2011年江西省电子设计大赛自选赛
学 校: 学生姓名: 赛题名称:设计报告
南昌航空大学 周美元 曹智凤 刘冰汉 车载正弦波逆变电源
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车载正弦波逆变电源
摘要:本车载正弦波逆变电流的设计,以DC12±3V作为输入,输出220V/50HZ的标准正弦波交流电。该电路由四大模块组成,一为功率主板,实现由低电压到高电压、直流到交流电,由CMOS场效应管构成的H桥为主的电压转换部分(主电路部分);二为PWM驱动部分,由TDS2285芯片产生PWM波,由TLP250四个级联构成H桥的驱动;三为DC/DC升压部分,由SG3525芯片产生PWM波,控制DC到高压的转换;四为主板保护电路部分,该系统具有输出过载,短路保护,过流保护,空载保护等多重保护电路,增强了该电源的可靠和安全性。该电源很好的完成了各项指标,满载输出功率50W,效率不小于80%,输出电压波形失真度低于5%,输出标准的正弦信号。 关键词:逆变电源,DC-DC,SPCW
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目录
1.系统设计 ---------------------------------------------------------------5 1.1 设计要求------------------------------------------------------------5 1.2 总体设计方案--------------------------------------------------------5
1.2.1 设计思路--------------------------------------------------------5 1.2.2 方案论证与比较--------------------------------------------------5 1.2.3 系统组成--------------------------------------------------------6 2.主要单元硬件电路设计----------------------------------------------------6 2.1 DC/DC升压模块-------------------------------------------------------7
2.1.1 开关板设计-------------------------------------------------------7 2.1.2 PWM固定频率的产生------------------------------------------------8 2.1.3 增加驱动---------------------------------------------------------10 2.2 PWM驱动模块---------------------------------------------------------10
2.2.1 TDS2285产生PWN波-----------------------------------------------10 2.2.2 死区电路的设计--------------------------------------------------12 2.2.3 H桥驱动电路设计-------------------------------------------------12 2.2.4 产生H桥驱动电源------------------------------------------------13 2.3 功率主板模块---------------------------------------------------------13
2.3.1 电瓶电压滤波----------------------------------------------------13 2.3.2 脉冲升压、滤波--------------------------------------------------13 2.3.3 单相桥式PWM逆变电路--------------------------------------------13 2.3.4 整流滤波,输出正弦----------------------------------------------13 2.4 保护电路模块---------------------------------------------------------14 2.4.1 过载保护电路----------------------------------------------------14
