基于MCS51的电子时钟设计

镇 江 高 专

ZHENJIANG COLLEGE

课 程 设 计 (论 文)

基于MCS51的电子时钟设计

Electronic clock design based on MCS51

院 名： 装备制造学院 专业班级： 机电D142 学生姓名： 王伟 学 号： 指导教师姓名： 冷承业 指导教师职称： 副教授

2015 年 12月

II

摘要

本设计是一个以单片机ATC52为核心部件，以LM016L为液晶屏的电子钟，本时钟可以在液晶屏上显示时间和字符，并可任意调整时间、日期、星期、闹钟，而且可以直观的显示所处环境的温度，系统具有简单清晰的操作界面，能在4V-7V直流电源下正常工作。与传统机械表相比，它具有走时精确,显示直观等特点。它的计时周期为24小时，另外具有校时功能。

关键词：单片机ATC52，电子时钟，液晶显示，温度传感器DS18B20

摘要

Abstract

This design is a microcontroller ATC52 as the core component to LM016L as the LCD screen of the electronic clock this clock can be displayed on the LCD screen time and character and can adjust the time, date, week, alarm clock, and can be intuitive display of the environment temperature, the system has a simple and clear interface, can work under 4V-7V DC power.

Compared with the traditional mechanical watch, it has the time to go, the display is intuitive and so on. Its time period is 24 hours, and has the function of the school.

Keywords：Single chip microcomputer ATC51, electronic clock, liquid crystal display, temperature sensor DS18B20

I

目录

目录

摘要 ...................................................... I Abstract .................................................. I 第一章 绪论 .............................................. 3

1.1

课题概述 .......................................................................................................................... 3

1.1.1 设计背景 .............................................................................................................. 3 1.1.2课程研究的目的及意义 ............................................................................................. 3 1.2国内研究现状 ........................................................................................................................ 3 1.3课题主要研究内容 ................................................................................................................ 4

第二章 方案设计 .......................................... 5

2.1 电子时钟 ............................................................................................................................. 5 2.2 常见设计方法 ....................................................................................................................... 5 2.3 对比选择 ............................................................................................................................. 6

第三章 系统的硬件电路设计 ............................... 7

3.1 产品介绍 ............................................................................................................................... 7 3.2 主控制模块 ......................................................................................................................... 7 3.3显示模块 ................................................................................................................................ 8

3.3.1显示模块的数据连接 ................................................................................................. 8 3.4时钟模块 ................................................................................................................................ 8 3.5 温度模块 ............................................................................................................................... 9 3.6 电源转换模块 ................................................................................................................... 10

第四章 系统分析 ........................................ 11

4.1时钟程序的设计 .................................................................................................................. 11 4.2 DS18B20芯片程序设计 .................................................................................................. 11 4.3 液晶程序的设计 ............................................................................................................... 12

第五章 测试与结果分析 .................................. 14

5.1硬件测试 .............................................................................................................................. 14 5.2软件测试 .............................................................................................................................. 15

结论 ..................................................... 16 参考文献 ................................................. 17 致 谢 ................................................... 19

II

结论

第一章 绪论

1.1 课题概述

1.1.1 设计背景

由于单片机技术的不断发展，其控制系统已能够取代复杂电子线路或数字电路构成的控制系统，单片机主要以软件编程来实现电子线路的外围控制，并能够实现智能化。单片机具有集成度高、处理功能强、可靠性高、性能稳定等优点，在工业控制、智能仪器仪表、办公自动化、家用电器等诸多领域得到广泛的普及和应用。

电子钟是一种利用数字电路来显示秒、分、时的计时装置，与传统的机械钟相比，它具有走时准确、显示直观、无机械传动装置等优点，因而得到广泛应用。随着人们生活环境的不断改善和美化，在许多场合可以看到数字电子钟。在城市的主要营业场所、车站、码头等公共场所使用LCD数字电子钟已经成为一种时尚。 1.1.2课程研究的目的及意义

