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基于单片机技术的语音控制小车设计--(..._图文

附:

湘潭市技师学院 毕业论文(设计)





关于单片机控制语音小车的系统设计





机电一体化

班级:





指导教师

2012



2



27



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关于单片机控制语音小车的系统设计

2

目录
1、 引言------------------------------------------(p4) 2、 语音控制小车设计要求------------------------------------------(p5)
2.1 功能要求 2.2 参数说明

3. SPCE061A 特性简介------------------------------------------(p6-p7) 4、系统总体方案介绍------------------------------------------(p8)
5、系统硬件设计------------------------------------------(p8-p12)
5.1 车体介绍 5.2 小车的行走原理 5.3 控制板原理图

6、系统软件设计------------------------------------------(p13-p23)
6.1 系统的主程序设计 6.2 主控制源程序: 6.3 语音识别的原理简介

7、总结------------------------------------------(p24) 8、结束语------------------------------------------(p25)

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基于单片机技术的语音控制小车设计
1、 引言
语音处理技术是一门新兴的技术,它不仅包括语音的录制和播放,还 涉及语音的压缩编码和解码,语音的识别等各种处理技术。以往做这方面 的设计,一般有两个途径:一种方案是单片机扩展设计,另一种就是借助 于专门的语音处理芯片。普通的单片机往往不能实现这么复杂的过程和算 法,即使勉强实现也要加很多的外围器件。专门的语音处理芯片也比较多, 如 ISD 系列、PM50 系列等,但是专门的语音处理芯片功能比较单一,想在 语音之外的其他方面应用基本是不可能的。 SPCE061A 是一款 16 位μ 'nSP 结构的微控制器。 该芯片带有硬件乘法 器,能够实现乘法运算、内积运算等复杂的运算。它不仅运算能力强,而 且处理速度快,单周期最高可以达到 49MHz。 SPCE061A 内嵌 32K 字的 FLASH 程序存储器以及 2K 的 SRAM。 同时该 SOC 芯片具有 ADC 和 DAC 功能, MIC_ADC 通道带有 AGC 自动增益环节, 其 能够很轻松的将语音信号采集到芯片内部,两路 10 位的电流输出型 DAC, 只要外接一个功放就可以完成声音的播放。以上介绍的这些硬件资源使得 该 SPCE061A 能够单芯片实现语音处理功能。 借助于 SPCE061A 的语音特色, 基于单片机技术的语音控制小车设 “

计”实现了对小车前进、后退、左转、右转、停车等语音控制功能.

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2、 语音控制小车设计要求
2.1 功能要求: 1.可以通过简单的 I/O 操作实现小车的前进、后退、左转、右转功能; 2.配合 SPCE061A 的语音特色,利用系统的语音播放和语音识别资源, 实现语音控制的功能; 3.可以在行走过程中声控改变小车运动状态; 4.在超出语音控制范围时能够自动停车。

2.2 参数说明 车体:双电机两轮驱动 供电:电池(四节 AA:1.2V×4 或 1.5V×4) 工作电压:DC 4V~6V 工作电流:运动时约 200mA

3. SPCE061A 特性简介
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SPCE061A 是一款性价比很高的十六位单片机,使用它可以非常方便灵 活的实现语音的录放,该芯片拥有 8 路 10 位精度的 ADC,其中一路为音频 转换通道,并且内置有自动增益电路。这为实现语音录入提供了方便的硬 件条件。两路 10 位精度的 DAC,只需要外接功放(SPY0030A)即可完成语 音的播放。该单片机具有一套易学易用的指令系统和集成开发环境,在此 环境中,它支持标准 C 语言编程,也支持 C 语言与汇编语言的互相调用。 另外还提供了语音录放的库函数,只要了解库函数的使用,就可以很容易 的完成语音的录放、识别等功能,这些都为软件开发提供了方便的条件。 SPCE061A 特性: 16 位μ ’nSP 微处理器; 工作电压: 内核工作电压 VDD 为 3.0V~3.6V(CPU), 口工作电压 VDDH I/O 为 VDD~5.5V(I/O); CPU 时钟:0.32MHz~49.152MHz; 内置 2K 字 SRAM; 内置 32K 闪存 ROM; 可编程音频处理; 晶体振荡器; 系统处于备用状态下(时钟处于停止状态),耗电小于 2μ A@3.6V; 2 个 16 位可编程定时器/计数器(可自动预置初始计数值);
2 个 10 位 DAC(数-模转换)输出通道; 32 位通用可编程输入/输出端口;

14 个中断源可来自定时器 A / B,时基,2 个外部时钟源输入,键唤 醒;

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具备触键唤醒的功能; 使用音频编码 SACM_S240 方式(2.4K 位/秒),能容纳 210 秒的语音 数据; 锁相环 PLL 振荡器提供系统时钟信号; 32768Hz 实时时钟; 7 通道 10 位电压模-数转换器(ADC)和单通道声音模-数转换器; 声音模-数转换器输入通道内置麦克风放大器和自动增益控制(AGC)功 能; 具备串行设备接口; 低电压复位(LVR)功和低电压监测(LVD)功能; 内置在线仿真板(IC E,In-C ircuitEm ulator)接口。

