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PAGE19揚州大學能源與動力工程學院課程設計報告題目:大林算法控制系統(tǒng)設計課程:計算機控制技術課程設計專業(yè):電氣工程及其自動化班級:姓名:學號:

第一部分任務書

《計算機控制技術》課程設計任務書一、課題名稱大林算法控制系統(tǒng)設計二、課程設計目的課程設計是課程教學中的一項重要內容,是達到教學目標的重要環(huán)節(jié),是綜合性較強的實踐教學環(huán)節(jié),它對幫助學生全面牢固地掌握課堂教學內容、培養(yǎng)學生的實踐和實際動手能力、提高學生全面素質具有很重要的意義?!队嬎銠C控制技術》是一門理論性、實用性和實踐性都很強的課程,課程設計環(huán)節(jié)應占有更加重要的地位。計算機控制技術的課程設計是一個綜合運用知識的過程,它需要控制理論、程序設計、硬件電路設計等方面的知識融合。通過課程設計,加深對學生控制算法設計的認識,學會控制算法的實際應用,使學生從整體上了解計算機控制系統(tǒng)的實際組成,掌握計算機控制系統(tǒng)的整體設計方法和設計步驟,編程調試,為從事計算機控制系統(tǒng)的理論設計和系統(tǒng)的調試工作打下基礎。三、課程設計內容設計以89C51單片機和ADC、DAC等電路、由運放電路實現(xiàn)的被控對象構成的計算機單閉環(huán)反饋控制系統(tǒng)。1.硬件電路設計:89C51最小系統(tǒng)加上模入電路(用ADC0809等)和模出電路(用TLC7528和運放等);由運放實現(xiàn)的被控對象。2.控制算法:大林控制算法。3.軟件設計:主程序、中斷程序、A/D轉換程序、濾波程序、大林算法控制程序、D/A輸出程序等。四、課程設計要求1.模入電路能接受雙極性電壓輸入(-5V~+5V),模出電路能輸出雙極性電壓(-5V~+5V)。2.模入電路用兩個通道分別采集被控對象的輸出和給定信號。3.每個同學選擇不同的被控對象:4.對象的純延遲環(huán)節(jié)用軟件通過數(shù)組單元移位實現(xiàn)。5.定時中斷間隔選取50ms,采樣周期T要求既是采樣中斷間隔的整數(shù)倍,又滿足。。6.閉環(huán)系統(tǒng)時間常數(shù)按的被控對象最大時間常數(shù)選擇。有關的設計資料可參考《計算機控制實驗指導書》的相關內容。五、課程設計實驗結果1.控制系統(tǒng)能正確運行。 2.有振鈴和消除振鈴的系統(tǒng)階躍輸出和控制器。六、進度安排序號內容天數(shù)1布置任務,熟悉課題要求0.52總體方案確定,硬件電路設計1.53熟悉實驗箱及C語言開發(fā)環(huán)境,研讀范例程序,14控制算法設計15軟件編程,調試16實驗17總結,撰寫課程設計報告1七、課程設計報告內容:總結設計過程,寫出設計報告,設計報告具體內容要求如下:1.課程設計的目和設計的任務。2.課程設計的要求。3.控制系統(tǒng)總框圖及系統(tǒng)工作原理。4.控制系統(tǒng)的硬件電路連接圖(含被控對象),電路的原理。5.軟件設計流程圖及其說明。6.電路設計,軟件編程、調試中遇到的問題及分析解決方法。7.實驗結果及其分析。8.體會。

第二部分課程設計報告

目錄1課程簡介……………………..71.1程設計目的71.2程設計內容71.3程設計要求72方案設計.82.1控制系統(tǒng)整體方案82.2控制系統(tǒng)閉環(huán)工作原理83大林算法硬件電路設計……………………83.1A/D采樣電路83.2D/A輸出電路……………….....................……...103.3給定對象硬件電路設計113.4總硬件圖...114控制算法設計114.1控制算法的原理124.2計算機實現(xiàn)的計算機推導公式124.3采樣周期135軟件編程設計.135.1主程序與中斷流程圖135.2部分控制程序代碼146實驗結果與分析.177小結與體會.17參考文獻.18課題簡介課題目的課程設計是課程教學中的一項重要內容,是達到教學目標的重要環(huán)節(jié),是綜合性較強的實踐教學環(huán)節(jié),它對幫助學生全面牢固地掌握課堂教學內容、培養(yǎng)學生的實踐和實際動手能力、提高學生全面素質具有很重要的意義?!