八路智力搶答器
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1、南華大學(xué)電氣工程學(xué)院電子設(shè)計(jì)課程 University of South China 電子技術(shù) 課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書 設(shè)計(jì)題目: 八路智力競(jìng)賽搶答器 專 業(yè): 電氣工程及其自動(dòng)化 年 級(jí): 08級(jí) 學(xué) 號(hào): ---------------- 姓 名: --------- 指導(dǎo)教師: ----------
2、 2011年 01 月 13 日 《電子技術(shù)課程設(shè)計(jì)》任務(wù)書 設(shè)計(jì)題目: 八路智力競(jìng)賽搶答器 專 業(yè): 電氣工程及其自動(dòng)化 電子技術(shù)課程設(shè)計(jì)任務(wù)書 1.課程設(shè)計(jì)的內(nèi)容和要求(包括原始數(shù)據(jù)、技術(shù)要求、工作要求等): 八路智力競(jìng)賽搶答器 一、主要技術(shù)指標(biāo)與要求: 1、同時(shí)供8名選手或代表隊(duì)參加比賽,他們的編號(hào)分別是0、1
3、、2、3、4、5、6、7各用一個(gè)搶答按鈕,按鈕的編號(hào)與選手的編號(hào)相對(duì)應(yīng),分別是S0、S1、S2、S3、S4、S5、S6、S7。 2、給節(jié)目主持人設(shè)置一個(gè)控制開關(guān),用來(lái)控制系統(tǒng)的清零(編號(hào)顯示數(shù)碼管滅燈)和搶答的開始。 3、搶答器具有數(shù)據(jù)鎖存和顯示功能,搶答開始后,若有選手按動(dòng)搶答按鈕,編號(hào)立即鎖存,并在LED數(shù)碼管上顯示出選手的編號(hào),同時(shí)揚(yáng)聲器給出音響提示。此外,要封鎖輸入電路,禁止其他選手搶答。優(yōu)先搶答選手的編號(hào)一直保持到主持人將系統(tǒng)清零為止。 ##擴(kuò)展功能:搶答器具有定時(shí)搶答的功能,且一次搶答的時(shí)間可以由主持人設(shè)定(如30s)。當(dāng)節(jié)目主持人啟動(dòng)“開始”鍵后,要求定時(shí)器立即減計(jì)時(shí),并用
4、顯示器顯示,同時(shí)揚(yáng)聲器發(fā)出短暫的聲響,聲響持續(xù)時(shí)間0.5s左右。 二、參考元件(不限,供參考) 74LS148 74LS279 74LS48 74LS192 NE555 74LS00 74LS121、發(fā)光二極管 共陰極顯示器 2.對(duì)課程設(shè)計(jì)成果的要求〔包括圖表、實(shí)物等硬件要求〕: 設(shè)計(jì)電路,安裝調(diào)試或仿真,分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果,并寫出設(shè)計(jì)說(shuō)明書,語(yǔ)言流暢簡(jiǎn)潔,文字不得少于3500字。要求圖紙布局合理,符合工程要求,使用Protel軟件繪出原理圖(SCH)和印制電路板(PCB),器件選擇要有計(jì)算依據(jù)。 3.主要參考文獻(xiàn): [1]謝自美。電子線路設(shè)計(jì)、實(shí)驗(yàn)、測(cè)試[M]華
5、中理工大學(xué),2001 [2]彭介華.電子技術(shù)課程設(shè)計(jì)指導(dǎo)[M].北京:高等教育出版社,1997 [3]畢滿清.電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)與課程設(shè)計(jì)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,1995 [4]陳明義.電工電子技術(shù)課程設(shè)計(jì)指導(dǎo)[M].長(zhǎng)沙:中南大學(xué)出版社,2002 [5]陳永甫.新編555集成電路應(yīng)用800例[M].北京:電子工業(yè)出版社 2000 [6]http://www. alldatasheet .com. GB4728.12-85 《電氣圖用圖形符號(hào)-二值邏輯單元》 4.課程設(shè)計(jì)工作進(jìn)度計(jì)劃: 序號(hào) 起 止 日 期 工 作 內(nèi) 容 1 2011-1-3 布置任務(wù),教師
