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柳州职业技术学院毕业设计（论文）题目：数字式电压表设计姓名陈贤龙学号 20090201066专业应用电子技术年级 2009级指导教师杨贤军完成时间目目录录任务书 3第一章摘要 51.1 课题背景 51.2 数字电压表的主要特点61.3 数字电压表发展的新趋向71.4 本次电压表设计的基本介绍7第二章总体方案 72.1 设计方案 7第三章硬件设计方法及相关元器件的介绍83.1硬件实际设计方法 83.2 元器件介绍及使用说明9第四章硬件设计的电路分析164.1 硬件设计总电路 164.2 单片机小系统电路 164.3 调整量程分压电路 174.4 继电器选取量程电路174.5 18B20 温度传感器及 12864 液晶屏串行接口电路18第五章：软件设计 185.1 软件设计方案分析 185.2 本次设计的程序 20第六章调试 226.1硬件调试 226.2 软件调试 22第七章心得体会与总结 22第八章附件 238.1 实物作品图 23第九章：参考文献 25柳州职业技术学院毕业设计（论文）任任 务务 书书电子电气 系（部）09应用电子技术 专业 2 班学生 陈贤龙学号 20090201066一、毕业设计（论文）题目：数字式电压表设计二、毕业设计（论文）工作规定进行的日期：2011年 1月 1日起至 2011年 12月 31日止三、毕业设计（论文）进行地点：柳州职业技术学院东校区竞择楼四、任务书的内容：目的：通过数字电压表的设计与制作，巩固数电的知识点，理论联系实际，掌握数字电压表原理、调试方法；掌握电子线路实际操作技能（焊接、测量、器件拆装、万用表等）；训练整体分析的能力，以及故障排除的能力。具体目的是：掌握 3 位半数字电压表的设计、组装和调试方法；熟悉集成电路12C5A60S2 的使用方法，并掌握其工作原理。任务：设计指标设计指标 输入基本量程：0-2VDC 精度：0.05%FS 测量速率2 次/秒 具有极性显示，溢出报警 显示器件可用 LED 数码管 具有较强的常模干扰抑制能力设计要求设计要求 画出电路原理图（或仿真电路图）；元器件及参数选择；电路仿真与调试；PCB 文件生成与打印输出。制作要求制作要求自行装配和调试，并能发现问题和解决问题。编写设计报告编写设计报告写出设计与制作的全过程，附上有关资料和图纸，有心得体会。答辩答辩在规定的时间内，完成叙述并回答提问。设计（论文）要求设计（论文）要求：要求提供以下设计资料，汇报设计与制作的全过程，附上有关资料和图纸，有设计心得体会并装订成册：1.摘要(所做的设计如有特别之处，一定要挑明)；2.原理框图3.元器件明细表及参数选择4.各功能块电路图5.PCB 文件生成与打印输出6.操作原理简要说明7.调试的结果是否满足设计要求工作日程安排：8-21 学习周设计（论文）要求：8000 字主要参考文献：1荀 殿 栋，徐 志 军 数 字 电 路 设 计 实 用 手 册 电 子 工 业 出 版 社2 梁廷贵积分式A/D 转换器-其它专用集成电路分册科学技术文献出版社3中 国 IT 培 训 工 程 编 委 会 Protel99电 路 设 计 培 训 班 珠 海 出 版 社4沙 占 友 新 型 数 字 电 压 表 原 理 与 应 用 机 械 工 业 出 版 社5 杨振江A/D、D/A 转换器接口技术与实用线路西安电子科技大学出版6李春法单片机原理及接口技术案例教程编著机械工业出版社 7吴金戌 沈庆阳 郭庭青8051 单片机实践与应用清华大学出版社学生开始执行任务书日期 2011年 月 日指导教师签名：年月日学生送交毕业设计（论文）日期：2011 年 月 日教研室主任签名：年月日学生签名：年月日第一章第一章 摘要摘要1.11.1 课题背景课题背景随着人类生活中科技含量的增长，电子类产品已成为现代人类物质生活中不可缺少的一部分。那么，设计和维修这些电子产品就需要一些工具，如：示波器，电压表等。下面，我们着重研究一下电压表。传统的模拟式电压表已有 100 多年的发展历史，虽然不断改进与完善，仍然无法满足现代电子测量的需要。