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演示视频 基于STM32单片机设计的秒表时钟计时器仿真系统 摘要
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演示视频 基于STM32单片机设计的秒表时钟计时器仿真系统 摘要
本设计基于STM32单片机设计并实现了一个秒表时钟计时器仿真系统。系统通过显示器实时显示当前时间并通过定时器实现秒表计时功能。显示小时、分钟、秒、毫秒通过按键可调整时分秒和毫秒的时间。在键盘上输入要设置的时间按*进入时间修改之后在按*回退到上一位数字按#表示修改完成。系统采用模块化设计各功能模块独立开发便于扩展和维护。通过Keil uVision 5进行代码开发和调试并利用Proteus进行仿真验证。结果表明系统具有较高的精度和稳定性能够实现精确计时和显示功能。
关键词: STM32; 秒表; 时钟计时器; 仿真系统; Proteus
目录
摘要
第一章 绪论
1.1 课题背景
1.2 研究现状
1.3 研究的主要方法
1.4 论文结构
第二章 总体设计方案
2.1 设计要求分析
2.2 系统设计方案选择
2.2.1 硬件设计方案
2.2.2 软件设计方案
2.3 总体设计方案
第三章 系统硬件设计
3.1 STM32F4单片机简介
3.2 电源电路设计
3.3 时钟电路设计
3.4 OLED显示屏接口电路设计
3.5 按键控制电路设计
第四章 系统软件设计
4.1 主程序设计
4.1.1 系统初始化
4.1.2 主循环设计
4.1.3 中断处理
4.2 时钟计时功能模块
4.2.1 RTC模块配置
4.2.2 时钟显示更新
4.2.3 时间调整功能
4.3 显示模块设计
4.3.1 OLED初始化
4.3.2 显示数据传输
4.3.3 页面刷新机制
4.4 按键扫描与响应
4.4.1 按键扫描
4.4.2 按键处理
4.4.3 消抖处理
第五章 实物制作与调试
5.1 实物连接
5.1.1 硬件连接图
5.1.2 接口配置
5.2 系统功能验证
5.2.1 时钟显示验证
5.2.2 时间调整功能验证
5.2.3 按键功能验证
第六章 总结与展望
6.1 总结
6.2 展望
程序源码proteus仿真图设计文档演示视频等
工程资料下载链接 第一章 绪论
1.1 课题背景
计时器在现代生活和工业中有着广泛的应用从简单的家用时钟到复杂的工业计时系统其需求量非常大。STM32F4系列单片机以其高性能、低功耗和丰富的外设资源在嵌入式系统中得到了广泛应用。基于此本设计开发了一个基于STM32F4单片机的秒表时钟计时器仿真系统旨在探索单片机在精确计时和显示中的应用。
1.2 研究现状
目前基于单片机的计时器设计已经得到了广泛的应用。传统的计时器设计多采用8位或16位单片机然而随着应用需求的增加32位单片机在计时器设计中的应用越来越普遍。STM32系列单片机因其高性能和丰富的外设资源逐渐成为计时器设计的首选。
1.3 研究的主要方法
本设计基于STM32F4单片机通过其外设定时器和GPIO控制实现时钟计时功能。系统采用模块化设计将时钟显示和计时功能独立设计。代码开发在Keil uVision 5平台进行并利用Proteus仿真进行验证以确保系统的功能和性能。
1.4 论文结构
本论文共分为六章。第一章为绪论介绍了课题背景、研究现状及主要研究方法。第二章介绍了系统的总体设计方案包括硬件和软件的设计思路。第三章详细描述了系统的硬件设计包括各个模块的功能及电路设计。第四章介绍了系统的软件设计包括程序的主要功能和实现流程。第五章展示了实物制作与调试的过程验证了系统的功能。第六章为总结与展望总结了本项目的研究成果并提出了未来的研究方向。 第二章 总体设计方案
2.1 设计要求分析
本系统的设计目标是实现一个基于STM32F4单片机的秒表时钟计时器具备时间显示和计时功能。系统要求具有较高的时间精度和良好的用户体验能够通过OLED显示屏实时显示当前时间并在特定情况下如重启或时间到达一定条件记录时间。
在设计需求方面本系统应当具备以下功能
时钟显示功能能够显示当前的时间并支持12小时或24小时制显示。秒表功能秒表能够持续运行并精确计时显示精度应达到毫秒级。用户输入功能通过按键实现对时钟、秒表的控制。
2.2 系统设计方案选择