6、講解設(shè)計(jì)方法及要求 2 2011-1-4 學(xué)生查找閱讀資料,并確定方案 3 2011-1-5 學(xué)生設(shè)計(jì)小組會(huì)議,討論方案 4 2011-1-6~11 設(shè)計(jì)、仿真實(shí)驗(yàn) 5 2010-1-12~13 寫說(shuō)明書,小組討論 6 2010-1-14 答辯 指導(dǎo)教師 蘇澤光 日期: 2010 年 12 月 日 目 錄 引言 ……………………………………………………………………5 1 整體設(shè)計(jì)原理分析 ……………………………………
7、…………6 1.1 設(shè)計(jì)思路 ……………………………………………………………6 1.2 設(shè)計(jì)方案 ……………………………………………………………6 2 單元電路設(shè)計(jì) ……………………………………………………7 2.1 搶答電路 ……………………………………………………………7 2.2 定時(shí)電路 ……………………………………………………………7 2.3 報(bào)警電路 ……………………………………………………………9 2.4 時(shí)序控制電路 ………………………………………………………10 3 總體電路設(shè)計(jì) ……………………………………………………11 4 Multisim仿真結(jié)果及
8、分析 …………………………………………12 4.1 單元電路仿真結(jié)果及分析 ……………………………………………12 4.1.1 搶答電路 …………………………………………………………12 4.1.2 定時(shí)電路…………………………………………………………13 4.1.3 報(bào)警電路…………………………………………………………14 4.2 總體電路仿真結(jié)果及分析 ……………………………………………17 結(jié)論 ……………………………………………………………………18 總結(jié)體會(huì) ………………………………………………………………18 參考文獻(xiàn) ……………………………………………………………
9、…18 附錄 ……………………………………………………………………19 引言 智力競(jìng)賽是一種生動(dòng)活潑的教育方式,而搶答就是智力競(jìng)賽中非常常見的一種答題方式。搶答能引起參賽者和觀眾的極大興趣,并且能在極短的時(shí)間內(nèi),使人們迅速增加一些科學(xué)知識(shí)和生活常識(shí)。但是,在這類比賽中,對(duì)于誰(shuí)先誰(shuí)后搶答,在何時(shí)搶答,如何計(jì)算答題時(shí)間等等問題,若是僅憑主持人的主觀判斷,就很容易出現(xiàn)誤判。所以,我們就需要一種具備自動(dòng)鎖存,置位,清零等功能智能搶答器來(lái)解決這些問題。利用本次設(shè)計(jì)出的電路制造成的定時(shí)搶答器,即可輕松實(shí)現(xiàn)在8人或8
10、個(gè)代表隊(duì)之間進(jìn)行的搶答比賽中進(jìn)行控制,使得這一活動(dòng)更加趣味、公平。 1整體設(shè)計(jì)原理分析 1.1 設(shè)計(jì)的思路 1)本題的根本任務(wù)是準(zhǔn)確判斷出第一搶答者的信號(hào)并將其鎖存。實(shí)現(xiàn)這一功能可用觸發(fā)器或鎖存器等。在得到第一信號(hào)之后應(yīng)立即將電路的輸入封鎖,即使其他組的搶答信號(hào)無(wú)效。同時(shí)還必須注意,第一搶答信號(hào)應(yīng)該在主持人發(fā)出搶答命令之后才有效,否則應(yīng)視為提前搶答而犯規(guī)。 2)當(dāng)電路形成第一搶答信號(hào)之后,用編碼、譯碼及數(shù)碼顯示電路顯示出搶答者的組別,也可以用發(fā)光二極管直接指示出組別。還可以用鑒別出的第一搶答信號(hào)控制一