电子时钟的用途十分广泛，只要有计时的存在，便要用到数字时钟的原理及结构；同时

在日期中，它以其小巧，价格低廉，走时精度高，使用方便，功能多，便于集成化而受广大消费者的喜爱。随着人类科技文明的发展，人们对于时钟的要求在不断提高。时钟已不仅仅被看出一种用来显示时间的工具，在很多实际应用中它还需要能够实现更多其它的功能。高精度、多功能、小体积、低功耗，是现代时钟发展的趋势。在这种趋势下，时钟的数字化、多功能化已经成为现在时钟生产研究的主导设计方向。但目前市场上各式各样的LCD数字电子钟大多数用全硬件电路实现，电路结构复杂，功率损耗大等缺点，因此有必要对数字电子钟进行改进

1.2国内研究现状

目前我国市场上有多种单片机数字时钟产品，各具特点，但就功能和效果上还不能尽如人意，主要有以下几类情况： 基于8031单片机控制的数字时钟。它是INTER公司的早期产品，其不足在于片内不带程序存储器ROM，使用时用户需外接程序存储器和一片逻辑电路373，外接的程序存储器多为EPROM的27系列。用户若想对写入到EPROM的程序进行修改，必须先用一种特殊的紫外线灯将其照射擦除，之后再可写入。写入到程序存储器的程序代码没有什么保密性可言。基于8051单片机的中断服务来实现控制的数字时钟。这种方式一方面需要采用计数器，其不足在于占用大量硬件资源，另一方面需要设计中断、查询等，

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结论

同样耗费单片机的资源。而且某些测控系统可能不允许；有的则使用并行接口的时钟芯片，如MC146818、DS1287等，他们虽然能满足单片机系统对实时时钟的要求，但是这些芯片与单片机接口复杂，占用地址、数据总线多，芯片体积大，占用空间多，给其设计带来诸多不便。

1.3课题主要研究内容

设计完成多功能数字时钟的设计。基本功能是时钟显示，能准确显示“时”、“分”、“秒”，并具有快速校准时、分、秒的功能。时钟显示同时具有闹钟功能。扩展功能具有实时温度显示，星期调整，年、月、日校准。

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结论

第二章 方案设计

2.1 电子时钟

电子时钟是一种利用数字电路来显示秒、分、时的计时装置，只要有计时的存

在，便要用到数字时钟的原理及结构。另外电子时钟也可以做到显示年份、日期、闹钟等功能。

电子时钟的主要部件有：单片机ATC52，液晶显示LM016L，温度传感器DS18B20

调整时钟时间是利用了单片机的输入功能，把按键开关作为单片机的输入信号，通过检测被按下的按键，从而执行赋予该开关调整时间功能，最终在液晶显示器上显示出来。

2.2 常见设计方法

基于微机系统的数字时钟设计：

计时单元由定时/计数器8253的通道0来实现。定时釆用硬件计数和软件技术[2-4]式，即通过8253产生一定的定时时间，然后再利用软件进行计数，从而实现24小时制定时。8253定时时间到了之后产生中断信号，8253在中断服务程序中实现时、分、秒的累加。时间显示采用实验平台上的6个LED数码管分别显示时、分、秒，采用动态扫描方式实现。

校时和闹铃定时通过键盘电路和单脉冲产生单元来输入。按键包括校时键、闹钟定时键、加1键和减1键等。

报警声响用蜂鸣器产生，将蜂鸣器接到8255的一个端口，通过输出电平的高低来控制蜂鸣器的发声。

系统硬件设计主要利用微机实验平台上的电路模块。硬件电路主要由键盘电路、单脉冲产生单元、8253定时计数器、8255并行接口单元、8259中断控制器、LED显示电路和蜂鸣器电路等等。

基于VHDL语言的数字时钟设计：

基于VHDL语言，用Top Down的思想进行设计。

用CN6无进位六进制计数器选择数码管的亮、灭以及对应的数，循环扫描显示， 用SEL61六选一选择器选择给定的信号输出对应的数送到七段码译码器。K4模块进行复位，设置小时和分，输出整点报时信号和时，分，秒信号。