队嬎銠C控制技術》是一門理論性、實用性和實踐性都很強的課程,課程設計環(huán)節(jié)應占有更加重要的地位。計算機控制技術的課程設計是一個綜合運用知識的過程,它需要控制理論、程序設計、硬件電路設計等方面的知識融合。通過課程設計,加深對學生控制算法設計的認識,學會控制算法的實際應用,使學生從整體上了解計算機控制系統(tǒng)的實際組成,掌握計算機控制系統(tǒng)的整體設計方法和設計步驟,編程調試,為從事計算機控制系統(tǒng)的理論設計和系統(tǒng)的調試工作打下基礎。課題內容設計以89C51單片機和ADC、DAC等電路、由運放電路實現(xiàn)的被控對象構成的計算機單閉環(huán)反饋控制系統(tǒng)。1.硬件電路設計:89C51最小系統(tǒng)加上模入電路(用ADC0809等)和模出電路(用TLC7528和運放等);由運放實現(xiàn)的被控對象。2.控制算法:大林控制算法。3.軟件設計:主程序、中斷程序、A/D轉換程序、大林算法控制程序、D/A輸出程序等。課題要求模入電路能接受雙極性電壓輸入(-5V~+5V),模出電路能輸出雙極性電壓(-5V~+5V)。模入電路用兩個通道分別采集被控對象的輸出和給定信號。3.選擇被控對象:4.對象的純延遲環(huán)節(jié)用軟件通過數(shù)組單元移位實現(xiàn)。5.定時中斷間隔選取50ms,采樣周期T要求既是采樣中斷間隔的整數(shù)倍,又滿足。6.閉環(huán)系統(tǒng)時間常數(shù)按的被控對象最大時間常數(shù)選擇。2.大林算法控制系統(tǒng)方案設計2.1控制系統(tǒng)總體介紹圖2.1-1大林算法設計的閉環(huán)控制系統(tǒng)方框圖大多數(shù)工業(yè)對象具有較大的純滯后時間,可以近似用一階或二階慣性環(huán)節(jié)加純滯后環(huán)節(jié)來表示,其傳遞函數(shù)為一階對象:,二階對象:,大林算法的設計目標是使整個閉環(huán)系統(tǒng)所期望的傳遞函數(shù)Φ(s)相當于一個純滯后環(huán)節(jié)和一個慣性環(huán)節(jié)相串聯(lián),即,并希望整個閉環(huán)系統(tǒng)的純滯后時間和被控對象的純滯后時間相同。其中為閉環(huán)系統(tǒng)的時間常數(shù),純滯后時間與采樣周期T有整數(shù)倍關系,(N=1,2﹒﹒﹒﹒)。2.2控制系統(tǒng)閉環(huán)工作原理在本次大林算法控制系統(tǒng)中,系統(tǒng)先進行A/D采樣,將給定值采樣值取到單片機內,之后單片機會選擇另外一路通道,進行輸出值即反饋值的采樣。將輸出值采樣到單片機內后,在單片機中進行差值E(k)計算,再通過單片機中的算法程序得到輸出量U(k),再經過D/A變換器,將輸出結果作用于被控對象。經被控對象的輸出值又將作為反饋值被采樣到單片機內。3.大林算法控制系統(tǒng)硬件電路設計3.1A/D采樣電路該實驗的A/D采樣硬件電路如圖3-1所示圖3-1A/D采樣硬件電路圖上圖所示的是ADC0809與8051連接的硬件電路圖,其中在ADC0809中,IN-6、IN-7分別采樣給定信號和反饋信號,A\D轉換器的引腳A接單片機的P1^6,用于選擇采樣通道??刂朴嬎銠C的定時器作為基準時鐘(初始化為50ms),在第一次啟動A/D轉換時,此時P1^6=0,選擇的IN-6,采樣的是給定信號,當采樣周期到時,此時P1^6=1,同時在定時器中啟動A/D轉換,此時采樣的是反饋信號,給定信號和反饋信號的采樣值分別存儲在程序的RK和UK1中。模數(shù)單元采用ADC0809芯片,主要包括多路模擬開關和A/D轉換器兩部分。