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文檔簡介
1、 基于單片機的跑步機啟/停控制模塊的軟件設計學 院:專 業 班 級:學 號:學 生 姓 名:指 導 教 師: 2016年 04月摘 要近年來,隨著社會經濟的發展和人們生活水平的提高,人們對自身的健康也日益關注,健身成為一種流行時尚,健身器材行業也逐步興起為一個大的消費領域,電動跑步機作為一種重要的健身器材得到了越來越廣泛的應用,具有廣闊的市場前景。研發具有多功能和高附加值的人性化科學化的電動跑步機具有重要的現實意義。電動跑步機的電控系統是整個跑步機運轉的核心,它需要具有簡單接口界面、電機調速和心率功能。本論文以電動跑步機控制系統為對象,以實用、廉價、高性價比和高安全性為目標,以改進型51系類單
2、片機STC89C52為控制核心,完成了無刷直流電動機調速系統硬件設計、電動跑步機手握式紅外心率計軟硬件設計和電控系統部分軟件開發等任務。首先,文章敘述了跑步機的基本結構和工作原理,對其調速原理和調速方法進行了理論分析,建立了轉速、電流反饋控制的直流調速系統的動態靜態模型,并實際分析跑步機特殊負載的性質,確保跑步機的安全性和舒適性。并依據此基本控制策略,對電動跑步機無刷直流電動機的調速系統進行了硬件實現并畫出相應的電路原理圖。其次,文章介紹了電動跑步機附加的電子心率計的軟硬件開發。最后,開發部分系統軟件。關鍵詞:電動跑步機;數碼管; 控制系統AbstractIn recent years, wi
3、th the development of social economy and people living standard rise, people is increasingly concerned on their health, fitness has become a popular fashion, fitness equipment industry also gradually rise to a big consumption, electric treadmill as an important kind of fitness equipment has been mor
4、e and more widely used, has a broad market prospect. R&d has multifunction and high value-added human scientific electric running machine has important practical significance.Electric treadmill of electronic control system is the core of the treadmill running, it needs to have simple interfaces,
5、 motor speed and heart rate function. By electric treadmill control system as an object in this paper, with practical, cheap, high cost performance and high security as the goal, with the modified 51 series of single chip microcomputer AT89S51 as the core, to complete the brushless dc motor speed co
6、ntrol system hardware design and running of electric tractor driver grip type infrared heart-rate monitor software and hardware design and electric control system part of the software development tasks.First of all, the article describes the basic structure and working principle of BLDCM, the speed