单元模块设计部分共分三个部分，介绍数字钟选择显示数码管和对应的数模块CN6，信号选择模块SEL61，七段码译码器模块DISP和复位，秒，分，时显示，

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结论

设置模块。

基于单片机的数字时钟设计：

基于单片机的数字时钟设计是模块化设计，以单片机做主控制模块，控制时钟芯片、温度传感器芯片等，又将数据控制输出到显示模块。

目前单片机渗透到我们生活的各个领域，几乎很难找到哪个领域没有单片机的踪迹。导弹的导航装置，飞机上各种仪表的控制，计算机的网络通讯与数据传输，工业自动化过程的实时控制和数据处理，广泛使用的各种智能IC卡，录像机、摄像机，以及程控玩具、电子宠物等等，这些都离不开单片机。更不用说自动控制领域的机器人、智能仪表、医疗器械了。因此，单片机的学习、开发与应用将造就一批计算机应用与智能化控制的科学家、工程师。单片机在多功能数字钟中的应用己是非常普遍的，人们对数字钟的功能及工作顺序都非常熟悉。但是却很少知道它的内部结构以及工作原理。由单片机作为数字钟的核心控制器，可以通过它的时钟信号 进行时实现计时功能，将其时间数据经单片机输出，利用显示器显示出来。通过键盘可以进行定时、校时功能。输出设备显示器可以用液晶显示技术和数码管显示技术。

2.3 对比选择

本文选择的是基于系列的单片机先进的数字时钟设计，能够准确显示时间（显示格式为时时：分分：秒秒，24小时制），可随时进行时间调整，具有闹铃时间设置、闹钟开/关、止铃功能，能够对时钟所在的环境进行测量并显示。具有读取方便、显示直观、功能多样、电路简洁、成本低廉等诸多优点，符合电子仪器仪表的发展趋势，具有广阔的市场前景。

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结论

第三章 系统的硬件电路设计

3.1 产品介绍

该时钟系统主要由主控制模块、时钟模块、环境温度检测模块、液晶显示模块以及键盘控制模块组成。系统的硬件电路设计框图如图1-1所示。

时钟模块 主 控 制 模 块 液晶显示 模块 按键控制模块 环境温度 检测模块 图1-1 多功能数字时钟框图

3.2 主控制模块

在本次设计中釆用单片机技术来实现数字钟的功能。微处理器的选择：ATC52。 C52是一种带4K字节闪烁可编程可擦除只读存储器（FPEROM—Flash Programmable and Erasable Read Only Memory ）的低电压，髙性能CMOS8位微处理器，俗称单片机。C2052是一种带2K字节闪烁可编程可擦除只读存储器的单片机。单片机的可擦除只读存储器可以反复擦除100次。该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的 MCS-51指令集和输出管脚相兼容。由于将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中，ATMEL的C52是一种高效微控制器。C单片机为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。

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结论

3.3显示模块

随着科技的发展，液晶显示的使用越来越方便，已被普遍的使用，所以本次设计采用液晶显示。液晶显示的原理是利用液晶的物理特性，通过电压对其显示区域进行控制，有电就有显示，这样即可以显示出图形。液晶显示器具有厚度薄、适用于大规模集成电路直接驱动、易于实现全彩色显示的特点，目前已经被广泛应用在便携式电脑、数字摄像机、PDA移动通信工具等众多领域。

由于液晶显示与驱动都集成在一个芯片上，因此使用起来很方便。数字钟要显示现在的日历时间包括年、月、日、星期、时、分、秒，在这里采用LM016L液晶显示。

3.3.1显示模块的数据连接

LM016L的D0—D7的八位数据线分别接单片机ATC52的P2.0—P2.7，RS复位键端接P1.0，

EN使能端接P1.2，R/W读写信号端接P1.1。数据连接如图3-3所示。

图3-3 显示模块的数据连接

3.4时钟模块

单片机控制时钟模块，定时时间，它通常有两种实现方法：一是用软件实现，即用单片机内部的可编程定时/计数器来实现，但误差很大，主要用在对时间精度要求不高的场合；二是用专门的时钟芯片实现，在对时间精度要求很高的情况下，通常采用这种方法，典型的时钟芯片有：DS1302，DS12887，X1203等都可以满足高精度的要求。本次设计采用DS1302芯片。

