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1、便携式血糖仪的设计,工设1103 U201110891 王倩龙,Logo,绪论,目录,1,血糖仪的整体设计,2,系统硬件电路设计,3,系统软件设计,4,血糖仪的调适与仿真,5,6,7,造型设计方案,PCB板制作,总结,8,绪论选题背景及研究意义,糖尿病(DM，Diabetes Mellitus)是一种常见的慢性非传染性疾病，是由遗传和环境因素相互作用而引起的临床综合征(慢性、全身性、代谢性疾病)，是终生性疾病。由人体内胰腺分泌胰岛素缺乏，或因胰岛素功能失调所至。这种功能失调导致血中葡萄糖浓度增高，从而危及体内诸多系统，特别对血管系统和神经系统影响最大。,Logo,中国心血管报告公布的数据显示，
2、近20年来，中国糖尿病患病率成倍增长，目前中国约有2000多万糖尿病患者，耐糖量低减者2000万，中国已经成为全球糖尿病患者人数第二大国，仅次于印度。据世界卫生组织预计，到2025年,全球成人糖尿病患者人数将增至3亿，而中国糖尿病人数已居世界第3位，未来50年内糖尿病仍是中国一个严重的公共卫生疾病问题。,Logo,分析发现，在人类基因和不良饮食习惯的影响下，年龄、肥胖症、糖尿病家族史、高血压、高血脂症、低收入、日常体育锻炼不足已是糖尿病及代谢综合征主要危险因素，在加强健康普及教育的同时，系统地开发抗糖尿病新药和新剂型,积极研发更先进的医疗器械来预防、控制和治疗糖尿病及其并发症具有积极的意义。,
3、Logo,血糖浓度是反映病情状况的一个重要指标，经常性地进行血糖测量可及时把握病情变化并及早采取治疗措施。严格控制血糖到接近正常水平，比一般的控制血糖，可使慢性并发症减少约2/3。因此，血糖监测对于糖尿病患者是非常重要的。使用便携式血糖仪进行测定并记录结果，可了解一日内血糖的波动幅度和平均值，及时发现和处理异常情况，并可作为调整药物治疗的依据,Logo,随着疾病谱、医学模式和医疗方式的改变，一些适用于社区、面向家庭的便携式监测和治疗装置将成为市场需求最多的医疗器械产品。目前我国医疗方式已经开始从单纯对疾病的院内治疗，逐步转向院前预防、急救，院内诊断、治疗，院外监测、康复以及日常家庭医疗保健等多
4、元化、多层次的现代化医疗保障体系。因此，适于基层社区医生应用的，可以面向家庭的便携式监测和治疗装置，将成为市场需求最多的医疗器械产品,Logo,选题背景及研究意义小结,未来医学模式将由单纯的治疗型逐渐向治疗与预防保健相结合的模式转变，特别是随着个人健康意识增强，性能良好、使用方便的用于家庭的预防治疗设备、健康自我检测设备将成为家庭中新的“家电”。,Logo,绪论便携式血糖仪概述,便携式血糖仪至今，一共经历了五个发展阶段第一个阶段是水洗式血糖仪，它的操作过程比较复杂，检测前首先要在试纸上滴入血样，一分钟后把试纸放入水中冲洗，去除血样中的红细胞，然后再把试纸放入仪器中测试并得出测试结果第二个阶段是
5、擦血式血糖仪，它不需要用水冲洗试纸，当血样滴入试纸，产生反应后将试纸上的血细胞擦去即可进行测试第三个阶段是比色法血糖仪，常用的比色法有两种，即目视比色法和光电比色法，它的优点是操作简单，测量结果准确第四个阶段是电化学法血糖仪，包括葡萄糖氧化酶电极测量法和葡萄糖脱氢酶电极测量法，它们的共同特点都是将血样中的葡萄糖同试纸中的酶进行电化学反应，它的测量时间大大缩短，而且测量精度高，目前市场上的血糖仪多采用此种方法。第五个阶段是微采血量、多部位采血血糖仪，此种血糖仪颠覆了传统的仅能手指采血的缺点，它可以在四肢，手掌等多部位进行采血，采血量降低到了0.3微升，这种几乎不会感觉到疼痛的血糖仪必将在未来成为