7、control principle and control method are analyzed in theory, established the speed and current feedback control of dynamic and static model of dc speed regulating system, and the actual analysis of the nature of the special load running machine, to ensure the safety and comfort of running machine. A
8、ccording to the basic control strategy of electric treadmill brushless dc motor speed control system for the hardware implementation and draw the corresponding circuit principle diagram. Secondly, this paper introduces the electric treadmill additional electronic heart-rate monitor hardware and soft
9、ware development. Finally, part of the system software development.Keywords: electric treadmill; digital control system; control system第1章 緒論1.1 課題研究背景、目的及意義首先了解一下跑步機的發展歷史,跑步機是家庭及健身房常備的器材,而且是當今家庭健身器材中最簡單的一種,是家庭健身器的最佳選擇。世界上第一臺跑步機誕生于1875年,發明人是美國東部農村的一位機械師1。這臺機器其實是一臺便攜式農機設備,以牲畜作為動力來源。1866年,紐約州通過了美國第一部禁
10、止虐待動物的法律,用鞭子打牲口被視為非法行為。“美國反對虐待動物組織”指責那些爬樓式的動力裝置傷害了動物的膝關節,給動物造成了心理壓力。于是有人發明了水平跑步機,其傳送帶和地面平行,動物走在上面就像平時散步一樣自然1。現代意義上的跑步機從80年代流行至今已發展到第四代產品第一代產品機械跑步機,是用圓形滾筒組合排列而成的跑臺,在兩個滾筒中間加裝塑膠跑帶及跑板,主要運動方式是依靠跑步者腳與跑步帶的摩擦力帶動來運行從而達到跑步及走步的效果。第二代跑步機模擬電動跑步機,是在原有第一代的基礎上增加電機傳動裝置和升降裝置,以及一些電腦控制程序和傳感器,通過傳感器傳輸和接收馬達的工作信號,用電腦控制程序達到
11、調節跑步機速度、坡度、距離等功能,第三代跑步機數字跑步機,在原有第二代跑步機的基礎上去除了傳感器,以單片機的數據控制馬達的工作狀態,不會受到外界的干擾,從而使跑步機運動更穩定、更安全。第四代跑步機是采用的數字變頻技術,采用HK變頻調速器和交流馬達組成跑步機的動力系統,因為交流電機結構中沒有碳刷,所以終生不需要維護,所以第四代變頻跑步機具有更安全、更耐用、更安靜、更節能、更穩定5大優點使跑步機運動在真正意義上超越了傳統室外跑步運動。對于第三代跑步機而言數字跑步機是由第二代模擬電動跑步機發展而來,和模擬電動跑步機的主要區別在于它是由數字信號控制的。模擬數據(Analog Data)是由傳感器采集得
12、到的連續變化的值,例如溫度、壓力、心率,以及目前在電話、無線電和電視廣播中的聲音和圖像;數字數據(Digital Data)則是模擬數據經量化后得到的離散的值,例如在計算機中用二進制代碼表示的字符、圖形、音頻與視頻數據。模擬信號跑步機是通過傳感器傳輸和接收馬達的工作信號,其隨時間、溫度、信號強弱等因素,可能導致馬達工作不穩定。而數字跑步機則是以單片機的數據控制馬達的工作狀態,其不會受到外部因素的干擾,從而使跑步機更穩定,更安全。第二代跑步機馬達的轉速都是各種型號的傳感器控制的,均為模擬信號。而第三代跑步機是用單片機控制,系為數字信號1。模擬信號和數字信號在跑步機中的明顯區別:(1) 模擬信號跑
13、步機的最低速度為0.8kmh以上,而數字信號跑步機的最低速度可制定在0.3kmh以下,且輸出大扭力。(2) 模擬信號跑步機的馬達上都有個明顯的傳感器,數字信號跑步機則沒有。(3) 模擬信號跑步機控制電源上有大大小小的電位器,數字信號跑步機則沒有。(4) 數字信號跑步機在按停止鍵時,使用者在沒有感覺的狀態下停止運動,不會出現如急剎車時的眩暈感覺2。所以基于單片機的第三代跑步機具有很大優點。生命在于運動,健康源于運動。跑步是目前非常流行的一種有氧健身運動,它在醫學界和體育界享有高度評價,它是保持一個人身心健康最有效、最科學的健身方式。跑步機是家庭及健身房常備的器材,而且是當今家庭健身器材中最簡單的
