声光控制楼道灯开关的设计

学 号: 12103119

东 营 科 技 职 业 学 院

毕 业 设 计（论 文）任 务 书

题目：声光控制楼道灯开关的设计 主要内容、基本要求、主要参考资料等：

1、设计(论文)课题要求：本论文要求广泛搜集相关研究资料，并进行深入对比分析。在撰写毕业论文有一定的学术性，一定的创见性，具有科学性，做到观点正确、论据充分、推理严密；层次分明、条理清楚、语言简练。论文主要在以下几个方面展开论述：

根据节约资源的任务要求，初步拟定声光控制电路工作原理的可行性，真正的有利于人们的方便、节能

2、文献查阅要求： 在查阅相关参考文献时，首先要分析研究课题，明确查阅要求，其次选择合适的检索工具和检索方法；利用检索工具查找文献线索，了解馆藏情况，获取原始文献；最终要把检索到文献认真地加以筛选、消化和吸收，变为可用的活资料。

完成期限：自2014年11月15日至2015年3月31日 指导教师： 教研室主任：

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系主任:

2014年11月 15日

声光控制楼道灯开关的设计

目录

绪 论

摘 要 ............................................................................1 第一章 元件的介绍 ................................................................2 1.1 电阻的定义及分类 ...........................................................2 1.2 电容的分类及选用 ...........................................................3 1.3二极管的定义及分类 .........................................................4 1.4三极管 .....................................................................5 1.5晶闸管 .....................................................................6 1.5.1光控晶闸管的结构 .......................................................6 1.5.2光控晶闸管的工作原理 ...................................................7 1.5.3光控晶闸管的特性 .......................................................7 第二章 电路设计及工作原理 ........................................................8 2.1设计流程 ...................................................................8 2.2光控电路 ...................................................................9 2.3声控电路 ...................................................................9 2.4延时电路 ..................................................................11 2.4.1电路的放电过程 ........................................................11 2.4.2电路的时间常数 ........................................................12 2.4.3延迟时间的可优化性 ....................................................13 第三章 电路的焊接与调试 .........................................................13 总 结 ...........................................................................15 致 谢 ...........................................................................16

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绪 论

节约是中华人民的传统美德，随着科学技术的飞速的发展，资源的大量开采，能源却不断减少。为了响应国家科学发展观，资源可持续发展。树立节约能源、养成节约资源的习惯已势在必行。伴随着电网的普及，电能在生活中的浪费也成了不容小觑的问题，所以节约电能也显得非常必要。

从当年爱迪生发明了电灯，到如今的装饰灯、日光灯、照明灯…电灯的种类、样式以及对灯控制的开关也越来越多。为了避免能源及财产的浪费，所以本次课程的内容就主要围绕着声光控制灯的设计。光控电路有着广泛的应用。例如马路两侧的路灯、智能手机屏幕的亮度、楼道照明等。利用光控电路根据光线的强弱来实现照明灯的自动开启和关闭。然而光控电路在夜晚无光线时，照明灯也将一直工作着造成资源浪费。

不过假如在光控电路的基础上添加一个声控电路，使得照明电路在无光的时候只受到声音的控制，当有声音响起时照明电路就自动开启，开始照明工作。但是这样就要一直有声音发出，不然照明电路就会立即关闭，停止照明工作。而且在白天遇到阴天照明电路仍无法满足人们需要，这样既达不到生活的需求，又降低了照明灯的寿命。所以在加声控电路的同时，再在声光联合控制电路工作的条件下加上一个延时电路。这样就使得照明电路在接收到信号工作一定时间后自动熄灭。

上述设计内容符合本次课题要求：设计一种既不浪费国家电力又很方便实用的照明灯系统是很又实用价值意义的一件事。所以我们设计了这个节能、耐用的自动控制开关。声光自动控制开关的主要功能是：白天楼道里光线强烈使电路处于断开状态，照明电路不工作，起到节约电能作用。夜晚或阴天时楼道里光线较弱而此时电路处于闭合状态，电灯会闻声而亮，并从电灯亮时就开启延时，等到延时时间到了电灯就会熄灭等待下次 声响发出。下面主要介绍声光控制楼道灯开关的设计。