6、血糖仪市场上的主流产品。,Logo,血糖仪的发展,纵观血糖仪历史的五个阶段可以发现，血糖仪正朝着体积越来越小，操作越来越简单，越来越方便患者，精度越来越高，采血量越来越少方向发展。据了解美国雅培公司最新首创了目前世界上最先进的血糖检测技术生物电感应技术，新一代的血糖仪已经进入了多功能时代，未来的血糖仪将不仅仅可以测量人体血糖，它还将可以测量人体血酮、血压、尿酸等。,Logo,血糖仪发展小结,绪论便携式血糖仪的分类,一、按工作原理分类从工作原理上便携式血糖仪分为两种，一种是光电型，一种是电极型。光电血糖仪有一个光电头，但探测头暴露在空气里，很容易受到污染，影响测试结果，使用寿命比较短，一般在两年
7、之内是比较准确的，两年后需要定期做校准；电极型的测试原理比较科学，电极口内藏，可以避免污染，并且测试的精读比较高，正常使用的情况下，不需要校准，寿命长。,Logo,二、按测糖方式分类目前市场上常见的血糖仪按照测糖技术可以分为电化学法测试和光反射技术测试两大类。前者是酶与葡萄糖反应产生的电子再运用电流记数设施，读取电子的数量，再转化成葡萄糖浓度读数。后者是通过酶与葡萄糖的反应产生的中间（带颜色物质），运用检测器检测试纸反射面的反射光的强度，将这些反射光的强度转化成葡萄糖浓度。,Logo,三、按采血方式分类现在多数血糖仪都是破损型的，就是需要采血来测定血糖值。采血型的便携式血糖仪从采血方式上有两种
8、，一种是滴血式（也叫抹血式），一种是吸血试。滴血式的血糖仪一般采血量比较大，疼痛感很强，患者比较痛苦。这一类型的血糖仪采血量要掌握好，如果采血偏多，会影响测试结果，如果采血量不够，操作失败则会浪费试纸，这种血糖仪多为光电式的。,Logo,绪论血糖检测技术,血糖检测仪自1968年由国外研究人员Tom Clemens发明至今，已经历了有创、无创、连续动态检测的阶段，并向检测治疗一体化的方向发展。随着血糖检测仪性能的不断改进，其准确性大大提高，其中连续动态血糖检测仪可以更好地指导临床用药，必将大幅提高糖尿病的治疗效果。血糖传统检测方法是从体内抽取血液进行生化分析，这属于有创检测，不仅给病人带来痛苦，
9、而且容易造成各种体液传染性疾病传播。近年来出现的无创检测技术及连续监测技术进行血糖浓度检测的新技术，这种方法改变了传统检测方法的弊端，使用方便。,Logo,血糖微创检测,血糖检测从有创到微创的发展过程，也是血浆糖测定到毛细血管全血糖测定的发展，目前大多使用葡萄糖生物传感器来检测血糖浓度，按工作原理可分为电化学型、压电型、热电型、光学型等，其中电化学型是血糖检测的主流。,Logo,1962年，Clark就提出了葡萄糖生物传感器的原理，他们预示用一薄层葡萄糖氧化酶(GOD)覆盖在氧电极表面，通过氧电极检测溶液中溶解氧的消耗量可以间接测定葡萄糖的含量。1968年Updike和Hikcs根据此原理成功
10、地制成了第一支葡萄糖生物传感器。从此以后，基于酶电极的电流型生物传感器得到了迅速的发展。,Logo,电化学型检测原理,根据生物电化学原理设计的便携式血糖仪是采用一次性使用的葡萄糖氧化酶印刷电极(即血糖试条)作为传感器，将被测血样滴在试条上，电极上的氧化酶促使血样中的葡萄糖与氧发生氧化还原反应，相关化学反应式为：葡萄糖+O2+H2O=葡萄糖酸+H2O2,Logo,该反应所产生的电子被导电介质转移给电极，电极在恒定的工作电压(05V)作用下便产生电流。经过一段时间后，酶电极的电流值的大小与血样中葡萄糖浓度呈一定的线性关系，通过检测电流变化与葡萄糖浓度的这个线性关系达到检测血糖浓度的目的。简单地说就
11、是“施加一定电压于经酶反应后的血液产生的电流会随着血液中的血糖浓度的增加而增加。通过精确测量出这些微弱电流，并根据电流值和血糖浓度的关系，反算出相应的浓度。,Logo,值得注意的是：即使是某一浓度的血糖在试条产生的电流也会随着时间的变化而变化，一般会随着时间的增加而增加并逐渐趋向稳定；而对于不同的浓度的血糖来说，在同一个时间点上，电流也随着浓度的增加而增加。所以，在权衡时间和稳定性后，确定某个时间点上的电流值和血糖浓度之间的关系是问题的核心。,Logo,血糖是通过试条上的酶转换为能导电的物质并在其上施加一定的电压来产生相应的电流，然后设备检测出这个电流值，再通过相应的计算公式反算成血糖值。电流