其主要特點為:單電源供電、工作始終CLOCK最高可達1200KHz、8位分辨率、8個單端模擬輸入端(IN0~IN7)、TTL電平兼容等,可以很方便地和微處理器接口。通過三端地址譯碼A、B、C多路開關可選通8路模擬輸入的任何一路進行A/D變換。其中IN1~IN5的模擬量輸入允許范圍:0V~4.98V,對應數(shù)字量為00H~FFH,2.5V對應80H;IN6和IN7兩路由于接了上拉電阻,所以模擬量輸入允許范圍:-5V~+4.98V,對應數(shù)字量00H~FFH,0V對應80H。在設計過程中使用的TD-ACC+教學系統(tǒng)中的ADC0809芯片,其輸出八位數(shù)據(jù)線以及CLOCK線已連到控制計算機的數(shù)據(jù)線及系統(tǒng)應用時鐘1MCLK(1MHz)上。其它控制線根據(jù)實驗要求可另外連接(A、B、C、STR、/OE、EOC、IN0~IN7),如圖3-1(2)所示。其中IN6和IN7可以測量-5V~+5V的量,主要是因為加了外部電路。如圖所示,在IN6和IN7的實際輸入端其輸入范圍為0~5V,在外圍電路中,采用兩個相同電阻分壓的方式,因為給了一個5V的電壓,當輸入端為-5V時,0809的實際輸入端為兩者相加之和的一半,為0V,在0809采樣電壓的范圍以內。但將該采樣值取進單片機內后,其表示范圍為-128~127,對應為0~5V的電壓,所以我們需要在程序里將采樣值減去128以使采樣值與設定值相對應。因此加了外部電路,0809就可以采集-5~+5V的電壓了。3.2D/A輸出電路數(shù)模轉換單元采用TLC7528芯片,它是8位、并行、兩路、電壓型輸出模數(shù)轉換器。其主要參數(shù)如下:轉換時間100ns,滿量程誤差1/2LBS,參考電壓-10V~+10V,供電電壓+5V~+15V,輸入邏輯電平與TTL兼容。輸入數(shù)字范圍為00H~FFH,80H對應于0V,輸出電壓為-5V~+4、96V。在課程設計過程中采用的TD-ACC+教學系統(tǒng)中的TLC7528,其輸入數(shù)字量得八位數(shù)據(jù)線、寫線和通道選擇控制線已經接至控制計算機的總線上。片選線預留出待實驗中連接到相應的I/O片選上,如圖3-2。圖3-2D/A輸出電路該芯片TLC7528可以雙極性輸出,但須在單片機中將D/A的輸出值加128后再交給TLC7528芯片進行D/A輸出。3.3給定對象硬件電路設計圖3-3給定對象硬件電路圖如圖3-3所示,為被控對象的硬件電路的設計圖,在本次的課程設計中的被控對象傳遞函數(shù):,其中比例部分由兩個運算放大器組合實現(xiàn),即,第一個運算放大器的積分部分為,實現(xiàn)被控對象的第一部分,第二個運算放大器的積分部分為,實現(xiàn)被控對象的第二部分。3.4總硬件圖圖3-4總硬件圖4.大林算法控制系統(tǒng)算法設計4.1控制算法的原理實驗算法中,用脈沖傳遞函數(shù)近似法求得對應的閉環(huán)脈沖傳遞函數(shù):,將代入,并進行Z變換:式中,經計算,無振鈴時,有,于是對應的遞推公式為則程序中

4.2計算機實現(xiàn)的計算機公式推導在4、1中得到了D(z)的最終表達式,而在本實驗中,被控對象為

從而可以知道被控對象的時間常數(shù)為,增益K=8,根據(jù)按最大時間常數(shù)取值,取=0.4s。將各個參數(shù)代入計算:KK0=0.077,KK1=-0.9085,KK3=0.0017864,PP1=-0.3495,PP2=0.95436,PP3=0.039514。對應的遞推公式:u(k)=-0.3495u(k-1)+0.95436u(k-2)+0.039514u(k-3)+0.077e(k)-0.9085e(k-1)+0.0017864e(k-2)由于在二階對象中是引起振鈴的極點因子,令z=1,于是可以得到u(k)=0.0821u(k-1)+0.9179u(k-2)+0.0821e(k)-0.0303e(k-1)+0.0019e(k-2)在程序中:KK0=0.0821,KK1=-0.0303,KK2=0.0019,PP0=0.0821,PP1=0.9179,PP2=0。