电子时钟

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摘 要

随着生活节奏的加快，人们时间观念的加强，时钟已经成为人们日常生活中不可或缺的一部分，而如何在时钟的基础上，根据人们生活的需要增加相应的功能以方便人们的生活，成为时钟设计方面的重点。单片机以其强大的功能，低廉的价格成为许多多功能电子产品的首选。本设计结合我所学的单片机原理及接口技术这门课程而拓展的电子方面的研究，在单片机时钟的基础上通过软件记时，实现时钟功能，同时通过按键开关来扩展功能，实现定时闹钟与秒表功能。C51语言作为高级语言C语言的移植，易于理解和操作，且结构化较高，本设计即采用C51语言作为编程语言，流程比较清晰。

关键词：电子时钟 多功能 AT89C51

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ABSTRACT

With the quickening pace of life, it enhanced sense of time, the clock has become an indispensable part of daily life. How the clock basis, according to people's lives need to increase accordingly, function to facilitate people's lives, become the focus of the clock design. Microcontroller with its powerful features, low price to become the first choice for many multi-functional electronic products. The design combines the science and application of the principle amount of SCM such courses to expand the e-research, based on the clock in the microcontroller software in mind, the realization of the clock function, and to extend the functionality through the key switch, alarm and stopwatch time to achieve function. C51 high-level language C language as the language of transplantation, easy to understand and operate, and the structure of the higher, the design of the C51 language as a programming language used, the process clearer.

Keyword: electric o’clock multifuntional AT89C51

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目 录

1.绪论 ................................................. 1 1.1 课题选题背景...................................... 1 1.2课题研究的意义 .................................... 1 1.3开发工具 .......................................... 2 1.3.1 proteus简介 ..................................... 2 1.3．2 Protel99 SE的五个模块简介 ........................ 3 1.4电子时钟的功能 .................................... 4 2．需求分析 ............................................ 4 2.1 功能需求 ........................................ 4 2.2硬件需求 ......................................... 5 3 .总体设计 ............................................ 6 3.1硬件设计 ......................................... 6 3.1．1硬件主要组成部分................................ 6 3.2．2硬件电路说明 ................................... 7 3.2 软件设计 .......................................... 10

3.2．1程序流程图 ................................... 10 3.2．2 软件的仿真 ................................... 12 4. 系统调试 ........................................... 13 4.1硬件调试 ........................................ 13 4.1．1排除元件失效 .................................. 13 4.1．2排除电源故障 .................................. 13 4.1．3联机仿真调试 .................................. 13 4.2软件调试 ........................................... 13 结 论 ................................................. 18 致 谢 ................................................ 19 参考文献 .............................................. 20

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1.绪论

1.1 课题选题背景

20世纪末，电子技术获得了飞速的发展，在其推动下，现代电子产品几乎渗透的各个领域，有力推动了社会生产力的发展和社会信息化的提高，同时也使现代电子产品性能进一步提高，产品更新换代的节凑也越来越快。时间对人们来说总是那么宝贵工作的忙碌性和复杂性容易使人忘记当前的时间。忘记了要做的事情，当事情不是很重要的时候，这种遗忘无伤大雅。但是，一旦重要的事情一时的耽误可能酿成大祸。

目前，单片机正朝着高性能和多品种方向发展趋势将是进一步向着COMS化、低功耗、小体积、大容量、高性能、低价格和外围电路内装化等几方面发展。下面是单片机的主要发展趋势。从前必须由模拟电路或数字电路实现的大部分功能，现在已经能用单片机通过软件方法实现了。这种软件代替硬件的控制技术也称为微控制技术，是传统控制技术的一次大革命。

单片机模块中最常见的是数字时钟，数字时钟是一种用数字电路实现时、分、秒计时的装置，与机械式时钟相比具有更高的准确性和直观性，且无机械装置，具有更长点的使用寿命，因此得到了广泛的使用。 1.2课题研究的意义

数字时钟是采用数字电路实现对时、分、秒。数字显示计时装置，广泛用于个人家庭、车站、码头办公室等公共场所，成为人们日常生活中不可缺少的必需品，由于数字集成电路的发展和石英晶体振荡器的广泛应用，使得数字钟的精度，远远超过老式钟表，钟表的数字化给人们生产生活带来了极大的方便，而且大大地扩展了钟表原先的报时功能。诸如定时自动报警、按时自动打铃、时间程序自动控制、定时广播、自动启闭路灯、定时开关烘箱、通断动力设备、甚至各种定时电器的自动启用等，所有这些都是以钟表数字化为基础的。因此，研究数字时钟及扩大其运用，有着非常现实的意义。