12、值与血糖浓度并非成简单的线性关系，而是受多方面因素影响的复杂关系。电流值检测的精确与否直接影响测量结果，所加的用于产生电流的电压大小、所使用的试纸条及用于检测的血液量的多寡都会对其产生影响，过多和过少的血量都会影响检测结果。因此，需要在大量的实验下，才能得出比较准确的关系。,Logo,血糖无创检测,无创血糖检测技术是在不损伤皮肤的条件下测量出人体血液中血糖浓度的新方法。它能解除糖尿病患者经常化验所需要的针刺取血的痛苦，避免病毒通过血液传染的危险。同时它能有效地提高对血糖监测的水平，降低患者的危险。,Logo,一、采用光学方法测量血糖，这是近年国际上热门的研究课题，目的是为糖尿病患者研制出无创、
13、方便、连续实时监测血糖浓度的便携式监测仪。但到目前为止，还没有正式用于临床的无创血糖检测仪。,Logo,无创检测分类,二、采用唾液测量法测量血糖。经医务专家们通过大量的实验研究，证明血糖浓度与唾液中所含的淀粉酶成正比，所以，可以通过测量人体口腔中唾液含淀粉酶的多寡间接地知道血糖的高低。此种方法，可以避免病人因消毒不严而引起的细菌感染；另一方面，由于是无创探测，无痛苦，可以让所有病人都能接受。这种探测方法的成功，除了要求研究高灵敏度、高特异性的试纸外，还应该研究高灵敏度、和高线性度的检测装置。,Logo,现有处于试验阶段的便携式血糖仪，它通过发光二极管发出一定波长的光，照射在用唾液特殊处理的试纸
14、上，再经线性度和稳定度很好的光敏二极管接收试纸反射的光，然后经一系列处理后，送入显示器显示血糖浓度的相对高低。此仪器目前存在的问题是用唾液检测人体血糖浓度的相对变化荃本呈线性，稳定度和灵敏度较高，操作使用方便。但是从试验数据看出结果有一定的离散性，这可能是主要由于某些元件造成的，仪器要用于临床还需要进一步的改进。这方面的工作仍在继续。,Logo,血糖动态监测,由于生化分析法和快速血糖仪这种有创或微创技术不能连续动态检测患者的血糖而得不到更接近真实情况。因此，动态血糖监测系统(CGMS)应运而生。动态光谱法可消除个体差异和测量条件对光谱检测的影响。,Logo,有研究认为，由于动脉的脉动现象，血管
15、中血流量呈周期性变化，血液是不透明液体，光在血液中的穿透性要比在组织穿透小几十倍，因此脉搏的变化可以引起近红外光谱吸光度的变化，所以通过动态光谱记录动脉充盈至最大与动脉收缩至最小时的吸光度值，可以消除个体差异和测量条件对光谱测量的影响，校正模型预测能力，提高光谱检测的精度,Logo,优势所在,动态血糖检测系统是由医疗人员操作，可以监测患者3天的血糖变化，使医生全面了解患者血糖波动类型和走势的装置。一般的动态血糖检测系统包括探头、信息记录器、信息提取器和软件系统。但是，目前，这种血糖检测仪在技术上还不成熟，仍需利用静脉抽血式血糖仪加以校正。,Logo,缺点所在,便携式血糖仪概述小结,有创技术和无
16、创技术各有优劣，在一个较长的阶段，两种技术将取长补短，共同发展，但糖尿病的确诊必须以静脉血样分析得出的血糖值作为标准，无创和连续动态式血糖检测仪的准确性必须定期检测校正。有创或微创血糖检测技术发展比较成熟，尽管近年来无创和连续动态式血糖检测技术发展很快，但仍有待继续研究提高。采用无线电波和微波技术测量葡萄糖含量也在进行研究。相信随着科学技术的飞速发展，血糖检测技术将向快速、准确、简便方向提高。,Logo,绪论传感器类型,1967 年Updik 和Hicks 首次研制出以铂电极为基体的葡萄糖氧化酶(GOD)电极，用于定量检测血清中的葡萄糖含量。该方法中葡萄糖氧化酶固定在透析膜和氧穿透膜中间，形成