4.3采樣周期的選擇在本實驗中,定時中斷間隔選取50ms,采樣周期T要求既是采樣中斷間隔的整數(shù)倍,又要滿足,而由被控對象的表達式可知,所以取N=1,。5.大林算法控制系統(tǒng)軟件編程設計5.1主程序與中斷流程圖主程序流程圖:圖5.1-1采樣中斷服務程序流程圖:圖5.1-25.2部分控制程序代碼1.主程序部分源碼:voidmain(void){ TMOD=0x01; t0_h=(65536-15536)/256; //計算定時器0初值 t0_l=(65536-15536)%256; t0_l=t0_l+20; //修正因初值重裝而引起的定時誤差 TH0=t0_h; TL0=t0_l; IT1=1; //邊沿觸發(fā)中斷 EX1=1; //開外部中斷1 ET0=1; //開定時中斷0 TR0=1; //啟動定時器 TC=1; DAC_1=0x80; //D/A清零 UK=UK_1=UK_2=UK_3=0; //變量清零 EK=EK_1=EK_2=EK_3=0;RK=RK_1=RK_2=RK_3=0; bb=0; EA=1; //開總中斷 FLG=0; DOUT0=0; while(1);}主程序的功能主要是:對定時器的賦值、開外中斷、初始各變量,其中while(1)是使主程序進入死循環(huán),等待中斷到來。2.采樣中斷程序的部分源碼:(1)判斷同步信號程序: DIN0=1; //讀取輸入前,先輸出高電平if(DIN0) //判同步信號到否 { UK=UK_1=UK_2=UK_3=0; EK=EK_1=EK_2=EK_3=0; RK=RK_1=RK_2=RK_3=0; DAC_1=0x80; //D/A輸出零 TC=1; }(2)雙通道采樣:{ TC--; //判采樣周期到否 if(TC==0) { if(FLG==0) { RK=ADC_7-128; //采樣當前的給定值 DOUT0=1; FLG=1; TC=TK; } else { FLG=0; UK=ADC_7-128; //采樣當前的輸出值,并計算偏差的變化量 DOUT0=0; EK=RK-UK; EK_1=RK_1-UK_1; EK_2=RK_2-UK_2; EK_3=RK_3-UK_3;i=KK*0EK*+KK1*EK_1+EK_2*KK2 j=PP1*UK_1+PP2*UK_2+PP3*UK_3; UK=G*i+j; if(UK>0) //判控制量是否溢出,溢出賦極值 { if(UK>127) aa=127; else aa=(char)UK; } else { if(UK<-128) aa=-128; else aa=(char)UK; } DAC_1=bb+128; //D/A輸出控制量 bb=aa; UK_3=UK_2; //控制量遞推 UK_2=UK_1; UK_1=UK; EK_3=EK_2; //偏差遞推 EK_2=EK_1; EK_1=EK; TC=TK; //采樣周期變量恢復 } } }}雙通道采樣原理說明:由于在主程序中,將DOUT2置“0”,已經選擇了采樣通道IN6,第一次進行A/D轉換時,對給定信號進行采樣,并將采樣值存儲在RK中,同時將DOUT2置“1”,這時將A/D通道IN7選中,等待采樣周期到時,則采樣反饋信號,并將采樣值存儲在UK1中,在變量定義中,已經將P1.6定義為DOUT2,故改變DOUT2值就改變了P1.6。中斷程序實現(xiàn)的功能:對給定信號進行采樣,并將采樣值存儲在RK中,同時將DOUT2置“1”,將A/D通道IN7選中,待采樣周期到時,則采樣反饋信號,并將采樣值存儲在UK1中,接下來便是計算偏差E(k),計算U(k),將值通過端口DAC_1在下一周期到來時輸出;再次在該中斷程序中,增加一個變量bb1,用于存儲前一周期的輸出值,這樣使得輸出量能夠延遲1秒輸出;最后就是通過遞推公式,計算實現(xiàn)輸出信號的不斷優(yōu)化。該程序實現(xiàn)的功能是對定時器的重新裝值,同時,當采樣周期到時,啟動A/D,用于對轉換反饋信號進行A/D轉換。