11、個(gè)具有兩種工作頻率交替變化的音頻振蕩器工作,使其推動(dòng)揚(yáng)聲器發(fā)出兩態(tài)笛音音響,表示該題搶答有效。 3)計(jì)分電路可采用2位7段數(shù)碼管顯示,由于每次都是加或減10分,故個(gè)位總保持為零,只要十位和百位作加/減計(jì)數(shù)即可,可采用兩級(jí)十進(jìn)制加/減計(jì)數(shù)器完成。 4)在主持人沒有按下開始搶答按鈕前,若有人提前搶答,則鳴喇叭“嘟---”表示有組別提前搶答;當(dāng)主持人按下開始搶答按鈕后,開始進(jìn)行30秒倒計(jì)時(shí),此時(shí),若有組別搶答,顯示該組別并伴有“嘀-嘟”的雙音音響持續(xù)2-3s;當(dāng)計(jì)時(shí)時(shí)間到,仍無(wú)組別搶答,則會(huì)發(fā)出“嘀---”的聲音,主持人清零后開始新一輪搶答。 1..2設(shè)計(jì)方案 優(yōu)先編碼電路 主持人控制
12、開關(guān) 鎖存器 譯碼電路 譯碼顯示 控制電路 報(bào)警電路 搶答 按鈕 秒脈沖產(chǎn)生電路 定時(shí)電路 譯碼電路 顯示電路 主體電路 擴(kuò)展電路 圖3.2 八路搶答器總體框圖 該設(shè)計(jì)搶答電路器的電路主要由搶答電路觸發(fā)電路報(bào)警電路定時(shí)電路顯示電路等組成 工作原理:通電后,節(jié)目主持人將開關(guān)置于“清除”位置,搶答器處于禁止 工作狀態(tài),編號(hào)顯示器熄滅,定時(shí)器顯示設(shè)定時(shí)間;主持人將開關(guān)置“開始”位置,宣布“開始”搶答,搶答器處于工作狀態(tài),時(shí)器倒計(jì)時(shí)。當(dāng)定時(shí)時(shí)間到,卻沒有選手搶答時(shí)
13、,系統(tǒng)報(bào)警,并封鎖輸入電路,禁止選手超時(shí)后搶答。當(dāng)選手在定時(shí)時(shí)間內(nèi)按動(dòng)搶答鍵時(shí),搶答器要完成以下四項(xiàng)工作:1優(yōu)先判斷,編號(hào)鎖存,編號(hào)顯示,揚(yáng)聲器發(fā)聲提示,當(dāng)一輪搶答之后,定時(shí)器停止工作,禁止二次搶答,定時(shí)器顯示剩余時(shí)間,并保持到主持人將系統(tǒng)清零為止。再次搶答必須由主持人再次操作“清除”和“開始”狀態(tài)開關(guān)。 2單元電路設(shè)計(jì) 設(shè)計(jì)分為搶答、定時(shí)、報(bào)警、時(shí)序控件四個(gè)電路單元。 2.1搶答電路 此部分電路主要完成的功能是實(shí)現(xiàn)8路選手搶答并進(jìn)行鎖存,同時(shí)有相應(yīng)發(fā)光二極管點(diǎn)亮和數(shù)碼顯示。 利用74LS148優(yōu)先編碼器對(duì)所有組別進(jìn)行搶答時(shí)的輸入信號(hào)進(jìn)行編碼,將輸出
14、結(jié)果輸入四個(gè)RS觸發(fā)器進(jìn)行信號(hào)保持,同時(shí)利用的返回值控制74LS148優(yōu)先編碼器的使能端,即只要有一組選手先按下?lián)尨鹌?,就?huì)將編碼器鎖死,不再對(duì)其他組進(jìn)行編碼。通過74LS283加法器使搶答組別數(shù)字顯示1-8,清零時(shí)顯示9.另外,將通過加法器的輸出信號(hào)輸入74LS42譯碼器,使搶答組輸出端產(chǎn)生低電平平從而使相應(yīng)的發(fā)光二極管點(diǎn)亮。 原理圖如下: 圖2.1 搶答電路原理圖 2.2定時(shí)電路 此部分電路主要完成的功能是當(dāng)主持人按下開始搶答按
15、鈕后,進(jìn)行30s倒計(jì)時(shí),到0s時(shí)喇叭發(fā)出“嘀---”的聲音。 首先用555定時(shí)電路產(chǎn)生秒振蕩頻率,控制74LS193加減計(jì)數(shù)器的down輸入端,按秒頻率減數(shù)。利用一片74LS85比較器控制高位減法,另一片74LS85比較器完成當(dāng)計(jì)時(shí)器顯示0s時(shí)使另一個(gè)555定時(shí)電路產(chǎn)生振蕩,放大后可推動(dòng)喇叭發(fā)聲。 原理圖如下: 圖2.2 定時(shí)電路原理圖 2.3 報(bào)警電路 此部分電路主要完成的功能是在選手按下?lián)尨鹌骱蟀l(fā)出“嘀-嘟”的雙音音響并持續(xù)2-3s。 選手按下?lián)尨鹌骱髸?huì)使74LS195移位寄存器開始移位??梢允褂玫褂?jì)時(shí)電路中的55