14、一種,是家庭健身器的最佳選擇。專家們相信未來跑步機市場將以高價位產品為主導。低價位產品銷售不錯,近幾年價格已有上升趨勢。注重生活時尚的消費者認為跑步機價格在萬元以上是理所當然的事。這些跡象表明,未來跑步機仍會持續增長。此次設計的任務為電動跑步機的控制系統。設計包括調速、控制、安全、心率測量等,設計中參考了國內外文獻,對電機轉速有精確計算,而且設計中可以根據測出的心率來智能調節轉速,利用人機學原理,使設計更為人性化。由于跑步機的特殊性,安全問題更值關注,如何正確使用跑步機,和跑步機的保養同樣重要3。針對跑步機的控制系統來言,無刷直流電動機使用電子換向取代了傳統直流電動機的機械換向。無刷直流電動機
15、不僅擁有直流電機好的調速范圍性能和高效率的優點,還具有交流電機維護方便、可靠操作的長處。此外,BLDCM不需要勵磁繞組,有容量小和功率密度大的特點。電動跑步機采用BLDCM作為驅動電機時,有價格低廉、機械噪聲小、持續工作時間長、便于維護、跑步帶調速范圍廣和速度波動小的優點4。1.2 課題國內外研究現狀及趨勢跑步機屬于健康器材類產品,由于跑步機驅動電機必須滿足各種體重的人來使用。一般使用跑步機的目的有兩種:健身和減肥瘦身;如果是減肥瘦身的人來使用,因為身體較肥胖,跑不快,因此驅動電機的低速必須轉矩大才能使用。相反的,健身的人跑步快,但是重量輕,因此高速時的轉矩需求較小;跑步機必須滿足家庭成員每一
16、個人都能使用,因此調速范圍要寬廣,低速轉矩要大,才能滿足不同重量的人。目前跑步機使用的驅動裝置以直流有刷電機為多,優點是價格便宜。跑步機雙面寬厚的跑帶讓人有草坪般舒適感覺,馬力強勁的電機帶來恒久的動力,靈敏的控制器配合芯片讓人在跑步過程中隨心所欲,堅固的鋼架以及防護裝置使人的安全盡在掌握。電跑使人們在繁忙的工作之余仍然可以盡享運動的樂趣5。未來人口越來越多的集中在城市,在有限的空間進行鍛煉成為了城市居民的不二選擇。通過上網了解可知,在跑步機控制系統方面,目前國內外中低市場大都采用直流有刷電動機作為電動跑步機的驅動電機,這些電機的功率在1.5馬力到2.0馬力之間,同時適用于脈寬調制技術。他們有一
17、下一些問題:大機械噪聲、持續工作時間短、高維護費用、短壽命。在高端市場驅動電機大都采用交流電機,大多說功率在3.0左右,且適用于矢量控制變頻技術,其中一些提升電機10%的功率,范圍改變在0%到15%。當然這種系統性能高,而高花費卻限制了它的市場6,7。另外由于價格和性能的互相限制,目前國內外對于控制系統沒有實質性的突破進展時,一般都朝著智能化方向發展,跑步機同時混同各種功能于一體。接下來介紹幾種常采用的單片機:采用ATMEL公司的ATmega32或者ATmega128作為跑步機的主控芯片,它具有先進的RISC架構,內部集成較大容量存儲器,有豐富的管腳資源,驅動能力強,具有在系統編程功能,給控制
18、系統的設計及程序的升級和維護提供了極大方便8,9。國外多采用低價位的8位單片機 AT89C2051 為核心單元構成了直流有刷電機調速系統,電機采用脈寬調制方式進行調速,通過軟件編程改變控制算法,增加了控制的靈活性,具有較高的性價比10,11。再介紹一下跑步機重要組成部分無刷直流電動機的發展歷程:有刷直流電動機作為最早的電動機廣泛應用于工農業生產的各個領域,由于其寬闊而平滑的優良調速性能,在需要調速的應用領域占有重要地位,但機械換向裝置的存在,限制了其發展和應用范圍。直流電動機的機械電刷和換向器因強迫性接觸,造成其結構復雜、可靠性差、火花、噪聲等一系列問題,影響了直流電動機的調速精度和性能。科學
19、技術的飛速發展,帶來了半導體技術的飛躍,開關型晶體管的研制成功為創造新型的無刷直流電動機帶來生機。1955年,美國人首次提出用晶體管換向線路代替機械換向裝置,經過反復實驗,人們終于找到了用位置傳感器和電子換相線路來代替有刷直流電動機的機械換相裝置,出現了磁電耦合式、光電式及霍爾元件作為位置傳感器的無刷直流電動機,以后人們發現電量波形和轉子磁場的位置存在著一定的對應關系,因此又出現了通過觀測電樞繞組中不同電量波形,監測轉子位置的無位置傳感器的電動機。80年代初,無刷直流電機進入了實用階段,方波和正弦波無刷直流電機先后研究成功。“無刷直流電機”的概念已由最初的具有電子換相器的直流電機發展到泛指一切
