2022年电子设计竞赛设计报告 .pdf

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1、1 / 12 题目：数控电流源设计摘要本设计由两部分构成：自制的稳压、稳流、输出过压保护电路和单片机控制与显示系统。稳压电源部分设置有 12V 和 +5V 电压，为整机供电。采用大功率MOS 管作为电流源调整管、用锰铜丝自制取样电阻，具有良好的调控线性和稳定性。采用价格低廉的电脑CPU 专用散热器作为稳压电源模块和电流调整管的散热装置，散热效率高、性能可靠。控制核心采用内置12 位 A/D 、 D/A 转换器的高性能单片机C8051F021 ，电路简洁、控制精度高、电流控制与测量分辨率达0.5mA 。用带背光点阵式LCD 显示器同时显示设定电流和实测电流数据，直观、方便。给出了多种测试条件下的

2、实测数据，测试数据表明系统性能指标全面超越了题目的基本要求，除系统自测显示电流误差略大以外，其余发挥部分指标也已满足。另外，还增加了预置电流超限保护功能。详细说明了系统的结构和工作原理，给出了系统的硬件电路图、元器件参数列表和软件流程图，并附有系统操作说明书。Abstratct This design is consist of two major parts: The self-made constant voltage power supply and the control system which is consist of singlechip and LCD display. Th

3、e voltage-stabilized source which is the all machine power supply has 12V and +5V voltage. We Use the high-power MOSFET as the current regulation device, and use the manganese copper wire self-restraint as a sample resistance, and the system has good regulative linearity and stability. The design Us

4、es the price inexpensive computer CPU sink to take the voltage-stabilized source module and the electric current regulation device heat dissipating. The control system is made up of high performance singlechip C8051F021 which includes 12 A/D & D/A converter inside. The electric circuit is succinct a

5、nd the control precision is high, the controlling resolution of current is up to 0.5mA rate. The setting current and the actual current data are showedby the lattice type LCD display at the same time. Many kinds of test data are presented under the many kinds of tests condition. The test data indica

6、tes that the system performance has achieved the demand of design in an all-round way satisfied. In addition, we have set a protecting function of the ultra limit setup of the electric current. This paper is also present The system structure, the work principle, the system hardware circuit diagram,

7、the device parameter, the software flow chart, and the system operating manual in detail. 一、系统整体结构及方案论证 11 系统结构根据题目要求，要能够实现电流步进控制、显示设定电流和实测电流大小，并且输出最大电压小于等于10伏，系统的结构框图如图1 1。稳压电源单片机键 盘恒流控制显示器恒流源输出输出过压保护D/AA/D220V+5V+12V-图 1-1 系统结构框图整个系统由稳压电源、恒流控制、单片机、键盘、显示器及输出过压保护电压限制）等几部分组成。各部分作用如下1）稳压电源：向整个系统提高电源，包

8、括供运放使用的 12V 、供单片机使用的+5V ，其中恒流源主要功率部分）电压也由+12V 提供。2）恒流控制部分：是一受控电流源，由单片机提供控制指令电压，将12V 电源转换成恒定电流。精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 1 页，共 12 页2 / 12 3）单片机及键盘、显示部分：接受操作指令，控制并检测输出电流。4）输出过压保护部分：由于题目要求输出电压不大于10V ，当负载阻抗过大是需要将输出电压限制在10V 以内。精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 2 页，共 12 页

9、3 / 12 12 各部分设计方案选择1.2.1 稳压电源部分可选择的方案有线性稳压电源和开关稳压电源两种，但考虑到输出电流纹波要求很高，开关电源虽然效率很高但纹波较大，易对电流源部分造成干扰，影响整体性能指标，本设计采用线性稳压电源。不论选用何种方案,最终都要输出正、负12V 和正 5V 的电压的给系统供电。为了减小纹波电压和纹波电流,我们选择稳流前先稳压。方案一：采用三端固定式的集成稳压器78XX 系列，实现设计的要求。方案二：采用三端可调式的集成稳压器，一样可以达到设计的要求。方案三：采用三端固定集成稳压器78HXX和 78XX 系列混合设计。方案选择：因为系统需要正、负12V 和 5V