16、5定時(shí)電路產(chǎn)生的秒振蕩頻率來(lái)控制移位速度,使發(fā)聲時(shí)間保持2-3s。移位寄存器的輸出端分別控制兩個(gè)不同參數(shù)的555振蕩電路,發(fā)出不同頻率的響聲,即“嘀-嘟”的雙音音響。 原理圖如下: 圖2.3 報(bào)警電路原理圖 2.4 時(shí)序控制電路 時(shí)序控制電路是設(shè)計(jì)的關(guān)鍵,它要完成以下三項(xiàng)功能: 1主持人將控制開關(guān)撥到“開始”位置時(shí),揚(yáng)聲器發(fā)聲,搶答電路和定時(shí)電路進(jìn)入正常搶答工作狀態(tài)。 2當(dāng)參賽選手按動(dòng)搶答鍵時(shí),揚(yáng)聲器發(fā)聲,搶答電路和定時(shí)電路停止工作。 3當(dāng)設(shè)定的搶答時(shí)間到,無(wú)人搶答時(shí),揚(yáng)聲器發(fā)聲,同時(shí)搶答電路和定時(shí)電路停止工作。 根據(jù)上述的功
17、能要求,時(shí)序控制電路如下圖所示。圖中,門G1作用是控制時(shí)鐘信號(hào)CP的放行與禁止,門G2的作用是控制74LS148的輸入使能端。 (a) 搶答與定時(shí)時(shí)序控制電路 (b) 報(bào)警電路時(shí)序控制電路 2.4 時(shí)序控制電路原理圖 3 總體電路設(shè)計(jì) 將搶答、定時(shí)、報(bào)警、時(shí)序控制四個(gè)單元電路經(jīng)過適當(dāng)調(diào)整組裝 成八路搶答電路的總體電路。原理圖如下: 圖3 總體電路圖 4 Multisim仿真結(jié)果及分析
18、 Multisim仿真軟件簡(jiǎn)介 Multisim軟件就是一個(gè)專門用于電子線路仿真工具軟件。作為 Windows 下運(yùn)行的個(gè)人桌面電子設(shè)計(jì)工具, Multisim 是一個(gè)完整的集成化設(shè)計(jì)環(huán)境。而且Multisim計(jì)算機(jī)仿真與虛擬儀器技術(shù)可以很好的解決理論教學(xué)與實(shí)際動(dòng)手實(shí)驗(yàn)相脫節(jié)的這一老大難問題。學(xué)員可以很好地、很方便地把剛剛學(xué)到的理論知識(shí)用計(jì)算機(jī)仿真真實(shí)的再現(xiàn)出來(lái)。并且可以用虛擬儀器技術(shù)創(chuàng)造出真正屬于自己的儀表。極大地提高了學(xué)員的學(xué)習(xí)熱情和積極性。真正的做到了變被動(dòng)學(xué)習(xí)為主動(dòng)學(xué)習(xí)。這些在教學(xué)活動(dòng)中已經(jīng)得到了很好的體現(xiàn)。還有很重要的一點(diǎn)就是:計(jì)算機(jī)仿真與虛擬儀器對(duì)教員的教學(xué)也是一個(gè)很好的提高
19、和促進(jìn)。 理論教學(xué)――計(jì)算機(jī)仿真――實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)。 4.1 單元電路仿真結(jié)果及分析 分別對(duì)搶答、定時(shí)、報(bào)警單元電路進(jìn)行仿真,并分析其仿真結(jié)果。 4.1.1 搶答電路 圖4.1.1 Multisim仿真圖 將圖6所示搶答器電路在Multisim正確連線后仿真圖,結(jié)果發(fā)現(xiàn)對(duì)應(yīng)開關(guān)S0,S1,S2,S3,S4,S5,S6,S7,未加283時(shí)數(shù)碼管的顯示對(duì)應(yīng)為0,4,2,6,1,5,3,7,仔細(xì)檢查后發(fā)現(xiàn),原理圖中148的輸出與279的高低位對(duì)應(yīng)錯(cuò)誤,改正后再加上283后仿真,圖4.