声光控制楼道灯开关的设计

声光控制楼道灯开关的设计

王磊 机械制造与自动化

摘 要

随着科技的不断发展，电子产品愈来愈多地走进了人们的生活。从当年发明出电灯，到现在的琳琅满目的照明灯，伴随着灯泡样式的增加各式各样控制开关也跟着层出不穷。机械手动开关、按钮式、触摸式、…单一开关不但操作不便，往往还会出现许多灯泡长明现象，故容易降低灯泡的寿命。另外，由于频繁开关或其他的人为因素，墙壁开关很容易损坏。现如今常规灯开关已无法满足人们生活所需。比如像一些工厂，学校,办公室等公共场所的灯往往会出现长明现象。为此本人做了声光双控制灯开关的设计。声光控制灯开关顾名思义就是在一个基本电路上有两个控制点（光控和声控）。 光控电路是根据光线的强弱来自动控制电路中开关闭合或断开，但光控电路在夜晚无光线是会处在常亮状态，造成资源浪费；声控电路是根据声音的大小来自动控制电路中开关的闭合或断开，同样声控电路在白天拾音器接收到声音灯也会亮。故声光控制灯开关采用了在光控电路的基础上添加了一个声控电路和一个延时器。在安装了声光控制灯开关的地方，只有在天黑后，当有人走过发出脚步声发出其它声音时，声控开关闭合，提供照明，灯亮延时一段时间后声控开关断开。在白天即使有声音声控开关也不会闭合。另外，声光控制灯开关它具有美观外形，方便安装，制作简单等优点。而且降低能耗；避免因灯泡处于长亮状态是灯泡使用寿命降低，直接避免经济损失。既方便使用，又省电。解决了“长明灯”的现象。下面主要介绍声光控制楼道灯开关的设计。 关键词：开关 ；节能； 声控 ；光控 ；方便

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第一章 元件的介绍

1.1 电阻的定义及分类

电阻是电路中一个限流元件。一般电阻可分为固定电阻、可变电阻、特种电阻。将电阻接在电路后，电阻的阻值是固定的一般是两个引脚，它可限制通过它所连支路电流大小。阻值可变的称为可变电阻。电阻用字母R来表示，单位为欧姆，符号Ω。 欧姆定律公式为

I=U/R

电阻值的大小一般与电阻元件的材料、温度、长度及横截面积有关。电阻的主要物理特征是把电能变为热能，也可以说它是一个耗能元件，当有电流经过它就会产生内能。电阻在电路中通常起分压、限流的作用。对于信号来说，交流与直流信号都可以通过电阻。

光敏电阻：是一种电阻值随着外界光照的强弱的变化而发生着变化的元件。光线越强阻值越小；反之，光线越弱阻值越大。又称光感电阻。其工作原理是利用半导体的光电效应制成的一种电阻值随入射光线的强弱而改变的电阻器。可以将光的变化转换为电的变化。变阻如图1-1所示，固定电阻如图1-2所示，光敏电阻如图1-3所示。

图1-1

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图1-2

图1-3

1.2 电容的分类及选用

所谓电容，就是容纳和释放电荷的电子元器件，用字母C表示。电容的基本工作原理就是充电放电，当然还有整流、振荡以及其它的作用。另外电容的结构非常简单，主要由两块正负电极和夹在中间的绝缘介质组成，所以电容类型主要是由电极和绝缘介质决定的。电容的用途非常多，主要有如下几种： 纸介电容

用两片金属箔做电极，夹在极薄的电容纸中，卷成圆柱形或者扁柱形芯子，然后密封在金属壳或者绝缘材料（如火漆、陶瓷、玻璃釉等）壳中制成。它的特点是体积较小，容量可以做得较大。但是有固有电感和损耗都比较大，用于低频比较合适。 云母电容