但模拟式电压表却为数字电压表奠定了基础，是数字电压表的一个重要里程碑。数字电压表自 1952 年问世以来，显示出强大的生命力，现已成为在电子测量领域中应用最广泛的一种仪表。但数字电压表虽有许多优点，仍存在一些不便，如需要手动调档，稍不注意就可能将表烧毁。方便人类是电子产品的灵魂所在，所以自动换档成为新兴的课题。下面将对数字电压表的特点作介绍。1.21.2 数字电压表的主要特点数字电压表的主要特点数字电压表简称 DVM(Digutal Voltmeter)。它是采用数字化测量技术，把连续的模拟量(直流输入电压)转换成不连续，离散的数字形式并加以显示的仪表。智能化数字电压表则是大规模集成电路，显示技术，计算机技术，自动测试技术的产品。数字电压表主要有以下特点：1.显示清晰，直观，读数准确传统的模拟式电压表必须借助于指针和刻度盘进行读数。在读数过程中不可避免的会引入人为的误差，并且还容易造成视觉疲劳。数字电压表则采用先进的数字显示技术，使显示结果一目了然只要仪表不发生跳变现象，测量结果就是唯一的，不紧保证了读数的客观性与准确性，还符合人们的读数习惯，能够缩短读数和记录的时间。2.准确度高数字电压表的准确度是测量结果中系统误差与随即误差的综合。它表示测量结果与真值的一致程度，也反映测量误差的大小。一般讲准确度越高，测量误差越小，反之则越大。根据准确度的高低，可将数字电压表分成若干等级。直流数字电压表共分为 11 个等级：0.0005，0.001，0.002，0.005，0.01，0.02，0.05，0.1，0.2，0.5，1.0。3.分辨率高数字电压表在最低电压量程上末位 1 个字所对应的电压值，称作仪表的分辨力，它反映出仪表的灵敏度的高低。分辨力是指所能显示的最小数字与最大数字之比，通常用百分数来表示。4.测量范围宽多量程数字电压表通常可测 01000V 的直流电压，配上高压探头还可测量几千伏的电压。5.测量速度快数字电压表在每秒鈡内被测电压的测量次数，叫测量速率，单位是“次/s”。它主要取决于 A/D 转换器的转换速率。6.输入阻抗高数字电压表具有很高的输入阻抗，通常为10M-10000M，最高可达100000M。这样在测量时从被测电路上吸取的电流极小，不会影响被测信号源的工作状态，由此可减小信号源内带来的附加误差。7.集成度高，微功耗新型数字电压表普遍采用 CMOS 大规模集成电路，整机功耗很低。8.抗干扰能力强噪声干扰大致分两类，一类是串模干扰，干扰电压与被测量信号串连后加至仪表的输入端。另一类是共模干扰，干扰电压同时加于仪表的两个输入端.衡量仪表干扰能力的技术指标也有两个：串模抑止比和共模抑止比。高档数字电压表大多采用数字滤波和浮地保护等技术，进一步提高了抗干扰能力，其共模抑制比可达到 10080dB，串模抑制比为 100dB 左右。1.31.3 数字电压表发展的新趋向数字电压表发展的新趋向目前数字电压表正进入一个蓬勃发展的新时期。一方面它开拓了电子测量领域的先河，另一方面它本身正朝着高准确度，智能化，低成本的方向发展。1.采用新技术，开发新产品数字电压表的新产品总是依托新技术而问世的。近些年来，新技术的涌现，不断的被采用，迅速转化成生产力。2.单片专用 IC 的广泛应用集成电路强大的生命力在于应用。目前国内外都在积极开发供数字仪表使用的单片专用 IC，为研制高性价比数字电压表以及智能仪器创造了条件。3.多重显示仪表多重显示仪表能同时显示同一被测信号的两种不同参数，例如交换电压值与频率值。4.广泛采用新器件，新工艺近年来，电子模块，电子模板，表面安装元件，超小型集成电路等新器件正越来越广泛的用于数字电压表中。此外，数字电压表在安装工艺，外观设计，安全性，可靠性等方面也在不断改进，日趋完善。1.41.4 本次电压表设计的基本介绍本次电压表设计的基本介绍本设计运用 STC12C5A60S 单片机进行 A/D 转换,根据数据采集把数据转换为电压值最后把电压值传送到 12864 液晶屏上终端显示，在传统的电压表基础上我增加了温度检测功能，可以实时检测周围环境温度。该数字电压表测量电压类型是直流,可选用的量程有 5，50V，250V，以及 500。电路包括:单片机最小系统电路、复位电路，电压表分压电路，继电器选取量程电路，12864 液晶串行显示电路，18B20 温度检测电路等。