10、 的电压。正、负12V 给运放供电，+12V 同时还作为电流源主电源，最大电流达2.5A， 5V 给单片机系统供电。采用方案三最简单，但目前手头没有78HXX稳压器。方案一和方案二的+12V 电源均需扩流，才能达到要求，方案二达到的稳压精度最高，但电路较复杂。方案一相对简单，成本低、器件易购，因此我们最后选择方案一。1.2.2 恒流控制部分电流源的电流控制可采用大功率双极型三极管或MOS场效应管作为电流调整管。三极管价格较低，各种参数要求的三极管都容易买到，但三极管VCE较小时非线性大，放大性能不佳，大电流时饱和压降较高、基极要求的驱动电流较大。大功率MOS 管的导通电阻很小、热稳定性好具有正

11、温度系数），且输入阻抗高、饱和压降低、驱动电路简单，因此，本设计中采用了拆机的音频功率放大器专用大功率P 沟道 MOS 管 J118，参数：140V 8A 100W 。1.2.3单片机系统部分本部分对系统的性能影响很大，可供选择的单片机种类很多，大致分为两大类。一类是常规8051 系列外加A/D, D/A转换器，由于需外接A/D, D/A转换器，电路结构较复杂，且8 位的 A/D, D/A转换器的电流分辨率、总线接口、电压比较器、温度传感器等部件，比常规51 单片机有更多的定时计数器、中断、数字I O 接口。片内还配置了标准的JTAG 接口(IEEEll49.1 。在上位机软件的支持下，通过串

12、行的JTAC 接口可直接对安装在最终应用系统上的单片机进行非侵入式、不占用片内资源、全速在线系统的调试，无需另配编程器及仿真器，是目前功能最强大、性能价格比最好的单片机之一C8051F021 单片机内置12 位 A/D, D/A 转换器，分辨率可以达到4096 个等级，对于最大电流2000mA ，其最小步进可以达到0.5mA ，完全可以达到题目发挥部分的步进技术指标要求。1.2.4 数据显示部分显示器可供选择的方案有LED 数码管、 LCD 液晶数码管和点阵式LCD 显示屏三大类。其中，LED 数码管显示清晰度高，视角大，电路结构及控制简单，编程操作容易，但显示信息少，无法显示汉字和图形曲线。

13、LCD 数码管功耗低，但视角小，驱动比LED显示屏要麻烦一些，其余特性与 LED数码管基本相同。点阵式LCD 显示屏显示的信息量大，自带的显示驱动电路用并行口与单片机直接连接，可以显示任意字符、图形、曲线等。综上所述，我们选择了可显示六行汉字的带背光功能点阵式LCD 显示屏作为系统操作信息的输出窗口。1.2.5 键盘键盘设置方案有两种，一种是按键复用方式，采用的按键数量较少，但操作相对较为麻烦；另一种是使用单功能键方式，这种方式按键数量较多，但操作方便、直观。本系统设计中采用单功能键方案，为了使系统具有直接电流数据预置功能，设置数字键09 ，功能键有按步长加、减，确认、返回等。实际使用的键盘为

14、自制的4 4 矩阵扫描键盘。1.2.6 输出过压保护题目要求输出电压要小于等于10V，当电流源负载阻抗过大时，输出电压将超过规定值，为此设置过压保护电路。过压保护最简单的方式就是在输出端并联一个10V 的稳压管，但这种方案在电流源电流大、负载阻抗过高时，稳压管功耗很大例如：电流源2A ，负载开路），实现有困难。另一种方案是当输出电压达到10V 时限制电流调整管的电流，将输出电压限制在10V 以内，这种方案功耗较小，散热容易解决；在实际设计中我们选择后一种方案。二、电流源硬件电路及工作原理2.1 电流源硬件部分电流源主电路见图2-1，图中元器件参数见表2-1。电路包括稳压电源、稳流电源、单片机电

