霍尔传感器组成的转速测量电路

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测试技术课程设计 ※

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霍尔传感器组成的转速测量电路

报告书

姓 名 学 号 院、系、部 专 业

王强 20086553 电气系

电气工程及其自动化

1 课程设计任务书

在工农业生产和工程实践中，经常会遇到各种需要测量转速的场合，测量转速的方法分为模拟式和数字式两种。模拟式采用测速发电机为检测元件，得到的信号是模拟量，控制系统的硬件部分非常复杂，功能单一，而且系统非常不灵活、调试困难。数字式通常采用光电编码器、圆光栅、霍尔元件等为检测元件，得到的信号是脉冲信号。单片机技术的日新月异，特别是高性能价格比的单片机的出现，转速测量普遍采用以单片机为核心的数字式测量方法，使得许多控制功能及算法可以采用软件技术来完成。采用单片机构成控制系统，可以节约人力资源和降低系统成本，从而有效的提高工作效率。

本课题，是要利用霍尔传感器来测量转速。由磁场的变化来使霍尔传感器产生脉冲，由单片机计数，经过数据计算转化成所测转速，再由数码管显示出来。

一、主要内容

利用强磁铁与霍尔元件组成测试转体转速的测量电路，包括计数与显示电路。 二、基本要求

1. 实现基本功能

2．完成3000字设计报告 3. 画出电路图

4. 发挥部分，设计超速报警，完成信号传输。 三、主要技术指标（或研究方法）

测量范围 0—6000r/min 精 度 ±5r/min 工作电压 5V～12V 工作电流 低于500mA 工作环境 温度-60℃～65℃

四、应收集的资料及参考文献 霍尔元件原理与应用 显示元件原理 数据采样整理单

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2 概述

2.1 系统组成框图

在测量电机转速时我们从采用了电磁感应式传感器。当电机转动时，带动传感器。这种传感器可以将转速信号转变成一个对应频率的脉冲信号输出，经过信号处理后输出到计数器。脉冲信号的频率与电机的转速是一种线性的正比关系，因此对电机转速的测量，实质上是对脉冲信号的频率的测量。

本课题采是以STC89C52单片机为核心将处理好的信号经过数据处理转换成所测得的实际十进制信号的系统。系统硬件原理框图如图2-1：

霍尔传感器 信号处理 单 片 机 四位数码管显示电路 图2-1系统框图

系统框图原理如图2-1所示，系统由传感器、信号处理、显示电路和系统软件等部分组成。传感器采用霍尔传感器，负责将转速转化为脉冲信号。信号处理电路包含待测信号放大、波形变换、波形整形电路等部分，其中放大器实现对待测信号的放大,降低对待测信号的幅度要求，实现对小信号的测量；波形变换和波形整形电路实现把正负交变的信号波形变换成可被单片机接受的TTL/CMOS兼容信号。 处理器采用STC89C52单片机，显示器采用8位LED数码管动态显示。

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2.2霍尔传感器测转速原理及特性

1、霍尔传感器测速原理：

霍尔器件是由半导体材料制成的一种薄片，器件的长、宽、高分别为 l、ｂ、ｄ。若在垂直于薄片平面（沿厚度 ｄ）方向施加外磁场Ｂ，在沿ｌ方向的两个端面加一外电场，则有一定的电流流过。由于电子在磁场中运动，所以将受到一个洛仑磁力，其大小为：fqVB

式中：f—洛仑磁力， ｑ—载流子电荷， Ｖ—载流子运动速度， Ｂ—磁感应强度。

这样使电子的运动轨迹发生偏移，在霍尔元器件薄片的两个侧面分别产生电子积聚或电荷过剩，形成霍尔电场，霍尔元器件两个侧面间的电位差UH称为霍尔电压。

霍尔电压大小为： UHRHIB/d(mV) 式中：RH—霍尔常数， ｄ—元件厚度， Ｂ—磁感应强度， Ｉ—控制电流 设 KHRH/d, 则UH=KHIB/d(mV)