6.實驗結果 無振鈴7.小結與體會課程設計是課程教學中的一項重要內容,是達到教學目標的重要環(huán)節(jié),是綜合性較強的實踐教學環(huán)節(jié),它有利于我們全面牢固地掌握課堂教學內容、培養(yǎng)我們的實踐和實際動手能力。這次的課程設計,讓我對《計算機控制技術》這門課和課程設計有了一個全新的認識,也有了很多的體會和心得。《計算機控制技術》是一門實用性和實踐性都很強的課程,課程設計環(huán)節(jié)應占有更加重要的地位。計算機控制技術的課程設計是一個綜合運用知識的過程,它需要控制理論、程序設計、硬件電路設計等方面的知識融合。通過課程設計,我對控制算法設計有了一個更深的認識,也學會了控制算法的實際應用,從整體上了解了計算機控制系統(tǒng)的實際組成,掌握了計算機控制系統(tǒng)的整體設計方法和設計步驟,編程調試,為從事計算機控制系統(tǒng)的理論設計和系統(tǒng)的整定工作打下基礎。通過這次的課程設計,我認識到任何課程的學習都需要理論結合實際,這樣才能更好地掌握所學的知識并將它很好地應用于實踐中。同時,在實踐過程中,可以通過查找資料、分析資料和請教老師和同學,使一些不清楚的問題得以解決,這樣的話,可以起到事半功倍的效果。當然,最關鍵的還是靠自己親自去思考問題、解決問題,掌握獨自面對各類的問題的方法??傊?,這次的課程設計給了我很多的體會和心得。讓我們有機會去鍛煉和提升自己,收獲很多。參考文獻[1]于海生主編,微型計算機控制技術,北京:清華大學出版社,2009[2]張艷兵等編著,計算機控制技術,北京:國防工業(yè)出版社,2008[3]張毅剛主編,單片機原理及應用,北京:高等教育出版社,2004[4]陳濤編著,單片機應用及C51程序設計,北京:機械工業(yè)出版社,2008[5]樓然苗,李光飛編著,單片機課程設計指導,北京:北京航空航天大學出版社,2007基于C8051F單片機直流電動機反饋控制系統(tǒng)的設計與研究基于單片機的嵌入式Web服務器的研究MOTOROLA單片機MC68HC(8)05PV8/A內嵌EEPROM的工藝和制程方法及對良率的影響研究基于模糊控制的電阻釬焊單片機溫度控制系統(tǒng)的研制基于MCS-51系列單片機的通用控制模塊的研究基于單片機實現(xiàn)的供暖系統(tǒng)最佳啟停自校正(STR)調節(jié)器單片機控制的二級倒立擺系統(tǒng)的研究基于增強型51系列單片機的TCP/IP協(xié)議棧的實現(xiàn)基于單片機的蓄電池自動監(jiān)測系統(tǒng)基于32位嵌入式單片機系統(tǒng)的圖像采集與處理技術的研究基于單片機的作物營養(yǎng)診斷專家系統(tǒng)的研究基于單片機的交流伺服電機運動控制系統(tǒng)研究與開發(fā)基于單片機的泵管內壁硬度測試儀的研制基于單片機的自動找平控制系統(tǒng)研究基于C8051F040單片機的嵌入式系統(tǒng)開發(fā)基于單片機的液壓動力系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)測儀開發(fā)模糊Smith智能控制方法的研究及其單片機實現(xiàn)一種基于單片機的軸快流CO〈,2〉激光器的手持控制面板的研制基于雙單片機沖床數(shù)控系統(tǒng)的研究基于CYGNAL單片機的在線間歇式濁度儀的研制基于單片機的噴油泵試驗臺控制器的研制基于單片機的軟起動器的研究和設計基于單片機控制的高速快走絲電火花線切割機床短循環(huán)走絲方式研究基于單片機的機電產品控制系統(tǒng)開發(fā)基于PIC單片機的智能手機充電器基于單片機的實時內核設計及其應用研究基于單片機的遠程抄表系統(tǒng)的設計與研究基于單片機的煙氣二氧化硫濃度檢測儀的研制基于微型光譜儀的單片機系統(tǒng)單片機系統(tǒng)軟件構件開發(fā)的技術研究基于單片機的液體點滴速度自動檢測儀的研制基于單片機系統(tǒng)的多功能溫度測量儀的研制基于PIC單片機的電能