通过89C51电子时钟的设计，可以对51单片机有了更加深刻的认识，对其各个引脚功能掌握的更为透彻。也再次认识到单片机的应用具有使用范围广的特点，对各个行业的技术改造和产品智能化的更新换代起着重要的推动作用。由于设计的电子时钟起定时，计时作用，所以在设计过程中，可以很好的了解其原理，掌握时钟芯片的结构和实现方法。

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在设计电子时钟的过程中，需要完成硬件设计和软件设计，所以需要设计电路硬件原理图。在绘制原理图过程中，再次对PROTUES软件进行了熟悉和复习，对软件中的各个文件编辑器进行了掌握，并且知道了在原理图设计和绘制时，要对元件有合理的布局和放置。另外，在导线的绘制和网络标号的放置时，也要符合设计的要求。在PCB图设计过程中，复习了元件的封装步骤和由原理图生成网络表的过程，明确了PCB图设计和自动布线前的准备工作，这些对完成整个硬件电路设计过程有很大的帮助。

在软件设计时，再次熟悉了汇编语言，了解了汇编语言程序设计步骤： （1） 建立数学模型 （2） 确定算法 （3） 制订程序流程图 （4） 确定数据结构 （5） 写出源程序 （6） 上机调试程序

另外，通过这次研究，在自己动手设计硬件原理图和软件编程的过程中，可以很好的了解到电子时钟的总体设计过程和功能的实现过程，自己着手硬件和软件的制作，一定程度上提高了自己的动手能力和解决问题的能力。这次课题研究，可以很好的把大学四年所学的知识得以应用，自己查阅资料，在碰到问题时，想办法去解决，让自己在学习知识的同时，明白学以致用这个道理。 1.3开发工具 1.3.1 proteus简介

Proteus软件是英国Labcenter electronics公司出版的EDA工具软件（该软件中国总代理为广州风标电子技术有限公司）。Proteus是世界上著名的EDA工具(仿真软件)，从原理图布图、代码调试到单片机与外围电路协同仿真，一键切换到PCB设计，真正实现了从概念到产品的完整设计。是目前世界上唯一将电路仿真软件、PCB设计软件和虚拟模型仿真软件三合一的设计平台，其处理器模型支持8051、HC11、PIC10/12/16/18/24/30/DsPIC33、AVR、ARM、8086和MSP430等，2010年即将增加Cortex和DSP系列处理器，并持续增加其他系列处理器模型。在编译方面，它也支持IAR、Keil和MPLAB等多种编译器。 Proteus功能特点

Proteus软件具有其它EDA工具软件（例：multisim）的功能。这些功能是：

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（1）原理布图

（2）PCB自动或人工布线 （3）SPICE电路仿真 革命性的特点 （1）互动的电路仿真

用户甚至可以实时采用诸如RAM，ROM，键盘，马达，LED，LCD，AD/DA，部分SPI器件，部分IIC器件。 （2）仿真处理器及其外围电路

可以仿真51系列、AVR、PIC、ARM、等常用主流单片机。还可以直接在基于原理图的虚拟原型

上编程，再配合显示及输出，能看到运行后输入输出的效果。配合系统配置的虚拟逻辑分析仪、示波器等，Proteus建立了完备的电子设计开发环境。

具有4大功能模块 （1）智能原理图设计（ISIS）

（2）完善的电路仿真功能（Prospice） （3）独特的单片机协同仿真功能（VSM） （4）实用的PCB设计平台

1.3．2 Protel99 SE的五个模块简介

Protel99 SE共分5个模块,分别是原理图设计、PCB设计（包含信号完整性分析）、自动布线器、原理图混合信号仿真、PLD设计。 以下介绍一些Protel99SE的部分最新功能：

◆可生成30多种格式的电气连接网络表; ◆强大的全局编辑功能; ◆在原理图中选择一级器件,PCB中同样的器件也将被选中; ◆同时运行原理图和PCB,在打开的原理图和PCB图间允许双向交叉查找元器件、引脚、网络 ◆既可以进行正向注释元器件标号（由原理图到PCB）,也可以进行反向注释（由PCB到原理图）,以保持电气原理图和PCB在设计上的一致性; ◆满足国际化设计要求（包括国标标题栏输出,GB4728国标库）; * 方便易用的数模混合仿真（兼容SPICE 3f5）; ◆支持用CUPL语言和原理图设计PLD,生成标准的JED下载文件; * PCB可设计32个信号层,16个电源-地层和16个机加工层; ◆强大的“规则驱动”设计环境,符合在线的和批处理的设计规则检查; ◆智能覆铜功能,覆铀可以自动重铺; ◆提供大量的工业化标准电路板做为设计模版; ◆放置汉字功能; ◆可以输入和输出DXF、DWG格式文件,实