15、流控制及负载电流测量电路等。精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 3 页，共 12 页4 / 12 791278127805TP42CR1C1C2C3C4C7C8C5C6-12V+12V+5VC9C10C11R2RsRLJ11818V220vR3BDA/D D/A(单片机内置 12位)-12V+12VRpRtsR4C12R7C14R6F： TL082 双运放+-+-C13F-1F-2ACBR532156784G图 2-1 2.2 各部分工作原理及关键器件参数计算2.2.1 稳压电源部分变压器选择：由电源变压器降压、双全波整流电容滤波产生正

16、负直流电压VC1、VC5,要保证输出电压C3）稳定在12V ，整流滤波电压VC1应在 18V 左右，变压器副边电压Vi VC11.2 15V，实际选择 18V/1.8A 的变压器 说明：有些器件需要的参数无法及时买到，只能用相近的参数替代，下同）。 VC1181.222V 。滤波电容C1选择：正电压回路等效阻抗RE22V 2.5A9，要求滤波时间常数 C1 RE 30mS50mS，所以 C1取 4700F/35V 。分流电阻R1选取： +12V 电流最大达2.5A 左右 包括单片机部分），LM7812最大电流只有1.5A ，必须增加扩流三极管，R1的大小决定LM7812 与扩流三极管的电流分配

17、比例，为了保证稳压性能集成稳压块的电流不宜过大，400mA 左右为宜。因此，R1选 2/1W 的金属膜电阻。当 12V电流在300mA 以下时，扩流三极管基本截止，电流由集成稳压块提供，当电流超过400mA 时，超过部分电流全部由扩流三极管提供，扩流三极管选TP42C 。单片机 +5V 电源：单片机的整机电流在500mA 以内，为简化电路结构，+5V 电源直接由+12V 经 LM7805 稳压提供，因此+12V 电源的功率比较大。-12V 电源： -12V 电源主要是向运放供电，电流很小，用LM7912 即可，对参数无特殊要求，也无须加散热器。整个电源电路见图2-2 精选学习资料 - - -

18、- - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 4 页，共 12 页5 / 12 图 2-2 稳压电源部分电路图2.2.2 稳流控制与系统电流自测部分稳流电路由MOS 管 J118、运放 F 2 及相关元器件构成，电路如下图2-3，电流控制部分等效电路见图2-4。图中 Rs 为电流源负载电流取样电阻，采用温度稳定性好、能通过3A 的锰铜丝绕制，阻值0.25 。J118 为 P 沟道大功率MOS 管，电路中作为电流调整管，由于采用漏极输出结构共源极放大器），输出阻抗高，等效电流源内阻大，恒流特性好，加上由F2 和 J118构成电流串联负反馈放大器，使输出阻抗更高，负载电流更加

19、稳定。图 2-3 实际电流源电路精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 5 页，共 12 页6 / 12 D/A输出F2+-RsRLVoJ118+12V-12VRp图 2-4 电流控制部分等效电路电路的模拟输入电压是单片机D/A 转换器的输出电压，工作过程中，始终保持D/A 转换器的输出电压与Rs 两端电压成比例，因此改变D/A转换器的输出电压就可以调整Rs 电流 输出电流IO。调试时将单片机指令电流定在2000mARL=2），调整RP，使输出负载电流达到2000mA 即可。因此， RP称为负载电流校正电位器。系统电流自测电路：运放F 1

20、是一同相比例器，将电流取样电阻Rs 两端电压放大到符合A/D 转换器的要求。A/D 转换器输入电压满量程为2.45V，而电流源最大负载电流为2000mA ，因此， F 1 的电压放大倍数为：单独调试时将负载电流IO调到 2000mA ，使图2-3 中 D 点电压为2.45V ；最终联机校正时，将单片机的自测显示电流调整到与指令电流取2000mA 、 RL=2）相同即可。图 2-3 中 C11,C13 均有降低电流纹波的作用，R4，C12 可使放大器更加稳定，A、 B 两点为输出端接线柱。运放应选择失调电压小、稳定性好型号，实际制作中限于条件，只能采用通用双运放TL082 ，对电路的性能参数略有