20、具有傳統直流電機外部特性的電子換相電機。現今,無刷直流電機集電機、變速機構、檢測元件、控制軟件和硬件于一體,形成為新一代的電動調速系統。無刷直流電機具有最優越的調速性能,主要表現在調速方便(可無級調速),調速范圍寬,低速性能好(啟動轉矩大,啟動電流小),運行平穩,噪音低,效率高,應用場合從工業到民用極其廣泛。如電動自行車、電動汽車、電梯、抽油煙機、豆漿機、小型清污機、數控機床、機器人等等。由于無刷直流電機具有這些優點,因此在2004年的國際電機會議上提出了有刷電機將被無刷電機取代這一發展趨勢。美、日、英、德在工業自動化領域中已經實現了以無刷直流電機代替有刷電動機的轉換12。所以電動跑步機使用無
21、刷直流電動機十分適合。1.3 系統框圖初始化51單片機系統是否第一次按下按鍵啟停控制按鍵是否被按下是否第一次按下按鍵啟動軟件延時是否還處于按下狀態長按鍵處理短按鍵處理啟動定時器延時速度控制按鍵是否被按下是否還處于按下狀態長按鍵處理短按鍵處理圖1-1系統框圖第2章 硬件電路設計2.1 主電源電路跑步機驅動采用無刷直流電動機,所以主電源的任務是得到一個相對穩定的直流電壓,以此作為電動機控制系統的輸入電壓。為了得到+5V的電源,采用了全波整流電路,結合7805三端穩壓芯片組成的穩壓電路,已確保電路的穩定運行。在電源的輸出端,并聯了電解電容和瓷片電容,電解電容用來濾掉大部分的電壓紋波以保證電壓穩定,瓷
22、片電容則用來濾掉高頻干擾。大大提高了系統的抗干擾能力,提高了系統的穩定性,可靠性。圖3-1 主電源2.2 STC89C52單片機及相關電路2.2.1 STC89C52單片機概述STC89C52的封裝圖如下圖所示,它是DIP40形式,有雙列的豎直插入式的封裝。外殼是塑料的材料做的,STC89C52作為本系統的核心控制元件,其管腳圖如圖所示。圖 STC89C52封裝圖圖 STC89C52引腳圖(1)VCC:40腳,電源供電接口,接+5V。(2)VSS:20腳,接電源地。(3)P0口:3239腳,P0口是一組I/O輸入輸出口,特點是它的漏極開路
23、狀態的,如果對P0端口寫的電平為高電平“1”時,引腳作為高阻抗輸入狀態。也可以作為一組輸出端口。若端口訪問外部程序或者查詢數據存儲器時,P0口也可以把它當做成低8位的地址/數據,復用利用,也就是所謂的信道復用。在這種模式下,P0具有內部上電阻。但是P0口在進行程序校驗并作為輸出指令字節時,這是需要在外部加上拉電阻,一般選4.7K10K的排阻作為上拉電阻。本設計中P0口用了10K的排阻。(4)P1口:18腳,由于P1口內部本身具有上拉電阻,P1口的緩沖器能夠接收輸出的4個TTL電平電流。如果P1端口寫入高電平“1”,那么P1口電平被拉高,就可以作為輸入口來使用。(5)P2口:2128腳,P3口:
24、1017腳。與P1口的特征一致。(6)RESET:第9腳,作為單片機的一個復位輸入端口。倘若作為振蕩器的復位器件時,RST引腳會產生兩個或兩個以上的機器周期的高電平,回到最開始,這時就可以復位了。(7)ALE/P:30腳,當IO口讀取外部存儲器的時候,地址會鎖定然后存儲所允許的輸出電平值,然后鎖定并存儲地址的那位字節。用FLASH編程的時候,輸入編程的脈沖信號就是在這個引腳可以體現作用的。在一般的情況下,ALE端會輸出以不變的周期的頻率,因為這個頻率將會是振蕩器頻率的1/6的一個正脈沖信號,因此它可用來檢測系統是否正常工作。(8)PSEN:29腳,用于選擇外部存儲器的信號入口。(9)XTAL1
25、:19腳,可以輸入振蕩器的反相放大器和發生內部時鐘的電路。如果要接外部時鐘源,就從XTAL1輸入。(10)XTAL2:18腳,作為振蕩器的反相放大器的輸出端口。如接外部時鐘源,則XTAL2懸空。單片機在系統中作為主控芯片對外部電路采集到的信號進行處理,發出PWM信號給L298,然后通過L298驅動步進電機。進而實現本系統的自動控制效果。2.2.2 晶振電路晶振的全名叫做石英晶體震蕩器。由于石英晶體震蕩器具有非常好的頻率穩定性和抗外界干擾的能力,所以,石英晶體震蕩器可以用來產生基準頻率。用晶振的基準頻率來保正系統正常運行所需的準確頻率。圖3.2.2所示是單片機的晶體振蕩電路圖。這是一個時鐘產生電
26、路,CPU在這個時鐘脈沖同步下進行所有操作。片內振蕩器的振蕩頻率和晶振的頻率是非常接近的,一般在1.2MHz到24MHz左右。C1、C2作為反饋電容,它的值一般在10pF60pF之間選取,其經典值為30pF。本電路選用30pF的瓷片電容,晶振選用12MHz的。XTAL1、 XTAL2分別接晶振的兩個引腳,然后分別對地接一個30pF的瓷片電容。在石英晶體的兩根管腳上加交變電場,它會產生一定的機械變形、機械振動和產生交變電場,被稱為壓電效應。在正常的時候,無論是機械的振動,還是交變電場的變化,振幅都是非常小的。但是,當交變電場的頻率在一定的值時,振幅會急劇增加變化,產生共振,被稱為壓電振蕩。這種特