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结论

图如3-4所示

图3-4 时钟模块

3.5 温度模块

多功能数字时钟拥有实时温度显示功能，由单片机将温度传感器数据控制输出由液晶显示。本次设计釆用温度传感器是DS18B20。

独特的一线接口，只需要一条口线通信多点能力，简化了分布式温度传感应用，无需外部元件可用数据总线供电。电压范围为3.0 V至5.5 V，无需备用电源。测量温度范围为-55℃至+125℃。

图如3-5所示

图3-5 温度模块

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结论

3.6 电源转换模块

日常用到的都是220V的交流电源，所以需要用变压器将其转换为线路设计中所用到的直流电源。此转换后的直流电源为+12V而线路设计中许多芯片所用到的电压为+5V因此，还需有12V到5V的转换电路。转换图如图3-6所示。

图3-6 电源转换模块

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结论

第四章 系统分析

4.1时钟程序的设计

因为使用了时钟芯片DS1302，阳历程序只需要从DS1302各寄存器中读出年、 周、

月、日、小时、分、秒等数据，再处理既可。对其进行初始化，然后从DS1302 中读出数据，再经过处理后，送给显示缓存单元。时钟程序流程图如图4-1所示。

读出的数据都为BCD码，送显示模块 从DS3102中读出年、 周、月、日、小时、 分、秒 DS1302开始振荡 初始化DS1302 开始 图4-1 时钟程序流程图

4.2 DS18B20芯片程序设计

系统程序的设计主要包括C程序主函数、DS18B20复位函数、DS18B20写字节函数、DS18B20读字节函数、温度计算转换函数和显示函数等，系统主程序设计流程图如图4-2所示。

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结论

开始 初始显示 读取温度值、发温度转换命令 读出温度值计算、处理，送显示模块 图4-2 DS18B20芯片程序流程图

4.3 液晶程序的设计

时钟需显示时间、温度。以上两个模块都需将数值送显示模块。 液晶的一般初始化过程： 延时15ms

写指令38H（不检测忙信号） 延时5ms

写指令38H (不检测忙信号） 延时5ms

写指令38H(不检测忙信号）

以后每次写指令、读/写数据操作均需要检测忙信号 写指令38H：显示模式设置 写指令08H：显示关闭 写指令01H：显示清屏

写指令06H：显示光标移动设置 写指令0CH：显示开及光标设置 START:

MOV SP,#70H MOV R2,#20

ACALL INIT_LCD 初始化液晶 MOV R5,#00H

MOV IN_0,#84H 写入显示起始地址（第一行第五个位置

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结论

ACALL ENABLE

MOV TH0,#3fH 50MS MOV TL0,#0b0H MOV TMOD,#01H ACALL SJCZ START1:

SETB EA SETB ET0 SETB TR0 LCALL WDATA AJMP START1

;*****时间初值******* SJCZ: MOV 40H,#8 MOV 41H,#0 MOV 42H,#10 MOV 43H,#8 MOV 44H,#0 MOV 45H,#10 MOV 46H,#8 MOV 47H,#0 RET

显示初值是08:08:08 13

结论

第五章 测试与结果分析

5.1硬件测试

该数字钟的电路系统较大，庞大的电路系统中只要出于一处的错误，则会对检测造成很大的不便，而且电路的交线较多，对于各种锋利的引脚要注意处理，否则会刺破带有封皮的导线，使电路造成短路现象，另外，买来的元器件要先进行检测，如果有坏的器件要进行更换，还有就是要注意元器件的正确放置与安装以及布线的合理，便于成品电路的检测。