21、影响，基本上可以达到发挥部分的指标要求。2.2.3 输出过电压保护电路输出过压保护电路如图2-5 所示。TL4319015R81K+12VABGRv50kC14图 2-5 输出过压保护电路电路核心器件是可编程集成稳压器TL431 ，图 2-5 中 G 点接图 2-1 中 J118栅极 9015 的 C E 与 MOS 管 G S 并联）， A 、 B 接输出端。工作原理是：当输出端电压VAB小于 10V 时， TL431 阴极无电流，9015 截止，电路正常工作J118 不受影响）；当输出电压VAB大于 10V 时， TL431 和9015 导通，使MOS 管 J118的 VGS绝对值减小，M

22、OS 管导通电流下降，从而起到限制输出电压的作用。2.2.4 功率器件的散热设计本系统功耗较大，例如：在输出电流设定为2000mA 、负载阻抗很小或短路的情况下，系统内部的总功耗将达50W 以上，如果系统散热问题处理得不好，电路难以稳定、可靠工作，甚至大面积烧毁器件。如果采用自然散热方式，则散热器面积必须很大，势必造成体积大、成本高，安装困难。在设计、制作中，我们选用了体积不大、价格低廉的电脑CPU 散热器 P4 专用，带风扇，耗散功率60W 以上），作为主散热器，将功耗较大的精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 6 页，共 12 页7

23、/ 12 扩流三极管TP42、电流源调整管J118 等主要功率器件安装在主散热器上，并涂抹导热硅脂。从调试情况来看，此种处理方法非常成功，即使是在负载短路、2000mA电流的情况下，长时间运行，散热器的温度也只有65左右，电路稳定性很好。2.2.4 单片机系统硬件电路单片机硬件电路非常简洁，电路连接及参数见图2-6，LCD 显示器接P0 和 P1 123456ABCD654321DCBATitleNumberRevisionSizeBDate:21-Sep-2005Sheet of File:桌 面mydesign.ddbDrawn By:TMS1TCK2TDI3TDO4RST5CP1-6CP

24、1+7CP0-8CP0+9AGND10AV+11VREF12AGND13AV+14VREFD15VREF016VREF117AIN0.018AIN0.119AIN0.220AIN0.321AIN0.422AIN0.523DAC1100DAC099P4.098P4.197P4.296P4.395494ALE/P4.593RD/P4.692WR/P4.791VDD90GND89A8/P5.088A9/P5.187A10/P5.286A11/P5.385A12/P5.484A13/P5.583A145682A155781A8m/A0/P6.080A9m/A1/P6.179A10m/A2/P6.276

25、A11m/A3/P6.378A12m/A4/P6.475A13m/A5/P6.575A14m/A6/P6.674A15m/A7/P6.773AD0/D0/P7.072AD1/D1/P7.171AD2/D2/P7.270AD3/D3/P7.369AD4/D4/P7.468AD5/D5/P7.567AD6/D6/P7.666AD7/D7/P7.765VDD64GND63P0.062P0.161P0.260P0.359P0.458ALE/P0.557RD/P0.656WR/P0.755AD0/D7/P3.054AD1/D1/P3.153AD2/D2/P3.252AD3/D3/P3.351AIN0.6

26、24AIN0.725XTAL126XTAL227AIN1.7/P1.7/A1529AIN1.6/P1.6/A1430AIN1.5/P1.5/A1331AIN1.4/P1.4/A1232AIN1.3/P1.3/A1133AIN1.2/P1.2/A103435AIN1.0/P1.0/A836VDD37CND38A15m/A7/P2.739A14m/A6/P2.640A13m/A5/P2.541A12m/A4/P2.442A11m/A3/P2.343A10m/A2/P2.244A9m/A1/P2.145A8m/A0/P2.046AD7/D7/P3.747AD6/D6/P3.648AD5/D5/P3.