27、殊的頻率是石英晶體所固有的頻率,也就稱為共振頻率。晶振起振后在XTAL2引腳上,會輸出約3 V的正弦波,通常情況下,該振蕩器時鐘頻率為0.5 MHz16 MHz之間其中12 MHz和11.0592 MHz是典型的值,我們需要特別注意。電容C1和C2可以幫助起振,我們微調C1,C2的值就可以調節頻率了。圖3.2.2石英晶體振電路仿真圖2.2.3 復位電路復位電路的主要功能是對單片機進行初始化,在初始化的過程中需要在復位引腳上加上兩個或者兩個以上機器周期的高電平。單片機復位之后,地址初始化為0000H,然后會繼續從0000H這個值開始同時啟動程序并執行下去。在復位電路中為了可靠的復位,加入了10u
28、F的電解電容,由于電容充電的原因復位引腳上高電平持續的時間延長,以防止在這過程中案件引起的抖動而影響復位。如圖3.2.3所示。圖3.2.3 復位電路圖2.2.4 時鐘電路DS1302是美國的DALLAS公司發表和推行的,它的高性能,低功耗被大多數電子生產商喜愛,它的實時時鐘芯片,可以對時,分,秒計時,同時還是萬年歷的核心,有補償閏年的作用,工作電壓范圍約在2.5V5.5V左右。三線接口與CPU的同步通信,如圖3.3.1,VCC1作為備用電源,VCC2作為主電力供應。即使在主電源關閉的時候,VCC1可以作為備用的電源,它能夠維持時鐘的連續運行,不會造成時間的混亂和重置。DS1302的供電由VCC
29、1或VCC2兩者中的較大者供電;當VCC2>VCC10.2V時,VCC2給DS1302供電;當VCC2<VCC1時,DS1302由VCC1供電。X1和X2引腳外接32.768kHz的晶振。RST是復位和片選線,它由高電平驅動,然后開始數據的傳輸。本設計連接圖如圖3.3.1所示,如果調整C1和C2電容值的大小可以微調晶振的頻率。DS1302芯片的引腳圖如圖3.3.2所示。圖3.3.1 時鐘電路圖圖3.3.2 DS1302引腳圖2.2.5 DS1302時鐘程序設計DS1302時鐘芯片與單片機通信采用的是串行接口。DS1302內部設置有12個通用寄存器,其中的7個是以BCD碼的方式來儲存
30、時鐘信息和日歷,通過讀取這些寄存器的數據,可以獲得相關信息。由于DS1302具有掉電模式,因而不用擔心反復調時間的問題。其讀寫操作流程如圖4.3所示。 DS1302時鐘程序框圖2.3速度控制和停啟電路2.4速度顯示電路 數碼管顯示電路第3章 軟件設計3.1系統初始化主要包括I/O口初始化、內部RAM初始化、定時器初始化、PWM輸出程序、A/D轉換等。3.2 I/O口初始化、定時器初始化定時器0和定時器1定時常數的確定以及初始化代碼略作介紹。此處只介紹用于PWM信號產生的定時器1的初始化。通過對初始化定時器l的相關寄存器的編程,可以在P2引腳產生控制電動機的兩路PWM信號輸出。之所以選擇定時器1
31、產生PWM信號,是因為它是16位定時器,而定時器0和定時器2為8位定時器。定時器1產生的PWM信號比其他定時器產生的PWM信號精度更高,從而使電動機的速度控制更加精確。PWM信號最高在20Hz左右,所以將PWM周期寄存器的周期設置為6000。那么PWM計算公式如下:定時器初始化程序:根據以上信息的提示,我們可以歸納出寄存器操作的步驟:(1)使能相應的定時器時鐘線。(2)配置tim1四路PWM輸出引腳為復用功能輸出。(3)配置tim1的分頻比和計數裝載值。(4)配置相應通道的PWM輸出模式和使能預裝載。(5)打開自動重裝載預裝載允許位。(6)根據需要選擇向上或者是向下計數模式。(7)打開相應通道
32、的輸出使能。(8)配置各通道的占空比。(9)開啟OC和OCN。(10)最后使能定時器1。參考文獻1跑步機發展史2山東大學韓修恒.智能跑步機控制系統設計D,20073宋杰、歸明.山東省城市社區健身器材使用現狀分析J.體育學報,20024國外健身器材的發展趨勢Z.http:www39netfitnessjfffqjjf1053html5中國跑步機市場研究報告J,20126楊玲.跑步機驅動控制系統的研究D.哈爾濱工業大學碩士研究生論文,20077Design of BLDCM Driving and Control System for Motorized TreadmillJ.20078ATmeg