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现和AutoCAD等软件的数据交换; ◆智能封装导航（对于建立复杂的PGA、BGA封装很有用）; ◆方便的打印预览功能,不用修改PCB文件就可以直接控制打印结果; ◆独特的3D显示可以在制板之前看到装配事物的效果; ◆强大的CAM处理使您轻松实现输出光绘文件、材料清单、钻孔文件、贴片机文件、测试点报告等; ◆经过充分验证的传输线特性和仿真精确计算的算法,信号完整性分析直接从PCB启动; ◆反射和串扰仿真的波形显示结果与便利的测量工具相结合; 1.4电子时钟的功能

电子时钟主要是利用电子技术时钟电子化、数字化，拥有时间精确、体积小、界面友好、可扩展性能强等特点，被广泛应用于生活和工作当中。当今市场上的电子时钟品种繁多，外形小巧别致。也有体型较大的，诸如公共场所的大型电子报时器等。电子时钟首先是数字化了的时间显示或报时器，在此基础上，人们可以根据不同场合的要求，在时钟上加置其它功能，比如定时闹铃，万年历，秒表等功能。

本设计电子时钟的主要功能为： 1. 显示时、分、秒

2. 可以24小时制或12小时制

3. 具有校时功能。可以对小时和分单独校时，对分校时的时候，停止分向小

时进位。校时时钟源可以手动输入或借用电路中的时钟，在校对时按校对按钮则对所选定的时或是分中的数字自动清0，然后输入真确的时间（日期同理可校）

4. 具有正点报时功能，报时时产生蜂鸣音 5.具有闹铃功能，到点也会产生蜂鸣音 6.自带发光设备，以便夜间看时

7. 为了保证计时准确、稳定，由晶体振荡器提供标准时间的基准信号

2．需求分析

2.1 功能需求

1、功能模块、设计指标： (1). 显示时、分、秒

(2). 可以24小时制或12小时制

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(3). 具有校时功能。可以对小时和分单独校时，对分校时的时候，停止分向小时进位。校时时钟源可以手动输入或借用电路中的时钟，在校对时按校对按钮则对所选定的时或是分中的数字自动清0，然后输入真确的时间（日期同理可校） (4). 具有正点报时功能，报时时产生蜂鸣音 (5).具有闹铃功能，到点也会产生蜂鸣音 (6).自带发光设备，以便夜间看时

(7). 为了保证计时准确、稳定，由晶体振荡器提供标准时间的基准信号 2、设计要求：

(1). 画出总体设计框图，以说明数字钟由哪些相对独立的块组成，标出各个模块之间互相联系，时钟信号传输路径、方向和频率变化。并以文字对原理作辅助说明。

(2). 设计各个功能模块的电路图，加上原理说明。

(3). 选择合适的元器件，在面包上接线验证、调试各个功能模块的电路，在接线验证时设计、选择合适的输入信号和输出方式，在充分电路正确性同时，输入信号和输出方式要便于电路的测试和故障排除。

(4). 在验证各个功能模块基础上，对整个电路的元器件和布线，进行合理布局，进行整个数字钟电路的接线调试。 2.2硬件需求 2.2.1单片机的构成

单片机是一种集成在电路芯片，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计算机系统。 2.2.2 AT89C51单片机引脚说明：

40个引脚按引脚功能大致可分为4个种类：电源、时钟、控制和I/O引脚。 ⒈ 电源:

⑴ VCC - 芯片电源，接+5V； ⑵ VSS - 接地端；

注：用万用表测试单片机引脚电压一般为0v或者5v，这是标准的TTL电平。但有时候在单片机程序正在工作时候测试结果并不是这个值而是介于0v-5v之间，其实这是万用表的响应速度没这么快而已，在某一个瞬间单片机引脚电压仍保持在0v或者5v。

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⒉ 时钟:XTAL1、XTAL2 - 晶体振荡电路反相输入端和输出端。 ⒊ 控制线:控制线共有4根，

⑴ ALE/PROG:地址锁存允许/片内EPROM编程脉冲 ① ALE功能：用来锁存P0口送出的低8位地址

② PROG功能：片内有EPROM的芯片，在EPROM编程期间，此引脚输入编程脉冲。

⑵ PSEN:外ROM读选通信号。 ⑶ RST/VPD:复位/备用电源。

① RST（Reset）功能：复位信号输入端。 ② VPD功能：在Vcc掉电情况下，接备用电源。 ⑷ EA/Vpp:内外ROM选择/片内EPROM编程电源。 ① EA功能：内外ROM选择端。