20、1.1為按下開關(guān)7后的顯示結(jié)果。 4.1.2定時(shí)電路 部分電路主要完成的功能是當(dāng)主持人按下開始搶答按鈕后,進(jìn)行30s倒計(jì)時(shí),到0s時(shí)喇叭發(fā)出“嘀---”的聲音。 首先用555定時(shí)電路產(chǎn)生秒振蕩頻率,控制74LS193加減計(jì)數(shù)器的down輸入端,按秒頻率減數(shù)。利用一片74LS85比較器控制高位減法,另一片74LS85比較器完成當(dāng)計(jì)時(shí)器顯示0s時(shí)使另一個(gè)555定時(shí)電路產(chǎn)生振蕩,放大后可推動(dòng)喇叭發(fā)聲。 定時(shí)電路Multisim仿真圖 將圖3所示定時(shí)電路在Multisim正確連線后仿真,將開關(guān)由“清除”打
21、到“開始”時(shí),定時(shí)電路開始倒計(jì)時(shí),LED燈點(diǎn)亮,當(dāng)?shù)褂?jì)時(shí)時(shí)間到時(shí),LED燈熄滅,且驅(qū)動(dòng)555使蜂鳴器發(fā)出延時(shí)警報(bào)聲0.5秒。 圖(a) 定時(shí)時(shí)間為20秒時(shí)仿真圖 圖(b) 仿真波形圖 圖4.1.2 定時(shí)電路仿真圖 4.1.3 報(bào)警電路單元 這部分電路我們是由555構(gòu)成多諧振蕩器,振蕩頻率 fo=1.43/【(R1+2R)C】, 其輸出信號(hào)經(jīng)三極管推動(dòng)揚(yáng)聲器。PR為控制信號(hào),當(dāng)PR為諧振蕩器工作;而當(dāng)PR為低電平
22、時(shí),電路停振。原理圖如下: 圖(a) 報(bào)警電路原理圖 圖(b)20秒結(jié)束時(shí)仿真圖 圖(c)20結(jié)束時(shí)報(bào)警電路振蕩圖 圖4.1.3(1) 報(bào)警電路仿真圖 如圖4.1.3所示為報(bào)警電路仿真圖,由圖可看出當(dāng)在555的2端來(lái)了低電平的觸發(fā)脈沖后,等到脈沖消失,555在電容c3的作用下會(huì)繼續(xù)保持高電平,為了在Multisim10更清楚的看到仿真結(jié)果,故c3調(diào)整到了100nF,對(duì)192的脈沖也調(diào)整到了100HZ,有圖可看出,在192
23、的高位借位脈沖從到來(lái)到到消失的10ms后,555的輸出沒有立即變?yōu)榈碗娖?,而時(shí)繼續(xù)保持高電平10ms左右,即圖6所示報(bào)警電路仿真電路可正常延時(shí),其延時(shí)時(shí)間可通過調(diào)節(jié)c3與R17的大小來(lái)改變,具體計(jì)算公式: Td=1.1Rt*Ct 這樣,就可以用根據(jù)電容與電阻的大小來(lái)控制報(bào)警電路具體延時(shí)時(shí)間的大小,達(dá)到一些特殊的功能。 在該搶答器的設(shè)計(jì)中,報(bào)警不需要多長(zhǎng)時(shí)間,只是提醒主持人與選手定時(shí)時(shí)間到時(shí),本次搶答結(jié)束,如果需要搶答,需要主持人重新“清除”再“開始”。 所以我選擇報(bào)警延時(shí)1秒左右,故在實(shí)際電路中將R17選擇為100K,c3選擇為10uF,其理論延時(shí)為1.1秒,符合系統(tǒng)要求。
24、 圖4.1.3(2)報(bào)警電路仿真圖 5 總體電路仿真及結(jié)果分析 將圖3的簡(jiǎn)易搶答器的總電路原理圖在Multisim中仿真時(shí),第一次仿真時(shí)因?yàn)閿?shù)碼管的下拉電阻過大,數(shù)碼管不能正常點(diǎn)亮,將其調(diào)小后,數(shù)碼管可正常顯示,但考慮到數(shù)碼管在實(shí)際焊接及工作中的安全性,將下拉電阻設(shè)定在300歐姆。 數(shù)碼管正常顯示后,可看出仿真結(jié)果,可是對(duì)應(yīng)于開關(guān)S0,S1,S2,S3,S4,S5,S6,S7,數(shù)碼管顯示數(shù)字為04261537,再次出現(xiàn)了高低位錯(cuò)誤的結(jié)果,在仔細(xì)檢查后,正確連線后,可完整實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)要求功能。 圖5 總體電路仿