2.4.2 短路保护电路----------------------------------------------------15 3.系统调试----------------------------------------------------------------16 3.1 测试使用的仪器------------------------------------------------------16 3.2 指标测试和测试结果--------------------------------------------------16 3.3 结果分析------------------------------------------------------------18 结论----------------------------------------------------------------------19 参考文献------------------------------------------------------------------19
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附录 1 元件清单-----------------------------------------------------------20 附录 2 电路原理图及印制板-------------------------------------------------23
附录3 使用说明--------------------------------------------------27
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1.系统设计
1.1 设计要求
制作车载正弦波逆变电源,输入DC12±3V直流,输出220V/50HZ的正弦波,满载时输出功率50W,效率不小于80%,输出波形失真度小于5%,具有输入过压和欠压,输出过流和负载短路保护等功能。
1.2 总体设计方案
1.2.1 设计思路
题目要求设计一个车载正弦波逆变电源,输出电压波形为正弦波。设计中主电路采用电器隔离、H桥逆变技术,控制部分采用SPWM(正弦脉冲调制)技术,利用逆变元件电力MOSFET的驱动脉冲调制,使输出获得交流正弦波的稳压电源。 1.2.2 方案论证与比较 1.DC-DC实现变换器的方案论证与选择
方案一:推挽式DC-DC变换器。推挽电路是两个不同极性晶体管输出电路无输出电压器(有OTL,OCL等)。是两个参数相同的功率BJT管或MOSFET管,以推挽方式存在于电路中,各负责正负半周的波形放大任务。电路工作中,两只对称的功率开关管每次只有一个导通,所以导通损耗小,功率高。推挽输出级既可向负载灌电流,也可从负载抽取电流。
方案二:Boost升压式DC-DC变换器。拓扑结构如图1.2.2所示。开关的开通和关闭受外部PWM信号控制,电感L将交替地存储和释放能量,电感储能后使电压上升,而电容C可将输出电压保持平稳,通过改变PWM控制信号的占空比可以相应实现输出电压的变化。该电路采取直接直流升压,电路结构较简单,损耗较小,效率比较高。
方案比较:方案一和方案二都适用于升压电路,推挽式DC-DC变换器可由高频变压器将电压升至任何值。Boost升压式DC-DC变换器不使用高电频变压器,由12V升至312V,PWM信号的占空比比较低,会使得Boost升压式DC-DC变换器的损耗比较大。综上所述,采用方案一。 2.辅助电源的方案论证与选择
方案一:采用线性稳压器LS7805。 方案二:采用Buck降压式DC-DC变换器。 方案比较:方案一的优点在于可以使用很少
.`元器件构成辅助电源,但是效率较低。方案二的优点在于效率高达90%,缺点
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是需要很多元器件,使得成本较高稳定性较差。考虑此次设计不是产品,在满足要求的情况下选择最优方案,最终决定采用方案一。 1.2.3 系统组成
系统方框图如图1.2.7所示,先采用DC-DC变换器把12V蓄电池的电压升至312V,保证输出真有效值为220V的正弦波不出现截止失真和饱和失真。输出电压反馈采用调节SPWM信号脉宽方式。该系统采用两组相互隔离的辅助电源供电,一组供给SPWM信号控制器使用,另一组供给输出电压、电流测量电路使用,这样避免了交流输出的浮地和蓄电池的地不能共地的问题。因为SPWM控制器输出的SPWM信号不含死区时间,所以增加了死区时间控制电路和逆变H桥驱动电路。空载检测电路使得当没有负载接入时,让系统进入待机模式,当有负载接入时,才进入逆变工作模式。同时,空载检测电路也作为过流保护的采样点。