33、a32 Data SheetZ.ATmel IncRev.9Harold Stone. Microcomputer Intertacing. University of Massachusetts.Amhorst Addison wesleD,198210Mitra S K . Digtal Signal Processing. New York: Mcgraw-HillincM,200111李群芳、肖看、張士軍.單片機微型計算機與接口技術(第四版)M.電子工業出版社,201212Dr. Duane hanselman BLDCM Design, second edition M, Unive
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36、 P1 0;/啟動、暫停和停止按鍵sbit INCKey = P1 4; /速度增加鍵sbit DECKey = P1 7; /速度減少鍵sbit pauseLED = P3 0;/暫停指示燈sbit stopLED = P3 7; /停止指示燈bit keyFlg;/按鍵長按、短按標志位 0為短按 1為長按unsigned char TimeCounter;/計數專用unsigned char KeyDownFlg,set;/按鍵專用unsigned char yansi,key,send,unitsdData,tensdData,num,keynum;bitkeybz;/延時函數void
37、delay(unsigned char time)unsigned char x,y;for(x=time;x>0;x-) for(y=110;y>0;y-); /掃描啟動、停止、暫停按鍵void StartAndStopKeyScan() if(SEKey = 0)/鍵被按下 KeyDownFlg = 1;/置鍵按下標志位 TR0 = 1;/啟動定時器if(SEKey = 1) && (KeyDownFlg = 1)/判斷設置鍵是否松開 KeyDownFlg = 0;/清除鍵標志位if(keyFlg = 0)/如果是短按 stopLED = 1; pauseLED
38、 =pauseLED; TR0 = 0;/關閉定時器 TimeCounter = 0; /計數器清零 keyFlg = 0;/清除短按、長按標志位void SegDisplay(unsigned char tensdData,unsigned char unitsdData) P0 = SEGtabletensdData; delay(10);P2 = SEGtableunitsdData; delay(10);void keyscan1()/具有連加功能的的按鍵掃描程序if(INCKey=0)/判斷INCKey鍵是否按下?SegDisplay(tensdData,unitsdData);/延
39、時去抖動if(INCKey=0)/如果真接下就去執行鍵盤程序if(keybz=0)/判斷是否是第一次按下?num+;/值加一if(num=100)/判斷是否加到100num=0;/加到100清0keybz=1;/第一次進來置標志位key-;/按鍵次數計數器keynum=5;/快加按鍵次數計數器tensdData=num/10;/BCD碼轉為十進制值unitsdData=num%10;return;/不用檢測松手直接返回else/如果是第二次按下則執行下面的語句if(key=0)/判斷按鍵次數到100次了嗎?if(keynum=0)/檢測按下時間是否超過加5次的時間key=10;/如果按鍵持續時
40、間超過加5次的時間則以后每10次執行加工廠操作num+;if(num=99)num=0;tensdData=num/10;unitsdData=num%10;return; else/沒有到5次時間則執行下面的語句 keynum-;/快加計數器減一 key=100; num+; if(num=99) num=0; tensdData=num/10; unitsdData=num%10; return; else/沒有到100次下次再來判斷.key-;return;if(INCKey!=0)/松手后所有的計數器清并置默認值keynum=5; key=30;keybz=0;return;/返回 /*以下是減一鍵處理程序,執行效
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