系统采用STM32F4单片机作为主控芯片利用其丰富的定时器资源实现精确计时。显示部分采用OLED屏幕具备清晰显示的优点。用户输入部分采用按键通过GPIO接口与单片机通信响应用户操作。
2.2.1 硬件设计方案
硬件设计方案主要包括以下几个部分
主控芯片选择选用STM32F401系列单片机考虑到其高性能、低功耗以及丰富的外设资源能够满足系统的各项功能需求。显示模块选择采用0.96寸OLED显示屏分辨率为128x64支持I2C通信接口具有显示效果好、功耗低等优点。按键输入模块设计单个按键通过GPIO接口与单片机连接实现用户输入控制。电源模块设计系统整体供电采用3.3V稳压电源确保STM32F4和OLED显示屏等外设的稳定运行。
2.2.2 软件设计方案
软件设计采用模块化编程思想将系统功能划分为若干独立的模块每个模块完成特定的功能最终通过主程序进行调用和调度。
时钟功能模块利用STM32F4的RTC模块实现时钟功能并通过定时器中断更新显示。显示控制模块负责将时钟和秒表等信息通过I2C接口传输至OLED显示屏进行显示。按键扫描模块实现按键输入的检测简单实现按键响应。
2.3 总体设计方案
系统的总体设计采用模块化思想主要包括以下几个模块
时钟显示模块负责显示当前时间并进行定时更新。计时模块在某些条件下记录时间模拟秒表功能。用户输入模块通过单个按键实现用户对系统的基本控制。OLED显示模块负责显示时间和计时信息。
系统通过主程序调度各个模块的运行形成完整的秒表时钟计时器功能。 第三章 系统硬件设计 3.1 STM32F4单片机简介
STM32F4系列单片机是STMicroelectronics公司推出的一款基于ARM Cortex-M4内核的32位微控制器具有高性能、低功耗、丰富的外设接口等特点。STM32F4系列单片机集成了多种外设如ADC、DAC、USART、I2C、SPI、USB、CAN等接口内置多个定时器和RTC实时时钟并且具有丰富的中断资源可以满足复杂嵌入式系统的设计需求。
在本设计中选择STM32F401系列单片机主要是考虑到其在性能、资源和功耗之间的平衡。STM32F401具有84MHz的主频内置256KB的闪存和64KB的SRAM足以支持秒表时钟计时器的设计需求。此外STM32F4系列的强大外设资源为系统的功能扩展提供了便利。
STM32F4系列单片机的特点还包括
丰富的定时器资源STM32F4系列集成了多个定时器包括通用定时器、高级定时器和基本定时器能够满足不同的计时需求。通用定时器具有输入捕获、输出比较、PWM生成等功能可以用于实现秒表计时器的核心功能。低功耗设计STM32F4系列支持多种低功耗模式包括休眠模式、待机模式和停止模式适用于需要长时间运行的低功耗应用。本设计中通过合理使用低功耗模式可以降低系统的整体功耗延长电池寿命。丰富的通信接口STM32F4系列提供了多种通信接口包括USART、SPI、I2C等能够与各种外部设备进行通信。在本设计中OLED显示屏通过I2C接口与STM32F4连接实现时间和计时信息的显示。
3.2 电源电路设计
电源电路是系统设计中的基础部分决定了整个系统的供电稳定性和可靠性。STM32F4系列单片机工作电压范围为2.0V至3.6V通常采用3.3V供电。本系统通过外部稳压电源提供3.3V电压供给STM32F4主控芯片和其他外设。
电源设计的要点包括
稳压电源模块选用线性稳压器如AMS1117-3.3将输入的5V电压稳压至3.3V提供稳定的电压输出。稳压器前端需加入滤波电容以降低电源噪声确保供电稳定性。去耦电容在单片机的电源引脚处增加去耦电容通常为0.1µF和10µF用于滤除高频噪声保证电源的纯净。去耦电容应尽可能靠近单片机的电源引脚布局减少寄生电感的影响。保护电路设计电源输入端的过压、过流保护电路防止输入电压异常或短路时损坏系统。常见的保护电路包括使用TVS二极管和保险丝。
电源电路设计的核心在于提供稳定、可靠的3.3V电源确保STM32F4单片机及其他外设的正常工作。为了提高电源的稳定性和抗干扰能力还可以在电源线上加入铁氧体磁珠或共模电感。
3.3 时钟电路设计
时钟电路是单片机系统中非常关键的一部分直接影响到系统的工作速度和计时精度。STM32F4系列单片机支持外部晶振和内部RC振荡器两种时钟源。在本设计中选择外部晶振作为系统时钟源以确保高精度和稳定性。
时钟电路设计的要点包括