图1-2-1系统原理框图
负载 工频LC滤波 渐变桥逆变 过流保护 控制电路 PI调节器 欠压保护 过流保护 12V蓄电池 高频升压逆变 整流 6
2.单元硬件电路设计
2.1 DC-DC升压模块
DC-DC升压电路的基本原理:DC-DC升压驱动板,采用的是很常见的线路,用一片SG3525实现PWM的输出,后级用二组图腾输出,驱动RUI190N08。板上有二个小按钮开关,S1,S2,S1是开机的,S2是关机的,可以控制逆变器的启动和停机。这驱动板,是用J3,J4接口和功率板相连的,其中J3的第1P为限压反馈输入端。
原理图如图2-1-1所示。
图2-1-1 DC-DC升压电路图
2.1.1 开关板的设计
控制系统的开关板设计如图2-1-2所示:开机、关机由具有自锁功能的继电器进行控制,这里的8050三极管起到开关电路的作用当S1按键按下时8050晶体管基极导通从而集电极到发射极有电流三极管处于导通状态,继电器工作,A1导通有电压输入,S2键按下三极管处于断开状态,继电器不工作从而A1,A2断开。
原理图如图2-1-2所示
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图2-1-2 开关板电路图
2.1.2 PWM固定频率的产生
PWM波形产生原理图如图2-1-3所示
图2-1-3 PWM波的产生电路图
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PWM固定频率是由SG3525芯片产生。SG3525芯片的资料见如下: 管脚说明:
引脚1:误差放大反向输入 脚9:PWM比较补偿信号输入端 引脚2:误差放大同向输入 引脚10:外关断信号输入端 引脚3:振荡器外接同步信号输入端 引脚11:输出A 引脚4:振荡器输出端 引脚12:信号地
引脚5:振荡器定时电容接入端 引脚13:输出级偏置电压接入端 引脚6:振荡器定时电祖接入端 引脚14:输出端B 引脚7:振荡器放电端 引脚15:偏置电源输入端 引脚8:软启动电容接入端 引脚16:基准电源输出端
图中11与14脚输出两路互补的PWM波,其频率由与5、6管脚所连的R、C决定。PWM频率计算式如下:f=1/[C5(0.7R15+3R16)],调节6端的电阻即可改变PWM输出频率。同时,芯片内部16脚的基准电压为5.1V采用了温度补偿,设有过流保护电路,5.1V反馈到2端同向输入端,当反向输入端也为5.1V时,芯片稳定,正常工作。若两端电压不相等,芯片内部结构自动调整将其保持稳定。 在脉宽比较起的输入端直接用流过输出电感线圈的信号与误差放大器输出信号进行比较,从而调节占空比使输出的电感峰值电流跟随误差电压变化而变化,由于结构上有电压环河电流环双环系统,因此,无论开关电源的电压调整率、负载
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调整率和瞬态响应特性都有提高,目前比较理想的新型控制器。R和C设定了PWM芯片的工作频率,计算公式为T=(0.67*RT+1.3*RD)*CT 。再通过R13和C3反馈回路。构成频率补偿网络。C6为软启动时间设定电容。 2.1.3 增加驱动
用一片SG3525实现PWM的输出,后级用二组图腾输出,增加驱动,驱动后级的RUI190N8。该电路中由一对三极管8050(NPN)和8550(PNP)组成图腾电路,用于功率放大器和稳压电源中用于功率放大器和稳压放大器。本系统中用于功率放大,驱动后级电路。
2.2 PWM驱动模块
2.2.1 TDS2285产生PWN波
SPWM的核心部分采用了张工的TDS2285单片机芯片,用其产生为功率主板产生占空比变化的矩形波,通过H桥产生所需的正弦波。U3,U4组成时序和死区电路,末级输出用了4个250光藕,H桥的二个上管用了自举式供电方式,这样做的目的是简化电路,可以不用隔离电源,该模块原理图如图2-2-1所示:
图2-2-1
2.2.1 PWN波的产生
(1)、该模块中是由TDS2285芯片产生PWM波,TDS2285的芯片各管脚资料如图2-2-2:
图2-2-1PWM驱动电路图
1.该模块所采用的是TDS2285芯片,其管脚如图2-2-2所示
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图2-2-2TDS2285管脚图
2.该模块中TDS2285芯片的工作原理图2-2-3如:
图2-2-3 TDS2285产生PWM波
该芯片的6、7管脚生成交流电正、负半周调制波输出引脚,输出SPWM脉冲,其频率有接在2、3管脚间的晶振来决定。9脚为故障报警输出端,通常驱动一蜂鸣器,同时配合5脚LED的状态,当蓄电池电压输入出现过压或低压时,该蜂鸣器随LED指示灯每隔1秒报警一次,当出现交流过流或者短路时,该蜂鸣器随LED指示灯每隔0.5秒报警一次。13脚为检测蓄电池电压,当13脚的电压超过3V或低于1V时,逆变停止工作,并进入欠压或过压故障状态。通过外接蓄电池上分压来实现。10脚为交流电压稳压反馈输入,实时检测功率主板输出的交流正弦波输出电压变动范围,并作调整输出达到稳定输出电压的目的。