为霍尔器件的灵敏系数(mV/mA/T)，它表示该霍尔元件在单位磁感应强度和单位控制电流下输出霍尔电动势的大小。应注意，当电磁感应强度Ｂ反向时，霍尔电动势也反向。

若控制电流保持不变，则霍尔感应电压将随外界磁场强度而变化，根据这一原理，可以将两块永久磁钢固定在电动机转轴上转盘的边沿，转盘随被测轴旋转，磁钢也将跟着同步旋转，在转盘附近安装一个霍尔元件，转盘随轴旋转时，霍尔元件受到磁钢所产生的磁场影响，输出脉冲信号。传感器内置电路对该信号进行放大、整形，输出良好的矩形脉冲信号，测量频率范围更宽，输出信号更精确稳定，已在工业，汽车，航空等测速领域中得到广泛的应用。其频率和转速成正比，测出脉冲的周期或频率即可计算出转速。

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2、霍尔传感器的特性:

半导体磁敏传感器是利用半导体材料中的自由电子和空穴随磁场而改变其运动方向这一特性制成的，按其结构可分为体型和结型两大类。体型的主要有霍尔传感器（材料主要是InSb、InAs、Ge、Si、GaAs）和磁敏电阻（材料主要有InSb、InAs），结型的主要有磁敏二极管（材料主要是Ge、Si）和磁敏三极管（材料主要是Si）。

霍尔传感器是一种基于霍尔效应的磁传感器。霍尔效应自1879年被美国物理学家爱德文²霍尔发现至今已有100多年的历史，但直到20世纪50年代，由于微电子学的发展，才被重视和开发，现在，已发展成一个品牌多样的传感器产品族，并得到广泛的应用。霍尔传感器可以检测磁场及其变化，可在各种与磁场相关的场合中应用。

霍尔传感器具有许多优点，其结构牢固，体积小，质量轻，寿命长，安装方便，功能消耗小，频率高，耐震动，不怕灰尘，油污，水汽及盐雾等的污染或腐蚀。

霍尔传感器可直接用于检测磁场或磁特性，也可以通过在被检对象上人为设置的磁场，来检测许多非电、非磁的物理量，例如力、力矩、压力、应力、位置、位移、速度、加速度、角度、角速度、转数、转速以及工作状态发生变化的时间等，还可转换成电量来进行检测和控制。

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2.3 系统工作原理及处理方法

1、系统工作原理：

转速是工程上一个常用的参数，旋转体的转速常以每分钟的转数来表示。其单位为 r／min。由霍尔元件及外围器件组成的测速电路将电动机转速转换成脉冲信号，送至单片机STC89C51的计数器 T0进行计数，用T1定时测出电动机的实际转速。此系统使用单片机进行测速，采用脉冲计数法，使用霍尔传感器获得脉冲信号。其机械结构也可以做得较为简单，只要在转轴的圆盘上粘上两粒磁钢，让霍尔传感器靠近磁钢，机轴每转一周，产生两个脉冲，机轴旋转时，就会产生连续的脉冲信号输出。由霍尔器件电路部分输出，成为转速计数器的计数脉冲。控制计数时间，即可实现计数器的计数值对应机轴的转速值。单片机CPU将该数据处理后，通过LED显示出来。

传感器 单片 机

电机 信号盘 GND

转速测量系统安装图

整形电路 2、处理方法:

测速实际上就是测频，通常可以用计数法、测脉宽法和等精度法来进行测试。所谓计数法，就是给定一个闸门时间，在闸门时间内计数输入的脉冲个数；测脉宽法是利用待测信号的脉宽来控制计数门，对一个高精度的高频计数信号进行计数。由于闸门与被测信号不能同步，因此，这两种方法都存在±1误差的问题，第一种方法适用于信号频率高时使用，第二种方法则在信号频率低时使用。等精度法则对高、低频信号都有很好的适应性。此系统采用计数法测速。单片机STC89C52内部具有 2 个 16 位定时/计数器 ,定时/计数器的工作可以由编程来实现定时、计数和产生计数溢出中断要求的功能。在构成为定时器时,每个机器周期加 1(使用12MHz 时钟时,每 1us 加 1),这样以机器周期为基准可以用来测量时间间隔。在构成为计数器时,在相应的外部引脚发生从 1 到 0 的跳变时计数器加1,这样在计数闸门的控制下可以用来测量待测信号的频率。

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3 霍尔传感器测转速系统的单元电路介绍

3.1 单片机的介绍

本设计采用STC89C52芯片，芯片采用40脚双列直插式封装，32个I/O口，芯片工作电压3.8～5.5V，工作温度0～70°C（商业级），工作频率可高达30MHz，芯片的外形和引脚见下图（2）

图（2） STC89C52外形和引脚图

STC89C52 是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有 8K 在系统可编程Flash 存储器。使用高密度非易失性存储器技术制造，与工业80C51 产品指令和引脚完全兼容。片上Flash允许程序存储器在系统可编程，亦适于常规编程器。在单芯片上，拥有灵巧的8 位CPU 和在线系统可编程Flash，使得STC89C52为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案。 STC89C52具有以下标准功能： 8k字节Flash，256字节RAM， 32 位I/O 口线，看门狗定时器，2 个数据指针，三个16 位 定时器/计数器，一个6向量2级中断结构，全双工串行口，片内晶振及时钟电路。另外，STC89C52可降至0Hz静态逻辑操作，支持2种软件可选择节电模式。空闲模式下，CPU 停止工作，允许RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工作。掉电保护方式下，RAM内容被保存，振荡器被冻结，单片机一切工作停止，直到下一个中断或硬件复位为止。8 位微控制器 8K字节在系统可编程 Flash。P0～P3口结构，第一功能、第二功能请参考数据手册（STC89C52数据手册下载地址www.mcu-memory.com）。 其基本结构框图如图3.1，包括： ²一个8位CPU；

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²4KB ROM；

²128字节RAM数据存储器； ²26个特殊功能寄存器SFR；

² 4个8位并行I/O口，其中P0、P2为地址/数据线，可寻址64KB ROM或64KB RAM；

²一个可编程全双工串行口；

²具有5个中断源，两个优先级，嵌套中断结构； ²两个16位定时器/计数器； ²一个片内震荡器及时钟电路；

计数脉冲输入

T0 T1 时钟 源 CPU 4K ROM（EPROM） （8031无） 特殊功能寄存器SFR 定时/计数器 T0、T1 并行I/O接串行接口 中断系统 P0 P1 P2 P3 TXD RXD INT0 INT1 中断输入

图3.1 STC89C52单片机结构框图

STC89C52系列单片机中HMOS工艺制造的芯片采用双列直插(DIP)方式封装,有40个引脚。STC89C52单片机40条引脚说明如下:

（1）电源引脚。VCC正常运行和编程校验(8051/8751)时为5V电源,VSS为接地 （2）I/O总线。P0.0- P0.7（P0口），P1.0- P1.7（P1口），P2.0- P2.7（P2口），P3.0- P3.7（P3口）为输入/输出引线。 （3）时钟。

XTAL1：片内震荡器反相放大器的输入端。

XTAL2：片内震荡器反相放器的输出端，也是内部时钟发生器的输入端。 （4）控制总线。

由P3口的第二功能状态和4根独立控制线RESET、EA、ALE、PSEN组成。

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值得强调的是，P3口的每一条引脚均可独立定义为第一功能的输入输出或第二功能。如表3.1所示。

表3.1 P3口线的第二功能定义：

P3口引脚及线号 P3.0 (10) P3.1 (11) P3.2 (12) P3.3 (13) P3.4 (14) P3.5 (15) P3.6 (16) P3.7 (17) 引脚 RXD TXD INT0 INT1 T0 T1 WR RD 第二功能 串行输入口 串行输出口 外部中断0 外部中断1 定时器0外部输入 定时器1外部输入 外部数据存储器写脉冲 外部数据存储器读脉冲 ：