外部晶振选择选用8MHz的外部晶振通过内部PLL锁相环倍频至系统所需的主频84MHz。外部晶振的精度和稳定性直接影响到系统的计时精度因此选择高精度的晶振尤为重要。晶振电路布局晶振和负载电容应尽量靠近单片机的时钟引脚布局减少PCB走线长度降低外界干扰。负载电容的值通常为20pF至30pF根据晶振的规格书选择合适的电容值。内部时钟配置通过STM32F4的时钟配置寄存器RCC进行时钟树配置将外部晶振倍频至系统主频同时配置各个外设时钟源确保每个外设模块的时钟需求得到满足。
时钟电路的设计直接关系到系统的计时精度和响应速度必须确保时钟源的稳定和准确。在调试阶段可以通过调试工具读取系统时钟频率验证时钟配置的正确性。
3.4 OLED显示屏接口电路设计
OLED显示屏采用I2C接口与STM32F4单片机通信。I2C接口具有占用资源少、通信速率适中、硬件实现简单等优点非常适合在嵌入式系统中用于连接显示屏、传感器等外设。
OLED显示屏接口电路设计的要点包括
I2C通信配置STM32F4的I2C接口通过SDA和SCL两条数据线与OLED显示屏连接。SDA用于传输数据SCL用于传输时钟信号。两条数据线需要上拉电阻通常为4.7kΩ确保在空闲状态下数据线处于高电平。信号完整性设计在布线时应尽量减少I2C总线的长度避免引入过多的寄生电容和电感防止信号失真。若信号完整性受到影响可以适当降低I2C通信速率确保数据传输的可靠性。电平匹配STM32F4单片机的I2C接口与OLED显示屏的I2C接口需要进行电平匹配确保通信双方的电压等级一致。若存在电平不匹配问题可以通过电平转换芯片进行处理。
OLED显示屏的驱动芯片通常支持多种显示模式和命令集设计中需要根据显示屏的规格书编写相应的驱动程序以实现显示内容的正确更新。
3.5 按键控制电路设计
用户输入部分采用单个按键通过GPIO接口与STM32F4单片机相连实现对系统的基本控制。按键电路简单可靠能够满足系统基本的用户输入需求。
按键控制电路设计的要点包括
按键布局按键与GPIO引脚连接通过外部上拉电阻确保按键未按下时保持高电平。按键按下时GPIO引脚被拉低通过检测引脚电平变化实现按键输入。按键消抖设计由于机械按键在按下和松开时可能会产生抖动信号导致系统误判按键状态。因此在程序中加入按键消抖处理可以通过硬件如RC滤波器或软件如延时和多次采样实现消抖功能。
按键的设计虽然简单但它是用户与系统交互的主要方式因此要保证按键响应的灵敏度和准确性。在硬件实现时要注意按键的稳定性和可靠性避免因按键抖动导致的误操作。 第四章 系统软件设计
4.1 主程序设计
主程序是整个系统的核心负责系统初始化、功能模块调用和任务调度。在主程序中通过初始化各个外设模块如GPIO、I2C、定时器等设置系统的基本运行参数并进入主循环。在主循环中通过状态机或中断机制实现系统的各项功能。
4.1.1 系统初始化
系统初始化是主程序的第一步主要包括以下几个方面
时钟系统初始化配置系统时钟源启用外部晶振通过PLL倍频获得系统主频。设置各个外设模块的时钟源确保系统正常运行。GPIO初始化配置GPIO引脚的工作模式如输入、输出、复用等初始化按键、显示屏等外设的GPIO端口。I2C初始化设置I2C通信速率、工作模式等参数确保与OLED显示屏的通信正常。定时器初始化配置定时器的工作模式、计数频率和中断优先级用于实现时钟更新和秒表计时功能。中断初始化配置外部中断用于响应按键输入设置中断优先级确保系统各模块的中断处理顺序合理。
初始化完成后系统进入主循环根据任务需求调用相应的功能模块。
4.1.2 主循环设计
主循环是系统运行的核心部分负责不断检测系统状态执行相应的操作。主循环通常采用状态机设计根据当前的系统状态选择执行不同的任务。
while (1) {// 更新当前时间UpdateClockDisplay();// 其他任务处理
}在主循环中系统会定时更新当前时间并显示在OLED屏幕上。此外主循环还可以处理按键输入等事件。
4.1.3 中断处理
中断处理是系统中非常关键的一部分负责处理外部事件如按键输入和定时事件如时钟更新。中断处理程序应尽可能简短以减少中断处理时间避免影响系统的其他任务。
典型的中断处理包括
按键中断处理当按键按下时触发外部中断。在中断处理程序中检测按键状态确定按键是否被按下并根据需要更新系统状态。定时器中断处理定时器到达设定时间时触发定时中断。在中断处理程序中执行相应的任务如更新时钟显示。
中断处理程序的设计应当遵循简洁、高效的原则避免在中断中执行复杂的任务。必要时可以在中断处理程序中设置标志位主循环中检测标志位并执行相应的操作。