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2.2.2 死区电路的设计
死区电路接在TDS2285产生两路PWM波的后面,其结构如图2-2-4所示, 死区电路是由RC与MM74HC00与非门构成延时,防止功率主板上H桥发生直通现象,对前级短路进行了保护。
图2-2-4 死区电路的结构
2.2.3 H桥驱动电路设计
H桥驱动电路接在死区电路后级,由四个高速光电耦合TLP250芯片构成,让开关信号通过,电瓶电压隔离,其原理如图2-2-5所示。
图2-2-5 H桥驱动电路图
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2.2.4 驱动电源的产生
由于光电耦合TPL250工作电压为15V,而系统只提供12V的电瓶电压,故要经过升压模块。该系统采用MC34063芯片,专用于DC-DC变换器控制部分,用三端稳压78L15作为输出。其原理如图2-2-6所示。
图2-2-6 15V电源产生电路图
2.3 功率主板模块
功率主板是产生220V、50HZ正弦波的关键部分所在。主板包括了DC-DC推挽升压和H桥逆变两部分。1号板送过来的两路PWM波送至变压器两端,电瓶电压经过滤波电容后送至变压器的抽头处,经过变压器后输出其电路如下图所示。
图2-3-1 功率主板电路图
2.3.1 脉冲升压、滤波
1号板送过来的两路PWM波送至变压器两端,电瓶电压经过滤波电容后送至变压器的抽头处,经过变压器后输出,经过电桥整流,RC滤波后输出约为312V的直流电压。直流电压一路反馈到一号板芯片的SG3525的1脚,一路输出到H
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桥逆变电路。
2.3.2 单相桥式PWM逆变电路
H桥式逆变电路由四个 IRFP460场效应管构成的桥,由经变压器升压后的312V直流电压与3号板产生的PWM波同时经过H桥逆变,在经过RC滤波,即可得到220V、50HZ的正弦波。其原理如图2-3-2所示。
图2-3-2单相桥式PWM逆变电路图
2.4 保护电路模块
该系统是由直流边交流,弱点变为强电。故对系统进行必要的安全保护是必须的,在对系统进行调试时必须要注意安全。系统除了芯片本身具有的保护措施外,还对系统进行了专门的保护,具体如下。 2.4.1 过载保护电路(慢保护)
慢保护是对输出线的一路电流进行测试,并进行保护。采用5A/5MA的电流互感器进行慢保护。从电流互感器出来的交流电经DB107进行整流,后经采样,与LM393的比较器基本电压0.45v进行比较,如大于基准电压,经进行报警,并反馈到前级,发出报警。系统经过自动调整对其进行保护。慢保护电路如图2-4-1所示。
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图2-4-1 慢保护电路图
2.4.2 短路保护电路(快保护)
短路保护即防止功率主板中H桥的两个CMOS管同时导通,当其同时导通时,输出312V的电压,进过分压,与LM393的基准电压1.45V进行比较,若大于基准电压,则输出报警,并通知前级进行保护措施。导通电压经过加在0.1/5W的采样电阻上接地,使输出安全。其电路如图2-4-2所示。
图2-4-2快保护电路图
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3.系统调试
3.1 测试使用的仪器 序号 1 2 3 名称、型号、规格 数字示波器 UT70A数字万用表 函数信号发生器 数量 1 1 1 3.2 指标测试和测试结果
3.2.1单独调试DC-DC驱动板(1号板) 1.基本工作情况调试:
板子装完后,12V直流电+、-极接入J4的3脚、5脚,按一下S1开关,能够听到继电器吸合的声音,驱动板就开始工作了,测一下工作电流,一般应该在40MA左右,将示波器探头接到图中PWM输出处,应该看到二路互为相反的PWM波输出,记录波形,PWM占空比是否比较大,频率在28K左右,幅度为12V,如果频率偏离太多,可以调节C5和R15,调节电阻阻值,使频率达到期望的值。按S2开关,可以关断U1芯片的供电,目的是使逆变器停止工作。 2.电压反馈情况调试:
用一个10K固定电阻和一个20K电位器,接成可调节的电阻,连接A1和J3的1脚之间,调节电位器该20K的电位器使U1的1脚电位能够调到5.1V,观察二路互为相反的PWM波输出的占空比,这时占空比变窄了。