主控制器采用STC12C5A60S 芯片,A/D 转换器由 STC12C5A60S 芯片内部集成。第二章第二章 总体方案总体方案2.12.1 设计方案设计方案数字式电压表电路尽量采用中、大规模集成电路。它主要由模拟电路和数字电路两大部分组成，模拟部分包括输入放大器、A/D 转换器、和基准电源；数字部分包括计数器、译码器、逻辑控制器、振荡器和显示器。其中，A/D 转换器将输入的模拟量转换成数字量，逻辑控制电路产生控制信号，按规定的时序将 A/D 转换器中各组模拟开关接通或断开，保证 A/D 转换正常进行。A/D 转换结果通过 12864 液晶屏显示出来。第三章第三章 硬件设计方法及相关元器件的介绍硬件设计方法及相关元器件的介绍3.13.1硬件实际设计方法硬件实际设计方法硬件电路设计框图（图一）本课题实验主要采用 STC12C5A60S2芯片来完成一个简易的数字电压表，能够对输入的05 00V 的模拟直流电压进行测量，并通过12864 液晶屏进行显示，测量误差约为0.005V。该电压表的测量电路主要由三个模块组成：A/D 转换模块、数据处理模块及显示控制模块。A/D 转换主要由芯片 STC12C5A60S2内部集成 AD 来完成，它负责把采集到的模拟量转换为相应的数字量再传送到数据处理模块。数据处理则由芯片 STC12C5A60S2来完成，其负责把 STC12C5A60S2内部 AD 传送来的数字量经过一定的数据处理，产生相应的显示码送到12864 液晶屏显示模块进行显示；另外除了能够测量电压外我还设计了18B20 温度检测模块，该模块可以实时测量当前环境的温度值，并通过 12864 液晶屏显示出来。因此该电压表平时不使用的时候，还能够当成一个温度计来使用。上上 电电 复复 位位 电电路路量程切换电路量程切换电路12864 液晶屏串行显示电路STC12C5A60S2STC12C5A60S2P0P0的萨芬的萨芬P3P3P1P1STC12C5A60S2STC12C5A60S2内部内部 ADAD 模拟量输模拟量输18B2018B20 温度检测电路温度检测电路按键控制电路按键控制电路图一图一3.23.2 元器件介绍及使用说明元器件介绍及使用说明1.STC12C5A60S21.STC12C5A60S2 系列单片机的内部结构（图二）系列单片机的内部结构（图二）STC12C5A60S2 系列单片机的内部结构框图如图三所示。STC12C5A60S2 单片机中包含中央处理器(CPU)、程序存储器(Flash)、数据存储器(SRAM)、定时/计数器、UART 串口、串口 2、I/O 接口、高速 A/D 转换、SPI 接口、PCA、看门狗及片内 R/C 振荡器和外部晶体振荡电路等模块。STC12C5A60S2 系列单片机几乎包含了数据采集和控制中所需的所有单元模块，可称得上一个片上系统。图二图二2.STC12C5A60S22.STC12C5A60S2 系列单片机管脚图（图三）系列单片机管脚图（图三）图三图三3.STC12C5A60S23.STC12C5A60S2系列管脚说明a.主电源引脚Vss-(20脚)：地线Vcc-(40脚)：+5V电源b.外接晶振或外部振荡器引脚XTAL1-(19 脚)：当采用芯片内部时钟信号时，接外部晶振的一个引脚；当采用外部时钟信号时，此脚应接地。XTAL2-(18 脚)：当采用芯片内部时钟信号时，接外部晶振的一个引脚；当采用外部时钟信号时，外部信号由此脚输入。c.控制、选通或电源复用引脚 RST/Vp0-(9 脚)：复位信号输入；Vcc 掉电后，此脚可接上备用电源，在低功耗条件下保持内部 RAM 中的数据。d.多功能 I/O 引脚P0 口-(3239 脚)：P0 数据/地址复用总线端口。P1 口-(18 脚)：P1 静态通用端口，ADC 输入通道 07。P2 口-(2128 脚)：P2 动态端口。P3 口-(1017 脚)：P3 双功能静态端口。除作 I/O 端口外，它还提供特殊的第二功能，其具体含义为：P3.0-(10 脚)RXD：串行数据接收端。P3.1-(11 脚)TXD：串行数据发送端。