用金属箔或者在云母片上喷涂银层做电极板，极板和云母一层一层叠合后，再压铸在胶木粉或封固在环氧树脂中制成。它的特点是介质损耗小，绝缘电阻大、温度系数小，适宜用于高频电路。

陶瓷电容

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用陶瓷做介质，在陶瓷基体两面喷涂银层，然后烧成银质薄膜做极板制成。它的特点是体积小，耐热性好、损耗小、绝缘电阻高，但容量小，适宜用于高频电路。铁电陶瓷电容容量较大，但是损耗和温度系数较大，适宜用于低频电路。 薄膜电容

结构和纸介电容相同，介质是涤纶或者聚苯乙烯。涤纶薄膜电容，介电常数较高，体积小，容量大，稳定性较好，适宜做旁路电容。 金属化纸介电容

结构和纸介电容基本相同。它是在电容器纸上覆上一层金属膜来代替金属箔，体积小，容量较大，一般用在低频电路中。 半可变电容

也叫做微调电容。它是由两片或者两组小型金属弹片，中间夹着介质制成。调节的时候改变两片之间的距离或者面积。它的介质有空气、陶瓷、云母、薄膜等。 可变电容

它由一组定片和一组动片组成，它的容量随着动片的转动可以连续改变。把两组可变电容装在一起同轴转动，叫做双连。可变电容的介质有空气和聚苯乙烯两种。空气介质可变电容体积大，损耗小，多用在电子管收音机中。聚苯乙烯介质可变电容做成密封式的，体积小，多用在晶体管收音机中。

1.3二极管的定义及分类

二极管，电子元件当中，一种具有两个电极的装置，只允许电流由单一方向流过，许多的使用是应用其整流的功能。而变容二极管则用来当作电子式的可调电容器。大部分二极管所具备的电流方向性我们通常称之为“整流”功能。二极管最普遍的功能就是只允许电流由单一方向通过（称为顺向偏压），反向时阻断 （称为逆向偏压）。因此，二极管可以想成电子版的逆止阀。

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早期的真空电子二极管；它是一种能够单向传导电流的电子器件。在半导体二极管内部有一个PN结两个引线端子，这种电子器件按照外加电压的方向，具备单向电流的传导性。一般来讲，晶体二极管是一个由p型半导体和n型半导体烧结形成的p-n结界面。在其界面的两侧形成空间电荷层，构成自建电场。当外加电压等于零时，由于p-n 结两边载流子的浓度差引起扩散电流和由自建电场引起的漂移电流相等而处于电平衡状态，这也是常态下的二极管特性。二极管如下图2-1所示。

图2-1

二极管种类有很多，按照所用的半导体材料，可分为锗二极管（Ge管）和硅二极管（Si管）。根据其不同用途，可分为检波二极管、整流二极管、稳压二极管、开关二极管、隔离二极管、肖特基二极管、发光二极管、硅功率开关二极管、旋转二极管等。按照管芯结构，又可分为点接触型二极管、面接触型二极管及平面型二极管。点接触型二极管是用一根很细的金属丝压在光洁的半导体晶片表面，通以脉冲电流，使触丝一端与晶片牢固地烧结在一起，形成一个“PN结”。由于是点接触，只允许通过较小的电流（不超过几十毫安），适用于高频小电流电路，如收音机的检波等。面接触型二极管的“PN结”面积较大，允许通过较大的电流（几安到几十安），主要用于把交流电变换成直流电的“整流”电路中。平面型二极管是一种特制的硅二极管，它不仅能通过较大的电流，而且性能稳定可靠，多用于开关、脉冲及高频电路中。

1.4三极管

三极管，全称应为半导体三极管，也称双极型晶体管、晶体三极管，是一种电流控制电流的半导体器件·其作用是把微弱信号放大成幅度值较大的电信号， 也用作无触

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点开关。晶体三极管，是半导体基本元器件之一，具有电流放大作用，是电子电路的核心元件。三极管是在一块半导体基片上制作两个相距很近的PN结，两个PN结把整块半导体分成三部分，中间部分是基区，两侧部分是发射区和集电区，排列方式有PNP和NPN两种。以下为三极管NPN（图a）和PNP（图b）的工作原理图。