调节电位器使U1的1脚电位偏离5.1V,观察占空比的变化。能够改变即可进行升压调节(控制)。调试完毕拆除连接A1和J3的1脚之间临时调试用的10K固定电阻和一个20K电位器。 3.保护情况调试:
当逆变部分保护的同时,会向升压控制回路提出保护,高电平保护,低电平不保护,因此,当J3的2脚接高电平时,应该会关闭PWM输出。调试时用1个开关进行实验。用示波器观察波形,验证保护效果。调试完毕拆除调试用的开关。
3.2.2 单独调试SPWM驱动板(3号板) 1.基本工作情况调试:
装好板子后,接上12V电源,总电流应该在120-130MA左右。
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用万用表测C22二端应该在19V左右,C23二端为15V,测该板的U1的1脚对14脚是否为5V,表明直流电正常,否则查找二次供电电源问题。
无反馈时,就可以用示波器在SPWM输出端测到SPWM波形。记录该波形。 2.电压反馈情况调试:
假输出电压产生办法是利用调压器和隔离变压器产生有效值可以高于220V的交流电,即交流220V通过调节器调到110V,通过110V/220V隔离变压器升压到220V,如果调压器调的电压高于110V,则隔离变压器输出就高于220V。
拔调TDS2285芯片,然后隔离变压器输出接线柱各接1个200K电阻,接到3号板的J2的23脚和24脚,隔离变压器使输出就220V。用万用表测量U1的10脚电压,调节R7,使万用表测得值为2.5V断电,插上TDS2285芯片,记录“正常输出220V”时的PWM波形,与无反馈时的波形比较,占空比是否变窄了。
3.输出逆变电压过压保护情况调试:
当直通快保护和过载慢保护时,会向逆变控制器TDS2285提出保护,高电平保护,低电平不保护,因此,当J1的9脚接高电平时,应该会关闭PWM输出。调试时用1个开关进行实验。用示波器观察波形,验证保护效果。调试完毕拆除调试用的开关。 3.2.3整机调试
先在电瓶的引线上接一个15A的保险丝,功率主板上的高压保险丝不要装,这样,前后级就分开了。插上前级DC-DC驱动板,把万用表直流电压700V档接在高压电解二端,开机(按一下DC-DC驱动板上的ON启动开关),前级就启动了,功率主板上的高压指示LED就亮了,这时,看直流高压为几V。调试DC-DC驱动板上的R12多圈电位器,使高压输出在370-380V之间。此时,12V的电流应该在200MA之内,说明前级正常。这里如果看D极波形,应该是杂乱的波形,因为是空载限压的状态下,这样的波形是对的。 3.2.4保护电路调试
用稳压源提供电压,作为保护电路的测试电压,测J2-2的3脚的电压变化。 3.2.5后级调试
调好前级后,再把前级的DC-DC驱动板拔下,在功率主板的高压保险丝座上,装上一个1A左右的保险丝,在高压电解二端接上一个60V左右的电压,作为母线电压(可用一台双组的30V电源串起来当成60V用)。插上SPWM驱动
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板,如果电路没有问题,这时,在AC输出端就可以测到正弦波了,电压大约在40V左右 3.2.6联机调试
在前后级都正常的情况下,可以把前后级联起来,完成整机调试。 把前级的DC-DC驱动板重新插上,后级AC输出端的负载去掉,接上示波器(示波器最好用1:100的高压探头)和万用表(AC700V档),把高压保险丝换成一个0.5A的。下面要做的事是:开机!即按一下DC-DC驱动板的启动开关,成败在此一举,如果后级元件耐压没有问题,此时,应该在示波器上看到正弦波了。这里,调整SPWM驱动板的多圈电位器R7,就可以看到输出电压在变化,把它调在225V左右停下。 3.2.7 输出正弦波的测试
将示波器的笔接到输出端,观察正弦波的波形,幅度及其频率,记下数值。 3.2.8 输出功率与效率的测试
输出功率的定义:即为电源把其输入功率转换为有效输出功率的能力。 测试框图如下图所示。
先如图布置好测试电路后,进行如下步骤调试: 1.各电路输出电压、电流测量同时进行。
2.开启所有设备、记录输入功率数值及各点输出电压,电流值。 3.计算输入功率Pi=Ui*Ii,输出功率值Po=Uo*Io. 4.效率n=Po/Pi*100%,Pi为输入。
3.3 结果分析
经过测试后,题目的基本要求都已完成,各项指标都完成的比较好。在输出功率为23.6w的情况下,效率达到93%。同时该电路还具有短路保护、空载保护,过流保护的功能。
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参考文献
1.刘凤君.实用电源技术丛书-正弦波逆变器(第一版).科学出版社,2002,1-3. 2.(英)Marty Brown.开关电源设计指南,徐德鸿、沈旭、杨成林、周邓燕等译(第二版).机械工业出版社,2004,230.