STC89C52单片机的片外总线结构

①地址总线（AB）：地址总线宽为16位，因此，其外部存储器直接寻址为64K字节，16位地址总线由P0口经地址锁存器提供8位地址（A0至A7）；P2口直接提

供

8

位

地

址

（

A8

8至

A15

P0）

。

②数据总线（DB）：数据总线宽度为PSEN组成。

位，由

提供。

③控制总线（CB）：由P3口的第二功能状态和4根独立控制线RESET、EA、ALE、

3.2 霍尔传感器选型

霍尔效应自1879年被美国物理学家爱德文²霍尔发现至今已有100多年的历史，但直到20世纪50年代，由于微电子学的发展，才被重视和开发，现在，已发展成一个品牌多样的传感器产品族，并得到广泛的应用。

霍尔传感器是对磁敏感的传感元件，由磁钢、霍耳元件等组成。测量系统的转速传感器选用OH137的霍尔传感器。

3.3 开关霍尔传感器的性能分析

OH137霍尔开关电路是为了适用客户低成本高性能要求开发生产的系列产品，其应用领域广泛，性能可靠稳定。电路内部由反向电压保护器、电压调整器，霍尔电压发生器，差分放大器，史密特触发器和集电极开路输出级组成，能将变化的磁场讯号转换成数字电压输出。

产品特点：产品一致性好、灵敏度可按照客户要求定制、电路可和各种逻辑电路直接接口

可实现功能：无触点开关、位置检测、速度检测、流量检测

典型应用领域：直流无刷电机、家用电器、缝纫设备、纺织机械、编码器、安全

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报警装置等自动化控制领域 极限参数：（TA=25℃）

电源电压VCC²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²4.5-24V 输出负载电流IO²²²²²²²²²²²²²²²²²²²25mA

工作温度范围TA ²²²²²²²²²²²²²²²-40～85℃ 贮存温度范围TS ²²²²²²²²²²²²²²²²-55～150℃

电特性：TA=25℃ 参 数 符号 测试条件 单最小 典型 最大 位 4.5 - 24 V 400 mV μA 5 mA μ1.20 S μ1.40 S 10 量 值 电源电压 VCC 输出低电Vcc=4.5V, VOL - 200 平电压 RL=2KΩ，B≥BOP 输出漏电IOH Vout=Vccmax，B≤BRP - 0.1 流 电源电流 ICC VCC=Vccmax OC开路 - 3 输出上升Vcc=12V, RL=820Ω, tr - 0.12 时间 CL=20pF 输出下降Vcc=12V, RL=820Ω, tf - 0.14 时间 CL=20pF 磁特性： (VCC=4.5～24V) 1mT=10GS

量 值 参 数 符号 最小 典型 最大 工作点 释放点 回 差

测试电路： Vcc=5 RL RL=820Ω CL=20 pF

单 位 mT mT mT BOP BRP BH - 2 6 - - - 18 - 8 管腿说明：1.电源 2. 地 3.输出 使用注意： 1）安装时要尽量减小施加到电路外壳或引线上的机械应力。 Vout 2）焊接温度要低于260℃，时间小于3秒。 CL 3）电路为OC输出，需要在1、3腿（电源与输出）之间加一上拉电阻。上拉电9