1.5晶闸管

晶闸管是晶体闸流管的简称，又可称做可控硅整流器，以前被简称为可控硅；1957年美国通用电气公司开发出世界上第一款晶闸管产品，并于1958年将其商业化；晶闸管是PNPN四层半导体结构，它有三个极：阳极，阴极和门极； 晶闸管具有硅整流器件的特性，能在高电压、大电流条件下工作，且其工作过程可以控制、被广泛应用于可控整流、交流调压、无触点电子开关、逆变及变频等电子电路中。本次课题主要涉及到光控晶闸管。

光控晶闸管，又称光触发晶闸管。国内也称GK型光开关管，是一种光敏器件。

1.5.1光控晶闸管的结构

通常晶闸管有三个电极：控制极G、阳极A和阴极K。而光控晶闸管由于其控制信号来自光的照射，没有必要再引出控制极，所以只有两个电极（阳极A和阴极K）。但它的结构与普通可控硅一样，是由四层PNPN器件构成。

从外形上看，光控晶闸管亦有受光窗口，还有两条管脚和壳体，酷似光电二极管。

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1.5.2光控晶闸管的工作原理

当在光控晶闸管的阳极加上正向电压，阴极加上负向电压时，控晶闸管可以等效成的电路。

可推算出下式：

Ia= Il / [1-（a1+a2）]

式中， Il为光电二极管的光电流；Ia为光控晶闸管阳极电流，即光控晶闸管的输出电流；a1、a2分别为BG1、BG2的电流放大系数。

由上式可知，Ia与Il成正比，即当光电二极管的光电流增大时，光控晶闸管的输出电流也相应增大，同时Il的增大，使BGl、BG2的电流放大系数a1、a2也增大。当al与a2之和接近l时，光控晶闸管的Ia达到最大，即完全导通。能使光控晶闸管导通的最小光照度，称其为导通光照度。光控晶闸管与普通晶闸管一样，一经触发，即成通导状态。只要有足够强度的光源照射一下管子的受光窗口，它就立即成为通导状态，而后即使撤离光源也能维持导通，除非加在阳极和阴极之间的电压为零或反相，才能关闭。

1.5.3光控晶闸管的特性

为了使光控晶闸管能在微弱的光照下触发导通，因此必须使光控晶闸管在极小的控制电流下能可靠地导通。这样光控晶闸管受到了高温和耐压的限制，在目前的条件下，不可能与普通晶闸管一样做成大功率的。

光控晶闸管除了触发信号不同以外，其它特性基本与普通晶闸管是相同的，因此在使用时可按照普通晶闸管选择，只要注意它是光控这个特点就行了。光控晶闸管对光源的波长有一定的要求，即有选择性。波长在0.8——0.9um的红外线及波长在1um左右的激光，都是光控晶闸管较为理想的光源。

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第二章 电路设计及工作原理

2.1设计流程

本次设计目的：实现声控光控延时开关的功能。在白天时无论是否有声音，小灯都不能被点亮，即白天时不需要光照，在夜晚当有声音产生时，小灯被点亮，且在声音消失后，小灯能维持一段时间亮度，即在夜晚有人经过的时候，小灯被点亮，并有足够的时间让人通过。一般的设计分为五个模块：电源模块，信号收集模块，信号处理模块，延时模块和被控制模块。电源模块为整个电路提供稳定的直流电源，使之驱动三极管，芯片和小灯。信号收集模块分为声音信号收集模块和光信号收集模块。声音信号收集模块将声音信号转变为音频电信号从而能够输入电路，起到控制开关的作用。光信号收集模块将光强度的改变转变为电压的改变，与声音信号一起控制芯片的输入。信号处理模块即是芯片对声音，光信号导致的电信号的改变进行处理，从而驱动被控制电路，并作用于延时模块。延时模块是在信号处理模块的作用下工作，起到延时的作用。被控制模块在信号处理模块及延时模块的共同作用下工作，从而达到设计的目的。