3.王兆安,黄俊等.电力电子技术(第4版). 机械工业出版社,2009,132-140. 4.陈国呈.PWM变频调速及软开关电力变换技术〔第一版).机械工业出版社,2001,25-270.
5.曾毅,王效良,吴皓,张朝平.变频调速控制系统的设计与维护(第二版).山东科学出版社,2002,54-61.
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7.张占松,蔡宣三.开关电源的原理与设计(修订版).电子工业出版社,2004,306-310.
8.周志敏,周纪海.开关电源实用技术设计与应用(第一版).人民邮电出版社,2003,345.
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附录一 元件清单: 元器件 电阻 电位器
型号 300K 200K 150K/2W 100K 36K 22K 15K 12K 10K 3K 2.2K 1.5K 1.8K 1K 2K 560 510 180 47 22 10 1 0.22 0.1/W 20K 2.4K 1K 数量 1个 3个 1个 2个 1个 5个 2个 1个 12个 2个 2个 2个 1个 3个 5个 1个 4个 1个 1个 6个 8个 1个 1个 1个 1个 1个 1个 20
备注
电解电容 瓷片电容 电感 三极管 二极管 4700uf 330/450V 4.7uf 100uf/16V 220uf 10uf 100uf 470uf/16V 47uf/25V 4.7uf/16V 47uf/16V 475/630 105/630V 222 22 100uf 221 47 104 103 102 1MH 100uH 8050 NPN PNP RHRP8120 4个 1个 1个 1个 2个 1个 1个 2个 2个 1个 1个 1个 1个 1个 2个 1个 1个 4个 16 3个 2个 2个 3个 2个 3个 2个 4个 21
场效应管 LED 整流桥 三端稳压器 继电器 变压器 晶振 蜂鸣器 开关 排插 保险丝 集成芯片
4007 4148 IN5819 HER107 IRFP460 RU190N80 DB107 78L05 自锁功能 ~10KHz 16MHz S 卧式 4A 3A SG3525 MC34063 78L15 MM74HC04 MM74HC00 TDS2285 78L05 LM393 TPL250 5个 4个 1个 4个 4个 2个 4个 1个 1个 1个 1个 1个 1个 2个 6排 2根 1根 1快 1快 1快 1快 1快 1快 1快 1快 4快 22
附录二
各硬件模块电路原理图及PCB板: DC-DC升压电路模块原理图
DC-DC升压电路模块PCB板
PWM驱动模块的PCB
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PWM驱动模块原理图
PWM驱动模块PCB板
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功率主板原理图
功率主板的PCB
过压保护模块原理图
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过压保护模块原理图
过压保护模块PCB板
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附录三 使用说明:
1.正确接线,将电瓶正极接控制器标有+12V的电源线上,电瓶的负级接标有GND的电源线上;
2.按DC-DC板上的开关ON,控制器开始工作,并有绿色指示灯亮; 3.测量交流输出端地电压约220V,可以测试控制器; 4.测试结束后,按DC-DC板上的OFF; 5.等待主功率板指示灯熄灭后,系统结束工作。
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