4、系统总体方案介绍
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小车的运动控制采用语音控制和中断定时控制相结合,通过语音触发小

车动作,小车动作之后,随时可以通过语音指令改变小车的运动状态。在 每一次动作触发的同时启动定时器,如果小车由于某些原因不能正常的接 收语音指令,则只要定时时间一到,中断服务程序就会发出指令让小车停 下来。

程序下 载电缆

被控对象 小车

SPCE061A 控制板 控制程 序下载 线

喇叭

电池盒

图1

控制系统所需硬件

5、系统硬件设计
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系统的硬件方面,由于大部分的功能实现都是在 61 板上完成的,只有

电机控制部分电路另外设计在一块独立的电路板上,我们称之为控制板。 下面详细的介绍小车的结构和运行原理以及控制电路板的结构和功能实现。
图2 系统硬件框图 复位按钮

SPCE061 A 芯片

程序下 载接口 MIC 输 入口

控制按钮

图3

系统硬件组装效果图

5.1 车体介绍

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语音控制小车为四轮结构。其中前面两个车轮由前轮电机控制,在连 杆和支点作用下控制前轮左右摆动,来调节小车的前进方向。在自然状态 下,前轮在弹簧作用下保持中间位置。后面两个车轮由后轮电机驱动,为 整个小车提供动力。所以又称前面的轮子为方向轮,后面的两个轮子为驱 动轮。

5.2 小车的行走原理. 直走:由小车的结构分析,在自然状态下,前轮在弹簧作用下保持中间状 态,这是只要后轮电机正转小车就会前进。 倒车:倒车动作和前进动作刚好相反,前轮电机仍然保持中间状态,后轮 电机反转,小车就会向后运动。

图4

小车前进、后退示意图

左转:前轮电机逆时针旋转(规定为正转) ,后轮电机正转,这时小车就会在前后轮共 同作用下朝左侧前进。 右转: 前轮电机反转, 后轮电机正转, 这时小车就是会在前后轮共同作用下朝右侧前进。

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图5

小车转向示意图

5.3 控制板原理图 控制板主要包括:接口电路、电源电路和两路电机的驱动电路,控制 板原理图如下。 接口电路:接口电路负责将 61 板的 I/O 接口信号传送给控制电路板, I/O 信号主要为控制电机需要的 IOB8~IOB11 这四路信号,同时为了方便后 续的开发和完善,预留了 IOB12~IOB15 以及 IOA8~IOA15 接口,可以在这些 接口上添加一些传感器。 电源部分:整个小车有 4 个电源信号:电池电源,控制板工作电源,61 板工作电源,61 板的 I/O 输出电源。系统供电由电池提供,控制板直接采

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用电池供电(VCC) ,然后经二极管 D1 后产生 61 板电源 SPCE061A 在语音控 制小车中的应用 (VCC_61)通过 61 板的 Vio 跳线产生 61 板的端口电源 , (V1) 。
图 6 小车控制电路图

6、系统软件设计
6.1 系统的主程序设计
系统的主程序流程如下图所示:

图7

主程序流程图
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共分为四大部分:初始化部分、训练部分、识别部分、重训操作。 初始化部分:初始化操作将 IOB8~IOB11 设置为输出端,用以控制电机。必要时 还要有对应的输入端设置和 PWM 端口设置等。 训练部分:训练部分完成的工作就是建立语音模型。程序一开始判断小车是否被训 练过,如果没有训练过则要求对其进行训练,并且会在训练成功之后将训练的模型存储 到 Flash,在以后使用时不需要重新训练;如果已经训练过会把存储在 Flash 中的模型 调出来装载到辨识器中。 识别部分:在识别环节当中,如果辨识结果是名字,停止当前的动作并进入待命状 态,然后等待动作命令。如果辨识结果为动作指令小车会语音告知相应动作并执行该动 作, 在运动过程中可以通过呼叫小车 SPCE061A 在语音控制小车中的应用的名字使小车 停下来。 重训操作:考虑到有重新训练的需求,设置了重新训练的按键(61 板的 KEY3) , 循环扫描该按键,一旦检测到此键按下,则将擦除训练标志位(0xe000 单元) ,并等待 复位。复位后,程序重新执行,当检测到训练标志位为 0xffff 时会要求重新对其进行训 练。