P3.2-(12 脚)INT0：外部中断 0 请求端。P3.3-(13 脚)INT1：外部中断 1 请求端。P3.4-(14 脚)T0：定时器/计数器 0 计数输入端。P3.5-(15 脚)T1：定时器/计数器 1 计数输入端。P3.6-(16 脚)WR：外部数据存储器写选通，低电平有效。P3.7-(17 脚)RD：外部数据存储器读选通，低电平有效。4.STC12C5A60S24.STC12C5A60S2 系列单片机系列单片机 A/D A/D 转换器的结构转换器的结构STC12C5A60AD/S2 系列带 A/D 转换的单片机的 A/D 转换口在 P1 口.(P1.7-P1.0)有 8 路 10 位高速 A/D 转换器速度可达到 250KHz(25 万次/秒)。8 路电压输入型A/D，可做温度检测、电池电压检测、按键扫描、频谱检测等。上电复位后 P1口为弱上拉型 I/O 口，用户可以通过软件设置将 8 路中的任何一路设置为 A/D转换，不需作为 A/D 使用的口可继续作为 I/O 口使用。STC12C5A60S2 系列单片机 ADC(A/D 转换器)的结构如下图（图四）所示。图四STC12C5A60S2 系列单片机 ADC 由多路选择开关、比较器、逐次比较寄存器、10位 DAC、转换结果寄存器(ADC_RES 和 ADC_RESL)以及 ADC_CONTR 构成。STC12C5A60S2 系列单片机的 ADC 是逐次比较型 ADC。逐次比较型 ADC 由一个比较器和 D/A 转换器构成，通过逐次比较逻辑，从最高位(MSB)开始，顺序地对每一输入电压与内置 D/A 转换器输出进行比较，经过多次比较，使转换所得的数字量逐次逼近输入模拟量对应值。逐次比较型 A/D 转换器具有速度高，功耗低等优点。从上图可以看出，通过模拟多路开关，将通过 ADC07 的模拟量输入送给比较器。用数/模转换器(DAC)转换的模拟量与本次输入的模拟量通过比较器进行比较，将比较结果保存到逐次比较器，并通过逐次比较寄存器输出转换结果。A/D 转换结束后，最终的转换结果保存到 ADC 转换结果寄存器 ADC_RES 和 ADC_RESL，同时，置位 ADC 控制寄存器 ADC_CONTR 中的 A/D 转换结束标志位 ADC_FLAG,以供程序查询或发出中断申请。模拟通道的选择控制由 ADC 控制寄存器 ADC_CONTR中的 CHS2 CHS0 确定。ADC 的转换速度由 ADC 控制寄存器中的 SPEED1 和SPEED0 确定。在使用 ADC 之前，应先给 ADC 上电，也就是置位 ADC 控制寄存器中的 ADC_POWER 位。当 ADRJ=0 时，如果取 10 位结果，则按下面公式计算:10-bitA/DConversionResult:(ADC_RES7:0,ADC_RESL1:0)=1024*(Vin/Vcc)当 ADRJ=0 时，如果取 8 位结果，按下面公式计算:8-bit A/D Conversion Result:(ADC_RES7:0)=256*(Vin*Vcc)当 ADRJ=1 时，如果取 10 位结果，则按下面公式计算:10-bitA/DConversionResult:(ADC_RES1:0,ADC_RESL7:0)=1024*(Vin/Vcc)式中，Vin 为模拟输入通道输入电压，Vcc 为单片机实际工作电压，用单片机工作电压作为模拟参考电压。5.5.温度传感器温度传感器 18B2018B20一 DSl820 介绍：DSl820 数字温度计提供 9 位(二进制)温度读数指示器件的温度信息经过单线接口送入 DSl820 或从 DSl820 送出因此从主机CPU 到 DSl820 仅需一条线(和地线)DSl820 的电源可以由数据线本身提供而不需要外部电源因为每一个DSl820 在出厂时已经给定了唯一的序号因此任意多个 DSl820 可以存放在同一条单线总线上这允许在许多不同的地方放置温度敏感器件DSl820 的测量范围从-55 到+125 增量值为 0.5可在 l s(典型值)内把温度变换成数字每一个 DSl820 包括一个唯一的 64 位长的序号该序号值存放在DSl820 内部的 ROM(只读存贮器)中开始 