17、一个“三明治”的结构，再将此结构附着在铂电极的表面。在施加一定电位的条件下，通过检测氧气的减少量来确定葡萄糖的含量。由于大气中氧气分压的变化，会导致溶液中溶解氧浓度的变化，从而影响测定的准确性。采用过氧化氢电极作为基础电极，其优点是葡萄糖浓度与产生的H2O2 有当量关系，不受血液中氧浓度变化的影响。,Logo,经典葡萄糖酶电极,在葡萄糖氧化酶电极中引入化学介体(chemical mediator)取代O2PH2O2，作用是把葡萄糖氧化酶氧化，使之再生后循环使用，而电子传递介体本身被还原，又在电极上被氧化。利用电子传递介体后，既不涉及O2也不涉及H2O2，而是利用具有较低氧化电位的传递介体在电极
18、上产生的氧化电流，在测定葡萄糖时，可以避免其他电活性物质的干扰，提高了测定的灵敏度和准确性。,Logo,介体葡萄糖酶电极,第三代生物传感器就是在无媒介体存在下，利用酶与电极间的直接电子传递设计制作葡萄糖传感器。与经典酶电极和介体酶电极相比，既不需要氧分子，也不需要化学介体分子作为电机受体，通常也不需要固定化载体，而是将酶共价键合到化学修饰电极上，或将酶固定到多孔电聚合物修饰电极上，使酶氧化还原活性中心与电极接近，直接电子传递就能够相对容易地进行，从而使电极的响应速度更快、灵敏度更高，真正实现酶的专一和高效催化,Logo,直接葡萄糖酶电极,血糖仪的整体设计总体方案,本系统的设计，采用酶电极法对血
19、糖进行采集。在葡萄糖氧化酶电极两端加0.5V的电压，这个电压要保持恒定，不能随葡萄糖浓度的变化而变化。,Logo,当滴入血样之后，血液中的葡萄糖在氧化酶的作用下与氧反应产生微电流信号，由于此信号非常小，不便于测量，所以通过硬件电路将其转换为电压信号，该电压信号通过放大器进行放大和硬件滤波处理，再通过AD转换器将模拟信号转换为可以被CPU处理的数字信号，输入单片机并对其进行软件滤波，进而对读取的数据进行处理、转换，换算成血糖含量数据，结果通过LCD显示出来,Logo,其中，滤波的目的是去除干扰信号(主要是来自电源和各种因素产生的系统噪声)，使得测试更加精确。一般来说，血糖测量至少有如图所示的这些
20、过程组成。,Logo,血糖仪的整体设计主要器件介绍,设计中实现信号的有效传输和放大采用的是低功耗,低功率的运算放大器LM324。与单电源应用场合的标准运算放大器相比，它们有一些显著优点。该放大器可以工作在低到3.0伏或者高到32伏的电源下，静态电流为MC1741的静态电流的五分之一。共模输入范围包括负电源，因而消除了在许多应用场合中采用外部偏置元件的必要性。,Logo,LM324,设计中采用的核心器件是AT89C51。它具有4k 字节FLASH闪速存储器，128字节内部RAM，32个I/O口线，2个16位定时/计数器，一个5向量两级中断结构，一个全双工串行通信口，片内振荡器及时钟电路。,Log
21、o,AT89C51,设计中实现模数转换采用的是八位逐次逼近式A/D转换器ADC0808。它是一种单片CMOS器件，包括8位的模/数转换器、8通道多路转换器和与微处理器兼容的控制逻辑8通道多路转换器，能直接连通8个单端模拟信号中任何一个。,Logo,ADC0808,设计中系统的输出模块采用的是液晶显示器LM016L，它具有可以直接显示图形、体积小、重量轻、功耗低等特点，适用于便携式仪器的设计。,Logo,LM016L,系统硬件电路设计信号前置通道设计,所谓微弱信号(本设计中弱电流范围020A)，不光指信号本身的幅值很小，更强调信号被噪声所淹没。血液与血糖酶反应产生的电流是极其微弱的，通常为几微安
22、到几十微安。由于MCU上A/D转换的是电压信号，而我们所要确定的是电流信号。因此在放大电流信号的同时，还需要将它转换为等效的电压信号。另外，为了节电以及配合实际的试条的要求，血糖仪需要对检测电极加电与否进行控制。,Logo,弱电流信号的检测设计,AT89C51介绍采用的是单片机芯片是AT89C51。AT89C51是一种带4K字节闪烁可编程可擦除只读存储器（FPEROMFalsh Programmable and Erasable Read Only Memory）的低电压，高性能CMOS8位微处理器，俗称单片机。,Logo,以单片机AT89C51为例的控制电路设计,Logo,单片机基本系统即单