刚开始最面包板的测试如图5-1所示

图5-1 面包板测试

在本数字钟的设计调试中遇到了很多的问题。回想这些问题只要认真思考很多都是可以避免的，以下为主要的问题：

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结论

LCD液晶显示屏显示部分，显示不亮。 解决：主要问题为接线时没有将液晶显示器的接地线接好，最终接好也就亮了。如图5-1-2所示

图5-1-2 液晶屏显示

5.2软件测试

数字钟的功能虽然比较少，但是程序也较为复杂，特别对于初学者的我来说更是如此，所以在编写程序和调试时出现了相对较多的问题。最后经过多次的模块子程序的修改，一步一步的完成， 最终解决了软件。在软件的调试过程中主要遇到的问题如下：

（1）烧入程序后，LCD液晶显示屏显示亮度不好

解决：一边旋转10K的滑动变阻器，一边观看LCD显示屏，知道看到合适的亮度为止。

按键功能：按S1调节时间 再按一次调节分钟 再按一次调节时 依次再按下去分别是

星期 日 月 年。S2键为

加 S3为减 最后再按一次S1 时间重新开始走动，S4为闹钟按键，按下S4 再按S3为闹钟开启和关闭，闹钟响起时间为一分钟。如图5-2所示

图5-2 按键功能

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结论

结论

本设计能够准确显示时间（显示格式为时时：分分：秒秒，24小时制），可随时进行时间调整，具有闹钟时间设置、闹钟开/关、止闹功能，能够对时钟所在的环境温度进行测量并显示。设计以硬件软件化为指导思想，充分发挥单片机功能，大部分功能通过软件编程来实现，电路简单明了，系统稳定性高。

基于单片机的数字时钟系统具有显示准确、直观、易于调整等特点，单片机所被占用的I/O 口不多，因此系统具有一定的可扩展性。电子时代已经到来。新时代的我们，更应该提高自身能力，适应新时代的发展。知识来自实践，多去生活中探询所需要的。对于上述所提到的研究课题，我们应尽量考虑到人的因素，增强时钟的实用性和操作性，为使用者提供切实的方便，营造一种舒适的生活氛围。所以，在设计的时候，应该从多方面、多角度去考虑问题，而且应该进一步提高时钟的质量。

心得体会：

整个系统研制与优化设计是个工作量很大的过程，从中我学习到了很多理论知识，得到了很多珍贵的实践经验。有很多收获，也经历了不少困难，写一些心得和体会，希望与大家分享：

(1)由于整个系统涉及到强电、模拟电路、数字电路、硬件设计及软件编程等方面的知识，是一个自动化知识综合应用的系统，需要大量的理论知识，所以，在理论学习阶段，要打下坚实的基础，这样就可以少走弯路；

(2)在硬件设计和制作的过程中，要细心认真，态度端正，尽量减小硬件电路中的干扰和误差；

(3)在软件编程过程中，要多思考一下程序设计的方法，发现问题要深入分析问题，不要急躁，要冷静思考;养成注释程序语句的习惯，对长而复杂的程序设计很有必要；

(4)调试的结果也许不如想象中那么完美，因为理论和实践会有这样或那样的差别。这就需要进一步完善，不能一蹴而就，面对出现的问题要再接再厉，努力做到更好，培养钻研科学技术的热忱。

展望：

数字钟控制系统取得了阶段性的成功，但仍有待进一步去完善与改进。由于我水平有限及时间仓促，还有许多工作没有完成，我认为，今后可从以下几方面对系统进行改进：

(1) 基于单片机的数字时钟系统具有显示准确、直观、易于调整等特点，单片机所被占用的I/O 口不多，因此系统具有一定的可扩展性；

(2) 应尽量考虑到人的因素，增强时钟的实用性和操作性，为使用者提供切实的方便，营造一种舒适的生活氛围；

(3) 应从多方面、多角度去考虑问题，而且应该进一步提高时钟的质量；

(4) 此次设计完成后的实验工作因为条件有限，不能做出实物，后续工作条件成熟后可以考虑实地实验；

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参考文献

参考文献

[1]赵卫东,柳先辉,卫刚. CAD软件二次开发平台实现技术[J]. 计算机辅助设计与图形学学报,2003,04:512-516.