8 位是产品类型编码(DSl820 编码均为 10H)接着的 48 位是每个器件唯一的序号最后 8 位是前面 56 位的 CRC(循环冗余校验)码 DSl820 中还有用于贮存测得的温度值的两个 8 位存贮器 RAM 编号为 0 号和 1 号 1 号存贮器存放温度值的符号如果温度为负()则 1 号存贮器 8 位全为 1 否则全为 00 号存贮器用于存放温度值的补码 LSB(最低位)的 1 表示 0.5 将存贮器中的二进制数求补再转换成十进制数并除以 2 就得到被测温度值(-550125)DSl820 的引脚如图 226l 所示每只 D51820 都可以设置成两种供电方式即数据总线供电方式和外部供电方式采取数据总线供电方式可以节省一根导线但完成温度测量的时间较长采取外部供电方式则多用一根导线但测量速度较快温二 DSl820 工作过程DSl820 工作过程中的协议如下初始化 RoM 操作命令存储器操作命令处理数据1 初始化单总线上的所有处理均从初始化开始2ROM 操作品令总线主机检测到 DSl820 的存在便可以发出 ROM 操作命令之一这些命令如指令代码Read ROM(读 ROM)33HMatch ROM(匹配 ROM)55HSkip ROM(跳过 ROM CCHSearch ROM(搜索 ROM)F0HAlarm search(告警搜索)ECH3 存储器操作命令指令代码Write Scratchpad(写暂存存储器)4EHRead Scratchpad(读暂存存储器)BEHCopy Scratchpad(复制暂存存储器)48HConvert Temperature(温度变换)44HRecall EPROM(重新调出)B8HRead Power supply(读电源)B4H6.128646.12864 液晶屏介绍液晶屏介绍1.液晶显示模块概述RT12864M 汉字图形点阵液晶显示模块可显示汉字及图形内置8192 个中文汉字16X16 点阵128个字符8X16 点阵及64X256 点阵显示RAM GDRAM主要技术参数和显示特性:电源 VDD 3.3V+5V(内置升压电路无需负压)显示内容128 列 64 行显示颜色黄绿显示角度6 00 钟直视LCD 类型STN与MCU 接口8 位或4 位并行/3位串行配置LED 背光多种软件功能光标显示画面移位自定义字符睡眠模式等2.12864外形尺寸图（图五）图六3.12864 液晶屏引脚说明图七图七第四章硬件设计的电路分析第四章硬件设计的电路分析4.14.1 硬件设计总电路硬件设计总电路该电路是本次工程的整体原理图其中该原理图又可以细分为几个小的模块原理图。4.24.2 单片机小系统电路单片机小系统电路4.34.3 调整量程分压电路调整量程分压电路4.44.4 继电器选取量程电路继电器选取量程电路4.5 18B204.5 18B20 温度传感器及温度传感器及 1286412864 液晶屏串行接口电路液晶屏串行接口电路第五章：软件设计第五章：软件设计5.15.1 软件设计方案分析软件设计方案分析主要可以分为以下几个部分：1.主程序，主要是用来初始化并调用各个子程序；2.工作模式子程序，主要是实现各工作状态下的设计要求；3.按键中断子程序，主要是判断按键有没有按下和按下哪个键；4.显示子程序，用来显示；5.温度检测程序，用来检测温度。6.因为本系统采用动态扫描，有相应的延时程序，使数据显示稳定。程序设计框图主程序设计框图子程序设计框图5.25.2 本次设计的程序本次设计的程序void main()/主函数 init_int0()。/中断初始化 init_12864()。/12864 液晶显示初始化 display(1,3,电压表)。display(2,1,电压量程:5V)。display(4,1,当前电压：)。P1ASF=0 x00。/0000,0000,将 P1.0 置成模拟口 AUXR1&=0 x04。/0000,0100,令 ADRJ=0 ADC_CONTR|=0 x80。/1000,0000 打开 A/D 转换电源 while(1)ADC_result=ADC_Read(0)。/获取 AD 的值 dis_18b20()。