② Vpp功能：片内有EPROM的芯片，在EPROM编程期间，施加编程电源Vpp。 ⒋ I/O线

80C51共有4个8位并行I/O端口：P0、P1、P2、P3口，共32个引脚。 P3口还具有第二功能，用于特殊信号输入输出和控制信号（属控制总线） 5. P3口第二功能 P30 RXD 串行输入口 P31 TXD 串行输出口

P32 INT0 外部中断0（低电平有效） P33 INT1 外部中断1（低电平有效） P34 T0 定时计数器0 P35 T1 定时计数器1

P36 WR 外部数据存储器写选通（低电平有效）

P37 RD 外部数据存储器读选通（低电平有效）

3 .总体设计

3.1硬件设计

3.1．1硬件主要组成部分

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设计原理图，如图3-1所示

图3-1 设计原理图

本设计电路，硬件部分共由五个模块组成：按键模块、复位电路模块、晶振电路模块、发声指示模块、时间显示模块。晶振电路模块负责给单片机提供时钟周期。复位单路模块负责上电后自动复位，或按键后强制复位。上电后，由单片机内部定时器计时，同时通过动态显示函数自动将时分秒显示到数码管上。与此同时，按键扫描函数，一直扫描按键引脚状态，一旦扫描到按键被按下，即进入相应的功能函数。如果检测到定时时间到，则驱动蜂鸣器发声提示。 3.2．2硬件电路说明 1．单片机的复位电路

单片机的复位电路,如图3-2-1所示。

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图3-2-1 单片机的复位电路

当MCS-5l系列单片机的复位引脚RST(全称RESET)出现2个机器周期以上的高电平时，单片机就执行复位操作。如果RST持续为高电平，单片机就处于循环复位状态。根据应用的要求，复位操作通常有两种基本形式：上电复位和上电或开关复位。上电复位要求接通电源后，自动实现复位操作。上电后，保持RST一段高电平时间。 2.单片机的晶振电路

单片机的晶振电路，如图3-2-2所示。

图3-2-2 单片机的晶振电路

石英晶体也连接在晶振引脚的输入和输出之间，等效为一个并联谐振回路，振荡频率应该是石英晶体的并联谐振频率。晶体旁边的两个电容接地，实际上就是电容三点式电路的分压电容, 接地点就是分压点。以接地点即分压点为参考点，振荡引脚的输入和输出是反相的，但从并联谐振回路即石英晶体两端来看, 形成一个正反馈以保证电路持续振荡。

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3.发声指示模块

发声指示模块，如图3-2-3所示。

图3-2-3 发声指示模块

发声指示模块分为发声部分，指示部分两部分。发声部分由电源，380欧限流电阻R1，LED发光二极管三部分组成。正常情况下，Led引脚（P2_0）为高电平，LED两端没有电压差，不发光，一旦按键按下，或定时时间到，Led引脚（P2_0）被拉低，LED被点亮。发生部分由蜂鸣器、电源、9018三极管、限流电阻组成。蜂鸣器由PNP三极管驱动，当BZ管脚（P2_1）为高时，三极管be级没电压差，三极管截止；反之，三极管导通，有电流流经蜂鸣器，蜂鸣器发声。 4．时间显示模块

时间显示模块如图3-2-4所示。

图3-2-4 液晶显示电路

时间显示部分的电路也很简单，由三个两位的共阴8段数码管、四盏Led灯，加上一个4511译码驱动电路组成。在显示过程中，单片机将要显示的数字传递给

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4511芯片，同时通过位选选通要显示的数码管。4511芯片实现将BCD码数字转换为七段数码管段选码通过其输出端输出，同时提供约500mA的电流驱动数码管点亮。

图3-2-5 数码管译码驱动驱动电路

3.2 软件设计 3.2．1程序流程图

主程序流程图，如图3-2-1所示。

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图3-2-1 主程序流程图

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按键功能子程序流程图，如图3-2-2所示。

图3-2-2 按键功能子程序流程图

3.2．2 软件的仿真

软件测试步骤如下： （1）打开Proteus软件。

（2）选择file菜单下的 open design..选项，找到所需的元器件，按照电路图连接后并保存。

（3）将用KEIL编译过的HEX格式程序，下载到单片机中：

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右击51单片机再左击，再弹出的对话框中，选择program file文本框或单击文件图标，浏览找到所编译的程序。单击确定。