27、549AD4/D4P3.450MONEN28C8051F020U1C8051F021123 456 7 89 10J1JTAGY122.1184C320pFC420pFR1100kR21kC5104Vin1ADJ2+Vout3U2LM1117C210uFC1100uF+5+5VCCVCCCP1-CP1+CP0-CP0+VREFINAIN0.0AIN0.1AIN0.2AIN0.3AIN0.4AIN0.5AIN0.6AIN0.7P1.7P1.6P1.5P1.4P1.3P1.2P1.1P1.0P2.7P2.5P2.6P2.4P2.3P2.2P2.1P2.0P3.7P3.6P3.5P3.4P3.3P3

28、.2P3.1P3.0P0.7P0.6P0.5P0.4P0.3P0.2P0.1P0.0DAC1DAC0AIN0.3AIN0.4AIN0.6CP0+CP1+DAC0VREFINP0.1P0.3P0.4P0.5AIN0.5AIN0.7CP0-CP1-DAC1P0.0P0.2P0.6AIN0.2AIN0.1AIN0.0P0.7P1.0P1.1P1.2P1.3P1.4P1.5P1.6P1.7AIN0.0AIN0.1AIN0.2AIN0.3AIN0.4AIN0.5AIN0.6AIN0.7CP0+CP0-CP1+CP1-DAC0DAC1VREFINP0.0P0.1P0.2P0.3P0.4P0.5P0.6P0

29、.7P1.0P1.1P1.2P1.3P1.4P1.5P1.6P1.7+5VGND+5P2.1P2.3P2.4P2.5P2.0P2.2P2.6P2.7P3.0P3.1P3.2P3.3P3.4P3.5P3.6P3.7P0.1P0.3P0.4P0.5P0.0P0.2P0.6P0.7P1.0P1.1P1.2P1.3P1.4P1.5P1.6P1.7P0.0P0.1P0.2P0.3P0.4P0.5P0.6P0.7P1.0P1.1P1.2P1.3P1.4P1.5P1.6P1.6ALERDWRRDALEWRALERDWR图 2-6 单片机硬件电路图表 2-1 电流源电路元器件参数表调试时个别器件更换过，参数有

30、出入）序号元器件编号参数备注1.BD 3A/400V 整流桥2.C1 4700UF/35 电解电容3.C2, C4, C6, C14 0.33UF/100V 薄膜电容4.C5 470UF/35V 电解电容5.C3, C7, C9 470UF16V 电解电容6.C7, C10, C8 0.1UF/100V 薄膜电容7.C11, C12 1UF/100V 薄膜电容8.C14 10UF/25V 电解电容9.C13 1000UF/16V 电解电容10.R1 2/1W金属膜电阻精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 7 页，共 12 页8 / 12

31、11.R2, R3, R6, R7 10K金属膜电阻，1/4W 12.R4, R5, R8 1K金属膜电阻 ,， 1/4W 13.Rs 0.25锰铜丝，自制14.RTS5K 精密电位器15.RP50K精密电位器16.RV50K精密电位器17.电源变压器18V/1.8A 实际使用是300W 环变18.F-1, F-2 TL082 双运放三、软件流程及按键设置本系统的运行直接由单片机C8051F021 控制，其软件系统包括主程序、定时器中断服务程序等，程序流程图分别见图3-1，图 3-2，图 3-3。3.1 主程序流程图：精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - -

32、- - - -第 8 页，共 12 页9 / 12 开始设置堆栈指针初始化 p0、p1、p2口初始化定时器 1和定时器 2，开中断显示开机界面有无按键按下？为数字键 09？设定电流值延时 2s，进入设定电流值界面为确认键？电流设定值 2.047A？显示出错界面延时5s显示测量界面BCD 二进制转换、标度转换、 D/A转换有无按键按下？为+、-键？对电流设定值进行步进加减并调整为返回键？清设定电流值清设定电流值为返回键？清设定电流值YNNNNNNNNYYYYY图 3-1 主程序流程图3. 2 中断服务子程序：精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - -

33、-第 9 页，共 12 页10 / 12 开始保护现场键盘扫描去除抖动有无按键按下？恢复现场中断返回置有键按下标志，读取键值清有键按下标志YN开始保护现场启动 A/D 转换A/D 转换结束 ？平均值滤波恢复现场中断返回读取转换结果标度转换 ， 二进制BCD 转换， 电流实际值存内存单元NY图 3-2 定时器 1 中断服务子程序图3-3 定时器 2 中断服务子程序3.3 按键设置及系统操作说明3.3.1 按键布局及功能定义系统共设计16 个按键，为44 矩阵扫描键盘，实际使用14 个健，预留了2 个按键，键盘布局见图3-4。各按键定义如下：数字键 0 9：用于直接输入电流值，单位mA。确定键：设