23、片机正常工作不可缺少的部分，进行设计都要在此系统基础上进行。它包括振荡电路，复位电路和电源。,Logo,关于单片机最小应用系统,TAL1，XTAL2为外接晶振的两个引脚。接入晶振时，还要接人两个瓷片电容C1，C2，晶振频率12 MHz。,Logo,外接晶振,上电复位正常后，PC值才为0000H，即指向R0M 的0000H单元。此外，专用寄存器SFR中的SP为O7H，即指向片内数据存储器(片内RAM)07H单元，P0P3值为0FFH，其余的专用寄存器值大多为00H。复位电路有开机自动复位和手动复位。,Logo,复位与复位电路,ADC0808介绍ADC0808是采样分辨率为8位的、以逐次逼近原理进
24、行模/数转换的器件。其内部有一个8通道多路开关，它可以根据地址码锁存译码后的信号，只选通8路模拟输入信号中的一个进行A/D转换。,Logo,LCD液晶显示简介,Logo,一、引脚功能说明LCD采用标准的14脚（无背光）或16脚（带背光）接口，各引脚接口说明如下:第1脚：VSS为地电源。第2脚：VDD接5V正电源。第3脚：VL为液晶显示器对比度调整端，接正电源时对比度最弱，接地时对比度最高，对比度过高时会产生“鬼影”，使用时可以通过一个10K的电位器调整对比度。第4脚：RS为寄存器选择，高电平时选择数据寄存器、低电平时选择指令寄存器。第5脚：R/W为读写信号线，高电平时进行读操作，低电平时进行写
25、操作。当RS和R/W共同为低电平时可以写入指令或者显示地址，当RS为低电平R/W为高电平时可以读忙信号，当RS为高电平R/W为低电平时可以写入数据。第6脚：E端为使能端，当E端由高电平跳变成低电平时，液晶模块执行命令。第714脚：D0D7为8位双向数据线。第15脚：背光源正极。第16脚：背光源负极。,Logo,二、液晶显示器的显示原理:点阵图形式液晶由MN个显示单元组成，假设LCD显示屏有64行，每行有128列，每8列对应1字节的8位，即每行由16字节，共168=128个点组成，屏上6416个显示单元与显示RAM区1024字节相对应，每一字节的内容和显示屏上相应位置的亮暗对应。例如屏的第一行的
26、亮暗由RAM区的000H00FH的16字节的内容决定，当（000H）=FFH时，则屏幕的左上角显示一条短亮线，长度为8个点；当（3FFH）=FFH时，则屏幕的右下角显示一条短亮线；当（000H）=FFH，（001H）=00H，（002H）=00H，（00EH）=00H，（00FH）=00H时，则在屏幕的顶部显示一条由8段亮线和8条暗线组成的虚线。这就是LCD显示的基本原理。,Logo,软件总体设计,软件部分是根据硬件电路的功能模块而实现的，设计了主程序和几个子程序模块。测试流程主要由采样、清屏、写代码、写地址、写数据、读数据、满屏显示、数据显示、延时、数据存储等过程组成，整个系统程序都是采用结
27、构化方式进行设计的。血糖仪的相关子程序包括：AD转换子程序、血糖值显示子程序、液晶显示子程序等。这种通过软件方法来优化系统的设计思想不仅简化了仪器硬件结构，而且降低了仪器功耗、成本和体积。,Logo,Logo,Logo,软件设计血糖值显示及报警程序设计,血糖仪的调试与仿真问题及解决办法,在硬件设计和调试过程中，有些器件的选择很盲目，例如最初在选择电阻时由于PROTEUS中电阻类型很多，随意的选择并不能实现所要达到的功能,还由于没有考虑到芯片的特性,引脚布局和实际不符，模块的搭配不理想等，以至于在仿真的过程中总是提示错误不能运行，通过寻找合适的器件解决了出现的问题。,Logo,PCB板制作,一去
