完全可以KEIL4兼容的，直接在KEIL4里面按下下载键就可以下载到单片机里面，但是STM单片机BOOT0和BOOT1的引脚要置低电平才是单片机下载的时候比较安全。

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6.3 本章小结

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这是介绍stm32f103c8t6芯片的编译的软件和一个下载方式，通过下载才能为单片机提供一个程序的方向。

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结论

智能门禁系统无论在世界什么地方，已经成为衡量一个小区的安全系数的标准，也是提升生活水平的质量的关键性问题。由于社会的高速发展，现代的一般的门禁系统已经不能完全满足小区安防的需求。

智能门禁发展问题需要结合现代人的追求背景和各方面的影响因素，通过不断设备的智能化，坚持“以人为本”，所以用基于IC的门禁系统，有好多优点，每一张IC卡都有自己独特的序列号。所以不同的这样就能达到一个很好的保密行，同时也抛弃了传统的用钥匙开门的方法，因为钥匙有弊端，携带不方便，钥匙是有雷同的，所以这样的安防不是很安全。

这一个设计还可以通过无线通信，在离小区门禁系统比较远的地方可以接收到是谁在刷卡。这样就可以在小区里面知道刷卡的卡号。这样的安防系统就能更加智能化人性化。

在这一次的设计中学到很多知识，PCB的系统的布局，PCB板上的贴片芯片的焊接技术得到提高，特别焊接主控的芯片，因为主控芯片的引脚的间隔是小。还有IC卡与主控之间的SPI的通信的学习，STM32的SPI的固件的应用的得到质的提升。STM32调用库函数使程序员的工作的变得简单起来。一个通信系统的稳定性很大一部分是取决于信号线的布局和通信的时序的准确性。

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参考文献

[1] 徐秀平. 数字电路与逻辑设计[M]. 北京：电子工业出版社，2010,7

[2] 刘焕成. 工程背景下的单片机原理及系统设计[M]. 北京 清华大学出版社 2011，10. [3] 廖惜春. 模拟电子技术基础[M]. 武汉 华中科技大学出版社 2008，1. [4] 李想. STM32从入门到精通. 北京：电子工业出版社，2013,3

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致谢

感谢我的导师温浩，这次的论文是在温浩副教授的悉心指导下完成的。在此次毕业设计的过程中，温浩副教授对我们倾注了大量的心血，在基本理论、系统设计、实现以及论文撰写方面给了我很多指导和帮助。不仅让我们学到了许多专业知识，也在为人处世，待人接物方面让我们获益匪浅。温浩副教授一丝不苟的工作作风给我留下了难以磨灭的印象，是我们学习好榜样。在此，我要向温浩副教授表示崇高的敬意和衷心的感谢。

其次要感谢给予我这次毕业设计帮助的老师们，以及同学们衷心的感谢，感谢他们提供我参考的资料，热情的帮助，让我得以完成论文。

最后，感谢这次毕业设计帮助我的所有人！

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致谢

感谢我的导师温浩，这次的论文是在温浩副教授的悉心指导下完成的。在此次毕业设计的过程中，温浩副教授对我们倾注了大量的心血，在基本理论、系统设计、实现以及论文撰写方面给了我很多指导和帮助。不仅让我们学到了许多专业知识，也在为人处世，待人接物方面让我们获益匪浅。温浩副教授一丝不苟的工作作风给我留下了难以磨灭的印象，是我们学习好榜样。在此，我要向温浩副教授表示崇高的敬意和衷心的感谢。

其次要感谢给予我这次毕业设计帮助的老师们，以及同学们衷心的感谢，感谢他们提供我参考的资料，热情的帮助，让我得以完成论文。

最后，感谢这次毕业设计帮助我的所有人！

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本文来源：https://www.bwwdw.com/article/c1m6.html