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2.2光控电路

工作原理：当光敏电阻受光照时其电阻率变小，从而造成光敏电阻阻值下降。光照愈强，阻值愈低，即相当于导线。当MIC周围没有声音信号时，各部分电路都不工作，灯泡不亮，当MIC周围有声音信号时，声音放大电路将工作，通过整流将整流后的电信号经R7限流后直接短接，不会经R6流入三极管Q3中，此时三极管Q3将接收不到信号，处于不工作的状态，灯泡同样不会亮。

当光敏电阻在黑暗环境里，没有光照时，它的电阻值很高，相当于断路状态。当MIC周围没有声音信号时，同样各部分电路将不会工作，灯泡不会亮；当MIC周围有声音信号时，声音放大电路将工作，此时光敏电阻的阻值很高，不会有信号从其中流过，通过整流将整流后的电信号经R7限流后通过R6到达三极管Q3基极，此时三极管Q3A位较高，处于导通状态。其中电路中R7、R6主要是分压限流的作用。光控电路如图5-1所示。

图5-1

2.3声控电路

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图5-2

声控电路如上图5-2所示。

工作原理：当MIC获取到声音信号后，将会转化成电信号，经过C3耦合出来的信号将由三极管Q1放大，而在本电路中为了获得较高的灵敏度，三极管Q1的β值选用大于100，更利于信号放大。而三极管Q1要实现这个功能必须满足，基极电压为高电位，集电极为低电位才会导通。图中的R12主要是起到分压限流的作用，R9、R8分别是给三极管Q1提供基极偏置和集电极偏置。所以，其中R12、R9、R8不宜过小，否则电路容易产生间歇震荡。三极管Q1放大后的电信号将从集电极流入下级单元电路。

根据电容的特性，电容两端的电压时缓慢变化的，譬如说：灯泡要通电，它的电压在通电一刻有0变为另一个值，如1V。但是由于其时缓慢变化的，即0~1V中间的每一个值灯泡都经历过，突然的变化不会到时突变，时存在电容缓冲的。根据这一特性，将电容两端并联一个电阻，从而可以一个延时电路，即图中的由延时电阻器R6和延时电容器C2组成的延时电路，如图5-3所示。

R6

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C2

图 5-3

2.4延时电路

灯泡H在晚上受声音控制发光后，若不再有响声输入到话筒B，三极管VT又受R2、R3分压正偏导通，使A得3脚输出高电压，A的4脚输出低电压，二极管VD1无正偏截止。但是电容器C2正极电压不会很快降低，它通过电阻器R6放电。由于电阻器R6的阻值较大，电容器C2上所充的电需要一定时间才能放完。这样就使A的10脚保持为低电平，11脚保持为高电平，灯泡保持发光。只有等到电容器C2放点结束，使A的8脚，9脚将为低电平，10脚输出高电平，12脚、13脚位高电压，11脚输出低电压后，通过三极管控制继电器的工作状态，以切断灯泡H的电流回路，实现灯泡H在延时亮一段时间后又自动熄灭，从而实现了延时功能。

2.4.1电路的放电过程

当电容C2已有电压U0时，且二极管无正偏截止时，电容器立即对电阻R6惊醒放

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电，放点开始时的电流为U0/R,放电电流的实际方向与充电时相反，放电时的电流i与电容电压uc随时间均按指数规律衰减为零，电流与电压的数学表达式为：

tucU01eRC （5.3.1）

tU0RCie （5.3.2）

R式中U0为电容器的初始电压。放电时i和uc的变化曲线如图5-4所示。

图5-4

2.4.2电路的时间常数

RC电路的时间常数用t表示， tRC,t的大小决定了电路充放电时间的快慢。对于充电而言，时间常数t时电容电压uc从零增长到63.2%US所需而当时间；对放电而言，

t是电容电压uc从U0下降到36.8%U0所需的时间。 因为R6的阻值为250K，C2为100uF,则有tR6*C2 所以tR6*C2=250K*100uF=25s 故延迟时间为25s