磁电转换特性：

功能方框图： Pin1.VCREG

VOH BH

VOL 0 BRP BOP B

外型尺寸图：

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Pin3.VouAMm Pin2.GN

3.4 系统显示电路介绍 3.4.1 74HC595的介绍

74HC595是硅结构的CMOS器件， 兼容低电压TTL电路，遵守JEDEC标准。74HC595是具有8位移位寄存器（如图2-8 工作时序）和一个存储器，三态输出功能。 移位寄存器和存储器是分别的时钟。 数据在SCHcp的上升沿输入，在STcp的上升沿进入的存储寄存器中去。如果两个时钟连在一起，则移位寄存器总是比存储寄存器早一个脉冲。 移位寄存器有一个串行移位输入（Ds），和一个串行输出（Q7’）,和一个异步的低电平复位，存储寄存器有一个并行8位的，具备三态的总线输出，当使能OE时（为低电平），存储寄存器的数据输出到总线。8位串行输入/输出或者并行输出移位寄存器，具有高阻关断状态。它的管脚分布和各管脚功能如图2-9所示。

图3-9 管脚分布和管脚功能

图3-8 74HC595工作时序

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3.4.2 数码管介绍

数码管按发光二极管单元连接方式分为共阳极数码管和共阴极数码管。共阳数码管是指将所有发光二极管的阳极接到一起形成公共阳极(COM)的数码管。共阳数码管在应用时应将公共极COM接到+5V，当某一字段发光二极管的阴极为低电平时，相应字段就点亮。当某一字段的阴极为高电平时，相应字段就不亮。。共阴数码管是指将所有发光二极管的阴极接到一起形成公共阴极(COM)的数码管。共阴数码管在应用时应将公共极COM接到地线GND上，当某一字段发光二极管的阳极为高电平时，相应字段就点亮。当某一字段的阳极为低电平时，相应字段就不亮。原理如图2-10所示。

gfGNDabaafedgbcdp·＋5Vabcdefgdp共阴极 bcdefgdpedGNDcdp（a）（b）共阳极 图3-10 数码管

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4 基于霍尔传感器的硬件电路设计

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5 基于霍尔传感器测转速系统的软件设计

5.1 软件流程图

开始LED显示缓存初始化时钟寄存器初始化定时器中断初始化LED显示初始化调用数据处理程序调用显示子程序调用按键处理程序 图5-1 主程序流程图

秒标志位flag=1处理转速，转换成r/min转速的16进制数转换成10进制BCD码送显示缓冲器返回

图5.2 数据处理显示模块流程图

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图5-4 定时器1中断服务程序流程图

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5.2 C语言程序

#include #include #include #define uchar unsigned char #define uint unsigned int #define DataPort P1

sbit LATCH1=P2^0;//定义锁存使能端口 段锁存 sbit LATCH2=P2^1;// sbit PPP=P3^1; sbit zzz=P0^7;

unsigned char code HEYAO_WeiMa[]={0xfe,0xfd,0xfb,0xf7,0xef,0xdf,0xbf,0x7f}; unsigned char code

TempData[]={0x3f,0x06,0x5b,0x4f,0x66,0x6d,0x7d,0x07,0x7f,0x6f,0x00,0x40}; uchar Temp[8]; uchar timecount; bit flag;

unsigned long x;// void delay() ; void jing();

void Display(unsigned char FirstBit,unsigned char Num) {

static unsigned char i=0; do{

DataPort=0xff; //清空数据，防止有交替重影

LATCH1=1; //段锁存 LATCH1=0;

DataPort=HEYAO_WeiMa[i+FirstBit]; //取位码 LATCH2=1; //位锁存 LATCH2=0;

DataPort=Temp[i]; //取显示数据，段码 LATCH1=1; //段锁存 LATCH1=0;

i++;

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delay(); if(i==Num) }

void main() { PPP=1;

TMOD=0x15;//TH1定时，模式1；TH0计数，模式1 TH0=0; TL0=0;

TH1=(65536-50000)/256; TL1=(65536-50000)%256; ET0=1;

ET1=1;//TH0,1溢出允许中断 EA=1;//允许中断 TR1=1;

TR0=1;//开始计数 while(1) {

if(flag==1) { flag=0;

x=(TH0*256+TL0)*5; if(x>6000) { jing(); }

Temp[3]= TempData[x%10]; Temp[2]= TempData[x/10%10]; Temp[1]=TempData[x/100%10]; Temp[0]=TempData[x/1000%10]; Display(0,4); timecount=0;