25、真圖 結(jié)論 通過本次課程設(shè)計(jì),使我對(duì)與非門以及觸發(fā)器等芯片有了更深的了解,對(duì)課本上的知識(shí)有了進(jìn)一步的掌握。在Multisim10環(huán)境下仿真以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)要求,并且在實(shí)際環(huán)境中組裝并焊接實(shí)際電路,通過調(diào)試完全滿足設(shè)計(jì)要求。 簡(jiǎn)易搶答器由搶答電路,定時(shí)電路,報(bào)警電路及電源構(gòu)成。主持人首先提出問題,在搶答前,主持人按下開始按鍵后,搶答開始。若有人搶答,則按下對(duì)應(yīng)按鍵S0,S1,S2,S3,S4,S5,S6,S7,則數(shù)碼管顯示對(duì)應(yīng)數(shù)字,并且其他人再無(wú)法搶答。 定時(shí)器為30秒,30秒計(jì)時(shí)到時(shí)則LED燈熄滅且蜂鳴器報(bào)警。 心得體會(huì) 通過這次課程設(shè)計(jì),我學(xué)到了很多書本上沒有的實(shí)際的知識(shí)
26、,熟悉了一些元器件、芯片在工程中的靈活運(yùn)用。在設(shè)計(jì)及制作過程中,遇到過一些困難。通過上網(wǎng)和去圖書館查資料解決之。并且在網(wǎng)上搜集到了一些元器件及電路的相關(guān)資料對(duì)以后的學(xué)習(xí)及工作是很有幫助的。最重要的是我學(xué)會(huì)了自學(xué)的方法,這將使我今后離開學(xué)校,踏上社會(huì)是相當(dāng)有幫助的。其次是進(jìn)一步熟練地掌握和運(yùn)用了Multisim軟件,提高了我們自身的專業(yè)素質(zhì)。這也是我們工科學(xué)生所必須掌握的基礎(chǔ)技能。同時(shí)也深深的體會(huì)到,我們書本上所學(xué)的知識(shí)和實(shí)際的東西相差甚遠(yuǎn),我們所不懂的知識(shí)還有很多,因此今后我們要更加注重實(shí)際方面的鍛煉和運(yùn)用。 參考文獻(xiàn) 1. 電子線路設(shè)計(jì)、實(shí)驗(yàn)、測(cè)試,謝自美,武漢:華中科技大學(xué)出版社,20
27、00年。 2. 電子技術(shù)基礎(chǔ)(數(shù)字部分),康華光,高等教育出版社,2006年 3. 電子技術(shù)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)與課程設(shè)計(jì),高吉祥,北京:電子工業(yè)出版社,2002年。 4. 電子技術(shù)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn),陳大欽,武漢:華中科技大學(xué)出版社,2001年。 附錄 1 元器件清單及主要芯片的功能 8線—3線優(yōu)先編碼器 74LS148 1個(gè) 鎖存器 74LS279 2個(gè) 譯碼器 74LS42 1個(gè) 比較器 74LS85 5個(gè) 加法器 7
28、4LS283 3個(gè) 四2輸入與非門 74LS00 3個(gè) 非門 74LS04 2個(gè) 顯示譯碼器 74LS47 5個(gè) 555振蕩器 3個(gè) 共陽(yáng)數(shù)碼管 5個(gè) 其他:50K、100K電阻、0.01u電容、0.047u電容、100u 第Error! No bookmark name given.頁(yè) 共Error! No bookmark name given.頁(yè)
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