/读取及显示温度值switch(x)/量程显示 X=0,1,2,3 分别代表显示的量程为 5v，50v，250v，500v；case 0:conversion(0 x9d,ADC_result*4.89)。break。/5V 量程显示 case 1:conversion1(0 x9d,ADC_result*4.889)。break。/50V 量程显示 case 2:conversion2(0 x9d,ADC_result*2.449)。break。/255V 量程显示 case 3:conversion2(0 x9d,ADC_result*4.889)。break。/500V 量程显示 void serv_int1()interrupt 2 /外部中断 2 用来调整数字电压表的量程if(INT1=0)delay(50)。x+。if(x=4)x=0。switch(x)case 0:display(2,7,5V)。P2=0X0E。break。/量程打到 5V 档 case 1:display(2,7,50V)。P2=0X0D。break。/量程打到 50V 档 case 2:display(2,7,250V)。P2=0X0B。break。/量程打到 250V 档 case 3:display(2,7,500V)。P2=0X07。break。/量程打到 500V 档 第六章调试第六章调试6.16.1硬件调试硬件调试调试过程可以利用对部分给定电压的测量结果分析来完成。首先要校对零点：将 A/D 转换器的模拟输入端口接地，即让电压为 0V 直至显示电压为 0V 时为止。校准零点之后，就可以进行调试了。模拟程序调试先编写一个简单无误的程序，写入 STC12C5A60S2 芯片，检查 12864 液晶屏是否可以正常显示，如果不能正常显示，则一一进行排查。如果能正常显示，则说明整体电路没有问题，可以进行软件调试。6.26.2 软件调试软件调试当硬件调试完毕后，可进行软件调试。首先编写程序，检查程序编写是否正确，当程序编写无误后再将程序写入STC12C5A60S2 芯片，观察电路有效果出来。如无法正常显示，可能是程序编写错误，继续改正。如果检查程序无误，但是结果显示还是不正确，则有可能是原件损坏或者 AD 转换器的相关电路出现问题。当软硬件都调试好并成功后就可以用可调精确并待有显示的电源进行电压校对，通过调整电阻来调整电压表的误差值。第七章第七章 心得体会与总结心得体会与总结通过这次的毕业设计，使我在关于电子方面的实际动手能力，及编写程序的能力有很大的提高，在元器件的布置、安装、焊接、调试等方面都有很大的进步。最重要的是锻炼了我的团队沟通能力，收集资料的能力以及让我深刻认识到团结力量。在这次毕业设计当中我主要负责程序的编写，调试及 PCB 板原理图的绘制，剩下的做板及焊接由本组其他成员此时，正是有了团队的分工合作才使得我我们组在这简短的时间内完成本次设计的各种任务。经过了一周的时间的努力后，我们组的实验终于成功了，看到了我们组的劳动有和丰收每个人都很是兴奋。第八章第八章 附件附件8.18.1 实物作品图实物作品图电压表正面显示效果电压表正面显示效果电路板正面图电路板正面图电路板背面电路板背面PCBPCB 板原理图板原理图第九章：参考文献第九章：参考文献1荀 殿 栋，徐 志 军 数 字 电 路 设 计 实 用 手 册 电 子 工 业 出 版 社2 梁廷贵积分式A/D 转换器-其它专用集成电路分册科学技术文献出版社3中 国 IT 培 训 工 程 编 委 会 Protel99电 路 设 计 培 训 班 珠 海 出 版 社4沙 占 友 新 型 数 字 电 压 表 原 理 与 应 用 机 械 工 业 出 版 社5 杨振江A/D、D/A 转换器接口技术与实用线路西安电子科技大学出版6李春法单片机原理及接口技术案例教程编著机械工业出版社 7吴金戌 沈庆阳 郭庭青8051 单片机实践与应用清华大学出版社柳州职业技术学院毕业设计（论文）成绩评定表课题名称学生姓名指导组教师姓名（职称）学号专业序评审工程号12345678评 分 标 准满分评分答辩指导教师评语：评阅人签名：答辩（评定）小组意见：毕业设计（论文）成绩：评定小组签名：