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2.4.3延迟时间的可优化性

在电路中，电路的延迟时间是由电阻和电容协调控制的，因此，可以通过改变电容和电阻的值来增长或缩短延迟时间。譬如说在一栋小区中，可以通过先调查小区内居民的平均年龄，在合理的装置延迟时间不同的照明灯，如果偏于老龄化的小区就把延迟时间增长一些，如果不是的话可以稍微缩短一下其延迟时间，这样做会更加人性化，更加节约能源，切实符合当今时代的主潮流。声光控制楼道开关电路原理图如图5-5所示。

图5-5

第三章 电路的焊接与调试

焊接时先确定好电路电板的哪一面导电，使其在导电的一面焊接，确保导电。首先，检查实物的连接线路与电气原理是否相符。尤其注意芯片、二极管的极性、电容的耐压

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和极性、电阻的阻值和功率是否符合要求等。其次，检查焊接点是否牢固，并检查锡点有无错、漏焊。最后，确保电源的无误后方可通电。杜绝焊接完成后电路板上存在有锡焊的堆积、虚焊、尖角、铜皮上翘、拖焊、焊点小等问题。

在调试前，再将焊接好的电路板对照电路图认真核对一遍，避免错焊、漏焊、短路、元件相碰等现象发生。接通电源后，人体不允许接触电路板的任一部分，防止触电。如用万用表检测时，只能将万用表两笔接触电路板相应出即可。

本电路调试时请先将光敏电阻的光挡住，接通电源，用手轻拍驻极体话筒，这时等应声而亮，若用光照射光敏电阻，再用手重拍驻极体话筒，这时灯也不会亮，说明光敏电阻完好，这时声光控制开关就制作成功了。若没有实现相应的现象，请仔细检查锡焊是否错在短路、漏焊等现象。

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总 结

“声光控制楼道开关”是一种声音和光照双控制的照明灯，它可以用于楼梯，过道，库房的场合。白天关照好，不管过路者发出多大声音，都不会使灯泡发亮。夜晚光暗，电路的拾音器只要检测到有碎发声音，都不会使灯泡发亮。夜晚光暗，电路的拾音器只要检测到有碎发声音，就会自动为行人照明，过一会儿就会自动熄灭，节能节电。

通过对本次“声光控制楼道开关”的设计，深化了我对数字电路设计和模拟电子设计的认识，使我在设计的实践中获得新知，让我进一步巩固和掌握了前面所学的基础知识，加深了对模拟电路，数字电路的理解，对元器件的使用更加深刻。

当然，第一次经历课程设计，难免会出现这样那样的问题及我们解决的所需要的办法，比如说不同的分支电路工作在不同的电压下面，这就需要让一个电源电路提供不同的电源，等等。

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致 谢

在指导教师荣红梅老师的指导下，本次毕业设计得以顺利完成。以指导老师丰富的知识，严肃的教学态度以及平易近人的理念使得我颇受感动。这次毕业设计的是由最初的资料搜集，然后到课题的选定，这些都得到了指导老师的认真指导和大力帮助。

通过本次论文的设计，我在理论和实践这两方面得到了进一步的提高，并改变了大学三年的学习方式和方法，并由起初的被动学习知识到后来的主动学习知识，由以前的书本知识学习到广泛阅读，也是改变学习方法的一个很大的重要经历与进步。

在此我要感谢各位老师以及各位同学给予我的指导与帮助并给予她们最良好的祝愿。由于所学知识有限，本次论文中难免会有很多不足的地方和很多错误之处，在此敬请读过此论文的专家、老师和同学给予批评指正。

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参考文献

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[2] 龚华生 主编.实用电路创意制造自学通.北京：电子工业出版社，2006.

[3] 朱清慧、张凤蕊、霍天高、王志奎编著.Proteus教程—电子线路设计、制版与仿真。北京：清华大学出版社，2008.

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