4.2 时钟计时功能模块
时钟计时功能是系统的核心功能之一通过STM32F4的RTC模块实现。RTC模块具有低功耗、独立电源供电的特点能够在系统断电时继续计时适用于时钟功能的实现。
4.2.1 RTC模块配置
RTCReal-Time Clock模块的配置包括以下几个步骤
时钟源选择RTC模块可以选择外部32.768kHz晶振作为时钟源保证计时的精度和稳定性。通过配置寄存器选择RTC时钟源为外部低速晶振LSE。初始化RTC模块设置RTC的初始时间和日期启用秒中断用于定时更新时钟显示。定时器中断配置配置RTC的秒中断每秒触发一次中断用于更新时钟显示。中断处理程序中读取RTC时间寄存器将当前时间通过I2C传输至OLED显示屏。
RTC模块的配置确保系统能够在低功耗模式下持续计时并且在系统重启或断电后保持时间的连续性。
4.2.2 时钟显示更新
时钟显示通过OLED显示屏实现每秒钟更新一次显示内容。更新过程包括读取当前时间、格式化时间字符串、发送数据至显示屏等步骤。
void UpdateClockDisplay() {char time_str[9];RTC_TimeTypeDef rtc_time;// 读取当前时间HAL_RTC_GetTime(hrtc, rtc_time, RTC_FORMAT_BIN);// 格式化时间字符串sprintf(time_str, %02d:%02d:%02d, rtc_time.Hours, rtc_time.Minutes, rtc_time.Seconds);// 显示时间OLED_DisplayString(0, 0, time_str);
}时钟显示更新通过定时器中断触发每秒更新一次。用户可以通过按键切换12小时制和24小时制显示。
4.2.3 时间调整功能
用户可以通过按键调整系统时间。按键操作包括进入时间调整模式、选择调整项目时、分、秒、增加或减少时间等。
void AdjustTime() {// 进入时间调整模式OLED_DisplayString(0, 0, Adjust Time:);while (1) {// 检测按键输入if (Key_Pressed(KEY_UP)) {// 增加时间rtc_time.Hours;} else if (Key_Pressed(KEY_DOWN)) {// 减少时间rtc_time.Hours--;} else if (Key_Pressed(KEY_OK)) {// 确认调整HAL_RTC_SetTime(hrtc, rtc_time, RTC_FORMAT_BIN);break;}// 更新显示sprintf(time_str, %02d:%02d:%02d, rtc_time.Hours, rtc_time.Minutes, rtc_time.Seconds);OLED_DisplayString(0, 1, time_str);}
}时间调整功能通过状态机实现用户通过按键选择和调整时间最终确认调整并保存至RTC模块。
4.3 显示模块设计
OLED显示模块负责将系统的时间、计时等信息显示给用户。显示内容包括当前时间、计时时间等。通过I2C接口与STM32F4通信控制OLED显示内容。
4.3.1 OLED初始化
在系统初始化阶段首先对OLED显示屏进行初始化配置显示参数清除屏幕内容。
void OLED_Init() {// I2C初始化I2C_Init();// OLED初始化命令OLED_SendCommand(0xAE); // 关闭显示OLED_SendCommand(0x20); // 设置内存寻址模式OLED_SendCommand(0x10); // 页寻址模式OLED_SendCommand(0xB0); // 设置页开始地址OLED_SendCommand(0xC8); // COM扫描方向OLED_SendCommand(0x00); // 低列地址OLED_SendCommand(0x10); // 高列地址OLED_SendCommand(0x40); // 起始行地址OLED_SendCommand(0x81); // 对比度设置OLED_SendCommand(0xFF); // 最大对比度OLED_SendCommand(0xA1); // 段重映射OLED_SendCommand(0xA6); // 