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i=0;

}while(PPP==1);

TH0=0; TL0=0;

TH1=(65536-50000)/256; TL1=(65536-50000)%256; TR0=1; TR1=1;

PPP=1;

} } }

void t0(void) interrupt 1 using 0 {

int i;

for(i=0;i<500;i++) { zzz=!zzz; delay(); } zzz=1; }

void t1(void) interrupt 3 using 0 {

TH1=(65536-50000)/256; TL1=(65536-50000)%256; timecount++;

if(timecount==120)//6s {

TR0=0;

TR1=0;

timecount=0; flag=1; } }

void jing()

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{

int i;

for(i=0;i<500;i++) { zzz=!zzz; delay(); } zzz=1; } void delay() { int i;

for (i=0;i<255;i++)

{ _nop_(); }

}

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总结与展望

本此设计，主要进行了以下几方面的工作：首先，复习了上学期所学的传感器，在其中着重学习并理解霍尔传感器的工作原理；其次，根据老师所提供的传感器，查找搜集其特性，制作设计方案；然后，完成测温系统的硬件选型和电路设计；最后，完成测温系统的软件流程图设计。

在这个小学期之间，根据我所选的题目，编出了实验的程序。总体来讲，此次设计的题目比较简单。通过这次的设计，又查阅了相关资料，与老师所讲的结合，基本上掌握了数码管动态显示的原理。在试验箱上模拟成功后，结合所发的板子修改了程序，但是在将程序考到开发板上之后偶遇到了一些问题。显示的结果与与预想的不同，经过反复试验最终搞清楚的其中的原理。

对于定时器、计数器的中断，有了深入认识。怎么算初值，怎么申请中断，怎么响应，返回到什么位置等更深层次的应用并学为己有。并且学会了有多个等待多个中断返回时，怎么进行合理利用，使他们每个都能返回到该返回的位置，不出现错误。这一点我觉得很有用。

这次设计，有程序，有硬件，有理论，有实践，通过它们的结合，我所学到的知识形成了一个系统，不再是孤立的，而是硬件与软件的结合，提高了自己的程序运用能力，对于编程的思路有了更进一步的悟性。不再是一个机械的运用，而是根据具体情况来编写自己的程序，有了一定的灵活运用能力。

还记得，在上次的小学期中，做的单片机的程序，这次与传感相结合，不仅使我又一次的加深了对软件编程的理解，还从实际出发，有了一个更整体的认识。对于霍尔传感器的基本原理更有了进一步的理解。霍尔传感器具有不怕灰尘、油污，安装简易，不易损坏等优点，在工业现场得到了广泛应用。测试结果表明对电动机转速的测量精度较高，基本能够满足实际的测试需要，有一定的实际应用价值。就本课题而言，并末实现真正工业意义上的测转速控制，今后还应在控制的实现上进一步深入的探讨，这类研究将对工业测转速有着深远的影响，是一个值得深入的方向。

在此期间，每位同学都在尽自己最大的努力来完成设计任务，都认识到了设计的意义与目的。指导老师们是最辛苦的了，在这里，深表对老师的感谢。

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参考文献

[1] 何希才，传感器及其应用实例，机械工业出版社，2003.8

[2] 李华.MCS-51系列单片机实用接口技术[M].北京：北京航空航天大学出版社,1993,29-33.

[3] 康华光，电子技术基础（模拟部分），高教出版社，2003

[4] 余锡存,曹国华.单片机原理与接口技术[M] .西安：西安电子科技大学出版

社,2000.7

[5] 河道清，张禾，谌海云，传感器与传感器技术.科学出版社.2008年 6月 [6]谭浩强.C程序设计（第二版）[M].北京：清华大学出版社，1999 [7] 河道清，张禾，谌海云，传感器与传感器技术.科学出版社.2008年 6月

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