[2]叶修梓,彭维,唐荣锡. 国际CAD产业的发展历史回顾与几点经验教训[J]. 计算机辅助设计与图形学学报,2003,10:1185-1193.

[3]彭维 ,叶修梓 ,陈志杨. 国际CAD产业格局与新兴的CAD技术公司[J]. 计算机辅助设计与图形学学报,2003,10:1200-1206.

[4]关振群,顾元宪,张洪武,李云鹏,赵国忠,亢战,邢伯晨. 三维CAD/CAE一体化的参数化动态有限元建模[J]. 计算机集成制造系统-CIMS,2003,12:1112-1119. [5]李德群,肖祥芷. 模具CAD/CAE/CAM的发展概况及趋势[J]. 模具工业,2005,07:9-12.

[6]艾斌,杨洪兴,沈辉,廖显伯. 风光互补发电系统的优化设计(I) CAD设计方法[J]. 太阳能学报,2003,04:0-7.

[7]刘检华,姚珺,宁汝新. CAD系统与虚拟装配系统间的信息集成技术研究[J]. 计算机集成制造系统,2005,01:44-47+67.

[8]戴磊. 基于CAD/CAE集成技术的开放式参数化结构形状优化设计平台[D].大连理工大学,2008.

[9]LCD1602Datasheet www.21IC.com

[10]DS1302Datasheet.DALLAS Semiconductor，2004:1173～1179 [11]DS18B20Datasheet.DALLAS Semiconductor，2004: 73～79

[12]李光飞.单片机C程序设计实例指导[M]. 北京：北京航空航天大学出版社，2005:197～199

[13]楼燃苗，李光飞.51系列单片机设计实例[M]. 北京：北京航空航天大学出版社，2003:197～199

[14]马忠梅.单片机的C语言应用程序设计[M]. 北京：北京航空航天大学出版社，1999:197～199

[15]赖麒文.8051单片机C语言应用[M]. 北京：科学出版社，2002:197～199 [16]刘建英.基于单片机的时钟设计[J].内蒙古石油化工，2005(1):61～62

[17]余永权.ATMEL系列单片机应用技术[M].北京：北京航空航天大学出版社，2002:105～107

[18]李广弟.单片机基础[M]. 北京：北京航空航天大学出版社，2001:40

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参考文献

[19]郁有文，常键，程继红.传感器原理及工程应用[M].西安:西安电子科技大学出版社，2008(7):52～53

[20]张韵华.符号计数系统Mathematica教程[M].北京：科学出版社，2001:116～117

[21]张国营，陈缔缨.传感器实验指导书[M].徐州：中国矿业大学物理实验中心，2008:～66

[22]张桦，王玉民.单片机应用技术[M].高等教育出版社，2006:197～199

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参考文献

致 谢

首先感谢我尊敬的指导教师冷承业老师，本论文是在他的悉心指导和关怀下完成的。在这学习的一学期里，冷老师严谨的治学态度、渊博的专业知识以及忘我的工作热情对我的一生都有着非常深远的影响，激励我不断努力学习和工作，向着更高的人生目标奋斗！冷老师在学术上给予我很多指导和帮助，为我们创造良好的学习氛围，正是在这种环境下我才能够顺利完成论文。此外，读书期间，使我们受益的不仅仅是冷老师广博的知识，丰富的经验，更为重要的是冷老师在为人，为师，以及科研中的态度。在为人方面，我懂得了做人要积极乐观，正直，乐于助人；为师方面，要不遗余力、无私奉献；科研中，要严谨认真、脚踏实地、勤于动脑、勤于动手。这些在以后的工作和生活中将是我所要努力做到的。

在论文撰写期间，我要感谢许多让我分享他们宝贵经验和知识的老师及同学。他们为我论文的完成提出了许多宝贵建议及真知灼见。与此同时，我还要感谢帮助过我的所有人，他们给我提出了许多宝贵的意见，激发了我写作的灵感。在此表示最深的谢意。

最后，对评审论文的各位专家、学者表示衷心的感谢!

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