普通显示模式OLED_SendCommand(0xA8); // 多路复用比率OLED_SendCommand(0x3F); // 1/64占空比OLED_SendCommand(0xA4); // 全局显示开启OLED_SendCommand(0xD3); // 设置显示偏移OLED_SendCommand(0x00); // 无偏移OLED_SendCommand(0xD5); // 设置显示时钟分频比/振荡器频率OLED_SendCommand(0xF0); // 高频率OLED_SendCommand(0xD9); // 设置预充电周期OLED_SendCommand(0x22); // 高速模式OLED_SendCommand(0xDA); // 设置COM引脚硬件配置OLED_SendCommand(0x12); // ALT COM引脚OLED_SendCommand(0xDB); // 设置VCOMH去选择电平OLED_SendCommand(0x20); // 0.77*VccOLED_SendCommand(0x8D); // 设置电荷泵使能OLED_SendCommand(0x14); // 开启电荷泵OLED_SendCommand(0xAF); // 打开显示
}OLED初始化包括配置显示模式、设置显示参数等步骤确保显示屏能够正确工作。
4.3.2 显示数据传输
OLED显示内容通过I2C接口传输采用页寻址模式更新屏幕内容。数据传输包括发送显示命令和显示数据。
void OLED_DisplayString(uint8_t row, uint8_t col, char *str) {uint8_t i;// 设置显示位置OLED_SetPos(row, col);// 逐字符发送for (i 0; str[i] ! \0; i) {OLED_SendData(font8x16[str[i] - ]); // 发送字符数据}
}显示数据通过I2C接口发送至OLED显示屏采用字符显示模式支持显示英文和数字字符。显示内容更新时通过发送命令设置显示位置并将字符数据写入显示缓存。
4.3.3 页面刷新机制
OLED显示屏采用逐行扫描方式显示内容每次刷新时更新屏幕的所有行数据。为了提高刷新效率设计时采用双缓冲机制先在内存中生成显示缓冲区再一次性刷新至屏幕。
void OLED_Refresh() {uint8_t i, j;for (i 0; i 8; i) {OLED_SetPos(i, 0);for (j 0; j 128; j) {OLED_SendData(display_buffer[i][j]); // 发送缓冲区数据}}
}页面刷新通过逐行更新的方式进行刷新速度取决于I2C通信速率和显示内容的复杂度。
4.4 按键扫描与响应
按键响应模块负责检测用户的按键输入并根据输入执行相应的操作。按键检测采用定时扫描的方式每隔一段时间检测一次按键状态消除按键抖动影响。
4.4.1 按键扫描
按键扫描通过定时器中断触发定时扫描按键状态。每次扫描时检测按键是否被按下并判断是哪个按键。
void Key_Scan() {static uint8_t key_state 0;// 扫描按键if (HAL_GPIO_ReadPin(GPIOA, KEY_PIN)) {key_state 1;} else {if (key_state 1) {// 按键被按下key_state 0;Key_Pressed_Callback();}}
}按键扫描通过读取GPIO引脚状态实现按键按下时调用按键处理函数。
4.4.2 按键处理
按键处理函数根据按键输入执行相应的操作如调整时间、切换显示模式等。按键处理过程中结合系统状态进行判断确保按键操作的有效性。
void Key_Pressed_Callback() {if (system_state CLOCK_MODE) {// 切换至调整时间模式system_state TIME_ADJUST_MODE;} else if (system_state TIME_ADJUST_MODE) {// 进行时间调整AdjustTime();}
}按键处理程序结合系统状态机实现对不同模式下的按键响应确保系统的功能逻辑正确。
4.4.3 消抖处理
为了消除机械按键的抖动影响按键扫描过程中加入消抖处理。消抖处理通过延时和多次采样判断按键状态确保按键检测的准确性。