28、耦。每个功能型的重要部件的电源接入端跨接一个100 F 的电解电容；每个集成电路芯片旁边放置一个0.01 pF 的钽电容作为去耦电容。ROM、RAM 存储器件的电源线和地线之间直接接入去祸电容。每10片左右的集成电路要加一片充放电电容(钽电容)，或称为蓄放电容，可以有效地抑制高频噪声。以上的元件引脚尽量短，去耦电容引脚尽量短。,Logo,二正确接地。设想的电路是数字模拟混合的电路，存在着各种“地”。有生物电信号地、模拟地、数字地、机壳地(屏蔽地)。模拟地部分采用串连并联综合一点接地，数字地采用多点接地。数字地和模拟地在一点相接。不同性质的接地线：低电平的模拟地、数字地以及大功率驱动电路的地分开
29、，在电源接入处一点相连。,Logo,三正确选用元件，主要是选择了抗干扰能力强的和精度高的器件，采用能增强抗干扰能力的电路和措施。四加宽电源、地线宽度。地线比电源线宽，它们的关系是：地线电源线信号线，通常信号线宽为：0.2 0.3 mm，最细宽度可达 0.050.07 mm，电源线为1.22.5 mm。对数字电路的PCB 可用宽的地导线组成一个回路，即构成一个地网来使用。,Logo,五时钟产生器尽量靠近到用该时钟的器件。石英晶体振荡器外壳要接，时钟线尽量短。时钟下使用大面积覆铜。石英晶体下面以及对噪声敏感的器件下面不要走线。六用大面积铜层作地线用，在印制板上把没被用上的地方都与地相连接作为地线用
30、。,Logo,七尽量缩短信号引线的长度，并尽量加粗信号引线的长度，以减小信号的衰减。无用端要接高，或接地，或定义成输出端，集成电路上该接电源地的端都要接，不要悬空。以减少外界干扰和噪声对芯片的影响。八印制板尽量使用45折线而不用90折线布线以减小高频信号对外的发射与耦合。九印制板按频率和电流开关特性分区，噪声元件与非噪声元件要距离再远些。弱信号电路，低频电路周围不要形成电流环路。任何信号都不要形成环路，如不可避免，让环路区尽量小。,Logo,造型设计方案,Logo,Logo,Logo,设计中除了基本的测量血糖浓度的功能外，系统还增加了报警系统，使用户不仅可以定时测量，而且还可以及时的了解病情，
31、采取相应措施。综上所述，设计的仪器具有以下特点：携带、使用方便：采用酶电极法原理简化了血糖检测的繁琐程序；报警系统的加入使得用户可以方便的了解自己的血糖状况，进而及时采取有效措施控制病情。,Logo,1 Diabetes Atlas，(third edition)EBOLInternational Diabetes Federation，20072刘娟，王尚奇，简水生血糖浓度检测技术的最新进展J激光生物学报，2005，14(5)：3933963Report of aWHO consultationDefinition，diagnosiS and classification of Diabet
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35、目前世界上人们都关注的并且在当今比较热门的糖尿病病人的血糖测试问题做了一次综合的尝试设计一种简单、适用的血糖仪。目前，无论是国外还是国内，血糖仪的设计己经取得了不错的成果，通过查阅不同的资料和信息，对血糖仪的测试原理有了一定的了解，进而对整个血糖仪设计有了基本完整的构想。,Logo,17杨宁,胡学军单片机与控制技术M.北京:北京航空航天大学出版社,2005:25537018范立南,李雪飞,尹授远.单片微型计算机控制系统设计M.北京:人民邮电出版社,2004:22634219李玉梅.基于MCS-51系列单片机原理的应用设计M.北京:国防工业出版社,2006:32333520睢丙东,魏泽鼎等.单片
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