采集終端的設計和應用基于單片機的光纖光柵解調儀的研制氣壓式線性摩擦焊機單片機控制系統(tǒng)的研制基于單片機的數(shù)字磁通門傳感器基于單片機的旋轉變壓器-數(shù)字轉換器的研究基于單片機的光纖Bragg光柵解調系統(tǒng)的研究單片機控制的便攜式多功能乳腺治療儀的研制基于C8051F020單片機的多生理信號檢測儀基于單片機的電機運動控制系統(tǒng)設計Pico專用單片機核的可測性設計研究基于MCS-51單片機的熱量計基于雙單片機的智能遙測微型氣象站MCS-51單片機構建機器人的實踐研究基于單片機的輪軌力檢測基于單片機的GPS定位儀的研究與實現(xiàn)基于單片機的電液伺服控制系統(tǒng)用于單片機系統(tǒng)的MMC卡文件系統(tǒng)研制基于單片機的時控和計數(shù)系統(tǒng)性能優(yōu)化的研究基于單片機和CPLD的粗光柵位移測量系統(tǒng)研究單片機控制的后備式方波UPS提升高職學生單片機應用能力的探究基于單片機控制的自動低頻減載裝置研究基于單片機控制的水下焊接電源的研究基于單片機的多通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)基于uPSD3234單片機的氚表面污染測量儀的研制基于單片機的紅外測油儀的研究96系列單片機仿真器研究與設計基于單片機的單晶金剛石刀具刃磨設備的數(shù)控改造基于單片機的溫度智能控制系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)基于MSP430單片機的電梯門機控制器的研制基于單片機的氣體測漏儀的研究基于三菱M16C/6N系列單片機的CAN/USB協(xié)議轉換器基于單片機和DSP的變壓器油色譜在線監(jiān)測技術研究基于單片機的膛壁溫度報警系統(tǒng)設計基于AVR單片機的低壓無功補償控制器的設計基于單片機船舶電力推進電機監(jiān)測系統(tǒng)基于單片機網絡的振動信號的采集系統(tǒng)基于單片機的大容量數(shù)據(jù)存儲技術的應用研究基于單片機的疊圖機研究與教學方法實踐基于單片機嵌入式Web服務器技術的研究及實現(xiàn)基于AT89S52單片機的通用數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)基于單片機的多道脈沖幅度分析儀研究機器人旋轉電弧傳感角焊縫跟蹤單片機控制系統(tǒng)基于單片機的控制系統(tǒng)在PLC虛擬教學實驗中的應用研究基于單片機系統(tǒng)的網絡通信研究與應用基于PIC16F877單片機的莫爾斯碼自動譯碼系統(tǒng)設計與研究基于單片機的模糊控制器在工業(yè)電阻爐上的應用研究基于雙單片機沖床數(shù)控系統(tǒng)的研究與開發(fā)基于Cygnal單片機的μC/OS-Ⅱ的研究基于單片機的一體化智能差示掃描量熱儀系統(tǒng)研究基于TCP/IP協(xié)議的單片機與Internet互聯(lián)的研究與實現(xiàn)變頻調速液壓電梯單片機控制器的研究基于單片機γ-免疫計數(shù)器自動換樣功能的研究與實現(xiàn)基于單片機的倒立擺控制系統(tǒng)設計與實現(xiàn)單片機嵌入式以太網防盜報警系統(tǒng)基于51單片機的嵌入式Internet系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)單片機監(jiān)測系統(tǒng)在擠壓機上的應用MSP430單片機在智能水表系統(tǒng)上的研究與應用基于單片機的嵌入式系統(tǒng)中TCP/IP協(xié)議棧的實現(xiàn)與應用單片機在高樓恒壓供水系統(tǒng)中的應用基于ATmega16單片機的流量控制器的開發(fā)基于MSP430單片機的遠程抄表系統(tǒng)及智能網絡水表的設計HYPERLINK"

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