34、定完电流值后按确定键，电路立即将输出电流调整到新的设定值。返回键：返回上一级菜单，等待新的输入电流数据，此时输出电流维持不变。“+/ -” 键：实现步进1 mA 的 “ 增 ” 或“ 减” ，长按 超过 1 秒）以每秒5 次连续增减。图 3-4 3.3.2 系统操作说明书精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 10 页，共 12 页11 / 12 打开电源开关后，液晶显示屏首先显示开机界面图 3-5），然后自动进入设定界面图 36）。这时可通过键盘输入欲设定的电流值。如果设定的电流值超过2047 mA，将显示输入数据无效，如图3-7， 2

35、秒后返回设定界面；如果输入值小于等于2047mA ，则进入图3-8 正常工作界面，此时系统将输出设定的电流值。四、测试结果及数据分析4.1 测试数据记录实际测试时测试了不同负载阻抗、不同设定电流条件下的负载实际电流并记录了相应的系统自测电流，测试了几种情况下的纹波电压，列表如下：表 6-1 电流测试：电阻RL=1电流设定值 /mA 系统自测显示值/mA 万用表实测值/mA 10 12 9 20 23 20 50 55 50 100 108 101 200 214 201 500 517 502 1000 1022 1002 1500 1530 1501 2000 2000 1999 注：系统自

36、测显示值即经单片机A/D 转换、在LCD 显示屏显示的数据。万用表实测值即人工测量结果，测量万用表型号：DT890B+ 数字万用表下同）。由于万用表可能存在误差，用不同万用表测试前应进行参数校准，方法是电流设定在2000mA 、负载 2、调整 RP使万用表电流读数为2000mA ，调整 RTS使 LCD 显示屏系统自测值为2000mA 。表 6-2 电流测试： RL =2电流设定值 /mA 系统自测显示值/mA 万用表实测值/mA 10 12 9 20 23 20 50 56 50 图 3-7 无效出错界面图 3 6 设定界面图 3-5 开机界面“无效值！1I2000mA 请重新输入”设定电流

37、值 0000mA 设定值 *mA 实测值 *mA 全国大学生电子设计竞赛数控电流源图 3-8 正常工作界面精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 11 页，共 12 页12 / 12 100 109 101 200 214 202 500 518 503 1000 1023 1003 1500 1531 1501 2000 2000 2000 表 6-3 电流测试：电阻RL=4电流设定值 /mA 系统自测显示值/mA 万用表实测值/mA 10 12 9 20 23 20 50 54 50 100 108 101 200 213 202 50

38、0 515 503 1000 1023 1003 1500 1532 1502 2000 2001 2001 表 6-4 交流纹波测试，测量万用表型号：DT890B+ 数字万用表交流2V 档。电流设定值/mA 纹波电压mV RL=2 ）纹波电压mV RL=4 ）20 3 4 500 3 4 2000 4 9 4.2 测试结果分析从测试的数据来看,系统的性能基本与我们的期望值相符。但系统自测电流非线性误差较大，而且显示数据有一定的波动范围，尤其是小的流情况下相对误差较大；纹波电流也偏大。造成这些现象，我们认为主要的原因有：1.运放的失调电压的影响，如果增加失调电压补偿电路或采用高精度运放可以解决

39、小电流下相对误差较大的问题。2.自测数据波动问题主要是因电路布局问题造成干扰比较大，虽然软件中采取了一定措施，但仍不能彻底解决，必须从电路结构入手。3.自测数据非线性问题可能是由于单片机内置A/D 转换器质量问题造成的，因为用数字万用表测量A/D 转换器的模拟输入信号非线性误差并不大。4.纹波电流与期望值相比略偏高，由于我们所拥有的测量仪器所限，没有找到交流毫伏表，数字万用表2V 档测量交流毫伏级电压误差肯定会比较大。5.双运放 TL082 的性能指标不高，是导致相对误差较大的重要原因之一。6.我们测量采用的数字万用表DT890B+ ）本身精度不高，导致测量的数据出现误差也在所难免。精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 12 页，共 12 页