（1） 单击左下角运行按钮，进行软件仿真、调试，直到出现正确的结果。

4. 系统调试

4.1硬件调试 4.1．1排除元件失效

造成这类错误的原因有两个：一个是元器件买来时就已坏了;另一个是由于安装错误,造成器件烧坏。可以采取检查元器件与设计要求的型号、规格和安装是否一致。在保证安装无误后,用替换方法排除错误。 4.1．2排除电源故障

在通电前,一定要检查电源电压的幅值和极性,否则很容易造成集成块损坏。加电后检查各插件上引脚的电位,一般先检查VCC与GND之间电位,若在5V～4.8V之间属正常。若有高压,联机仿真器调试时,将会损坏仿真器等,有时会使应用系统中的集成块发热损坏。 4.1．3联机仿真调试

联机仿真必须借助仿真开发装置、示波器、万用表等工具。这些工具是单片机开发的最基本工具。信号线是联络8031和外部器件的纽带,如果信号线连结错误或时序不对,那么都会造成对外围电路读写错误。51系列单片机的信号线大体分为读、写信号线、片选信号线、时钟信号线、外部程序存贮器读选通信号（PSEN）、地址锁存信号（ALE）、复位信号等几大类。这些信号大多属于脉冲信号,对于脉冲信号借助示波器（这里指通用示波器）用常规方法很难观测到,必须采取一定措施才能观测到。应该利用软件编程的方法来实现。例如对片选信号,运行下面的小程序就可以检测出译码片选信号是否正常。 4.2软件调试

本设计的软件编译是在Keil uVision3上进行的，此软件可以生成HEX文件用于下

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载到单片机上工作。生成HEX文件后可以在PROTUES上进行仿真调试。如图5-1至5-4为仿真截图。（以下均为将扫描显示间隔在50Ms下的截图，实际下载到单片机的程序延时为5MS）

图4-2-1 仿真截图一

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图4-2 -2 仿真截图二

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图4-2-4 仿真截图三

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图4-2-4 仿真截图四

备注：由于在用Proteus作仿真的时候，软件并不能完全符合实物的物理特性，所以在本设计的仿真方面，尤其是动态扫描方面，效果并不很成功，主要是动态扫描时，数码管出现不能完全点亮，导致只有一部分段选显示。经过调查了解到，这是由于在Proteus仿真时，软件中，数码管只有点亮和不亮两种状态，而实际做动态扫描时，数码管是处于亮与不亮之间，通过二极管的余晖及人眼的视觉延迟来实现的，所以在软件仿真时并不能完美的展示时钟时间。不过，通过放慢扫描显示的频率，可以看到略显闪烁的结果，证明软硬件的仿真成功。

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结 论

通过做这次毕业设计，我学到了很多东西，首先是对Proteus及Keil等软件的运用，并对数码管动态显示方面的知识有了更多的理解，在以前我只是对这些软件有个大概的了解，但通过这次实践，是我对这些软件有了更深刻的了解，在以后的学习及工作中将会起到很大的作用，这次我将自己所学的知识运用到了实践当中，使得理论有了实践的指导。

但是由于我以前没有实际做过按键扫描控制数码管动态扫描这方面的内容，所以在有些内容的准备上还有很多不足之处，我希望自己通过这次设计可以有很大的提高，从这次实践中学到一些经验，并在以后的工作中有实践的指导。在硬件调试方面我也学到了很多东西，对电路的检查有了很多的经验，在软件编译方面是我有了很好的编译习惯，并掌握了一些软件编译技巧。

在论文的编写方面，让我有了很好的文字表达能力及理论到实践的应用能力，并对简单的文字编译有了更熟练的掌握。

总之，这次毕业设计使我受益匪浅，经过认真的制作，使我对本科阶段的学习有了圆满的总结。

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致 谢

这次的学年设计我很感谢我的指导老师丁爱芬老师对我的细心指导，平常老师们的工作也很忙，但他们总能在百忙之中抽出时间给我指导，让我可以顺利的完成这次设计，因为以前我对用单片机实现多功能电子时钟方面的知识不很熟悉，所以刚开始接到题目时有些茫然，后来经过老师的指导，让我对这方面的只是有了一定的了解，同时我还很感谢我的同学，在做设计的过程中，有很多同学给了我很大的帮助，这些帮助使我在学习的过程中深刻的体会到了老师与同学的关心，我在此非常的感谢他们。

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参考文献

[1] 李朝青,《单片机原理及接口技术》[M], 北京：北京航空航天大学出版社,2005

[2]周平，伍云辉 ,单片机运用技术[M] ,成都：电子科技大学出版社 ,2004年6月

[3]吴金戌等编，8051单片机实践与应用，北京：清华大学出版社，2001 [4]杨文龙，单片机原理及运用[M]，陕西：西安电子科技大学出版社，2000

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