void Key_Debounce() {static uint8_t key_state 0;static uint8_t key_last_state 0;// 读取按键状态key_state HAL_GPIO_ReadPin(GPIOA, KEY_PIN);if (key_state ! key_last_state) {HAL_Delay(10); // 延时消抖key_last_state key_state;}
}消抖处理通过延时和状态记忆实现确保按键输入的稳定性避免误操作。
第五章 实物制作与调试
5.1 实物连接
本系统的硬件连接包括STM32F4单片机、OLED显示屏、按键、电源模块等。各模块之间通过电源线和信号线连接确保系统能够稳定运行。
5.1.1 硬件连接图
硬件连接图如下所示包括STM32F4单片机的引脚连接、显示屏接口、按键接口等。 STM32F4单片机 OLED显示屏 按键---------------- ------------ ------------| 3.3V GND |-----------| VCC GND |-----------| VCC GND || SDA SCL |-----------| SDA SCL |-----------| KEY_PIN || | | | | |---------------- ------------ ------------5.1.2 接口配置
各接口的引脚配置如下
OLED显示屏SDA和SCL引脚分别连接至STM32F4的I2C接口供电引脚连接至3.3V电源。按键按键引脚连接至STM32F4的GPIO引脚按键按下时通过GPIO引脚检测信号变化。电源模块3.3V稳压电源通过电源线连接至STM32F4单片机的VCC和GND引脚为系统供电。
5.2 系统功能验证
系统功能验证包括时钟显示、时间调整、按键操作等功能的验证确保系统按设计要求正常运行。
5.2.1 时钟显示验证
时钟显示通过OLED显示屏实时显示当前时间验证过程中主要检查以下几个方面
时间精度通过对比标准时钟验证系统时钟的计时精度是否符合设计要求。显示效果检查OLED显示屏的显示效果确保时间显示清晰无明显刷新延迟。
5.2.2 时间调整功能验证
时间调整功能通过按键实现验证过程中检查以下几点
按键响应通过按键进入时间调整模式验证按键响应速度和准确性。时间调整调整小时、分钟和秒的时间检查调整后的时间是否正确显示并保存。
5.2.3 按键功能验证
按键功能验证包括按键的正常操作和抖动处理效果具体如下
按键输入检测按键是否能够正确触发系统功能如进入时间调整模式等。消抖效果通过快速多次按下按键验证系统的按键消抖处理效果确保无误触发。 第六章 总结与展望
6.1 总结
本设计成功实现了基于STM32F4单片机的秒表时钟计时器仿真系统。系统具备时间显示、秒表计时、时间调整等功能通过OLED显示屏实时显示当前时间和计时信息。系统采用模块化设计各功能模块独立开发便于扩展和维护。在系统功能和性能验证中结果表明系统具有较高的时间精度和稳定性能够满足设计要求。
在本项目中重点实现了以下内容
STM32F4单片机的时钟和定时器功能通过RTC模块实现了高精度的时钟计时通过定时器实现了秒表功能。OLED显示控制利用I2C接口实现了对OLED显示屏的控制保证了显示内容的实时更新。按键控制与消抖通过GPIO接口实现了按键控制并采用消抖算法提高了按键响应的准确性。
6.2 展望
本设计虽然实现了基本的秒表时钟功能但仍有进一步优化和扩展的空间。未来可以考虑以下几个方向
增加更多的用户交互功能可以增加更多的按键实现复杂的功能设置如闹钟、倒计时等。优化电源管理进一步降低系统的功耗延长电池使用寿命使其更适合便携式设备的应用。改进显示效果可以采用更高分辨率的显示屏或者引入颜色显示提升用户体验。 程序源码proteus仿真图设计文档演示视频等
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基于STM32单片机设计的秒表时钟计时器仿真系统-程序源码proteus仿真图设计文档演示视频等-毕设/课设/竞赛/实训资源-CSDN文库https://download.csdn.net/download/m0_61712829/89658858
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