6.2 主控制源程序:
//====================================================== // The information contained herein is the exclusive property of // Sunnnorth Technology Co. And shall not be distributed, reproduced, // or disclosed in whole in part without prior written permission. // (C) COPYRIGHT 2003 SUNNORTH TECHNOLOGY CO. // ALL RIGHTS RESERVED // The entire notice above must be reproduced on all authorized copies. //======================================================== //======================================================== // 工程名称: Car_Demo // 功能描述: 实现小车的语音控制 // 涉及的库: CMacro1016.lib // bsrv222SDL.lib // sacmv26e.lib // 组成文件: main.c // Flash.asm, hardware.asm,ISR.asm // hardware.h,s480.h, hardware.inc // 硬件连接: IOA0-----KEY1 // IOA1-----KEY2 // IOA2-----KEY3 // IOB8-----前进 // IOB9-----倒车 // IOB10----左拐 // IOB11----右拐 // 维护记录: 2005-12-12 v1.0 //========================================================
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#include "s480.h" #include "bsrsd.h" #define P_IOA_Data #define P_IOA_Dir #define P_IOA_Attrib #define P_IOB_Data #define P_IOB_Dir #define P_IOB_Attrib #define P_TimerA_Data #define P_TimerA_Ctrl #define P_TimerB_Data #define P_TimerB_Ctrl #define P_Watchdog_Clear #define P_INT_Mask #define P_INT_Clear (volatile unsigned int *)0x7000 (volatile unsigned int *)0x7002 (volatile unsigned int *)0x7003 (volatile unsigned int *)0x7005 (volatile unsigned int *)0x7007 (volatile unsigned int *)0x7008 (volatile unsigned int *)0x700A (volatile unsigned int *)0x700B (volatile unsigned int *)0x700C (volatile unsigned int *)0x700D (volatile unsigned int *)0x7012 (volatile unsigned int *)0x702D (volatile unsigned int *)0x7011

#define NAME_ID 0x100 #define COMMAND_GO_ID 0x101 #define COMMAND_BACK_ID 0x102 #define COMMAND_LEFT_ID 0x103 #define COMMAND_RIGHT_ID 0x104 #define S_NAME #define S_ACT1 #define S_ACT2 #define S_ACT3 #define S_ACT4 #define S_RDY #define S_AGAIN #define S_NOVOICE #define S_CMDDIFF #define S_NOISY #define S_START #define S_GJG #define S_DCZY 0 1 2 3 4 5 6 7 8 8 9 10 11 //给我取个名字吧 //前进 //倒车,请注意 //左拐 //右拐 //Yeah //请再说一遍 //没有听到任何声音 //说什么暗语呀 //说什么暗语呀 //准备就绪,开始辨识 //拐就拐 //倒车,请注意

extern unsigned int BSR_SDModel[100]; // 外 部 变 量 BSR_SDModel[100],辨识器自带 extern void F_FlashWrite1Word(unsigned int addr,unsigned int Value); extern void F_FlashErase(unsigned int sector); unsigned int uiTimeset = 3; //运行时间定时, 调整该参数控 制运行时间
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unsigned int uiTimecont;

//运行时间计时

//============================================================= // 语法格式: void Delay(); // 实现功能: 延时 // 参数: 无 // 返回值: 无 //============================================================= void Delay() { unsigned int i; for(i=0;i<0x3Fff;i++) { *P_Watchdog_Clear=0x0001; } } //============================================================= // 语法格式: void PlaySnd(unsigned SndIndex,unsigned DAC_Channel); // 实现功能: 语音播放函数 // 参数: SndIndex-播放语音资源索引号 // DAC_Channel-播放声道选择 // 返回值: 无 //============================================================= void PlaySnd(unsigned SndIndex,unsigned DAC_Channel) { BSR_StopRecognizer(); //停止识别器 SACM_S480_Initial(1); //初始化为自动播放 SACM_S480_Play(SndIndex, DAC_Channel, 3); //开始播放一段语音 while((SACM_S480_Status()&0x0001)!= 0) //是否播放完毕? { SACM_S480_ServiceLoop(); //解码并填充队列 *P_Watchdog_Clear=0x0001; //清看门狗 } SACM_S480_Stop(); //停止播放 BSR_InitRecognizer(BSR_MIC); //初始化识别器 } //============================================================= // 语法格式: int TrainWord(int WordID,int SndID); // 实现功能: 训练一条指令 // 参数: WordID-指令编码 // SndID-指令提示音索引号 // 返回值: 无
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//============================================================= int TrainWord(unsigned int WordID,unsigned int SndID) { int Result; PlaySnd(SndID,3); //引导训练, 播放指令对应动作 while(1) { Result = BSR_Train(WordID,BSR_TRAIN_TWICE); //训练两次,获得训练 结果 if(Result==0)break; switch(Result) { case -1: PlaySnd(S_NOVOICE,3); return -1; case -2: PlaySnd(S_AGAIN,3); break; case -3: PlaySnd(S_NOISY,3); return -3; case -4: return -4; case -5: PlaySnd(S_CMDDIFF,3); return -5; case -6: return -6; default: break; } } return 0; } //============================================================= // 语法格式: void TrainSD(); // 实现功能: 训练函数 // 参数: 无 // 返回值: 无 //============================================================= void TrainSD() {
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//没有检测出声音

//需要训练第二次

//环境太吵

//数据库满 //检测出声音不同

//序号错误

while(TrainWord(NAME_ID,S_NAME) != 0) ; //训练名称 while(TrainWord(COMMAND_GO_ID,S_ACT1) != 0) ; //训练第 1 个动作 while(TrainWord(COMMAND_BACK_ID,S_ACT2) != 0) ; //训练第 2 个动作 while(TrainWord(COMMAND_LEFT_ID,S_ACT3) != 0) ; //训练第 3 个动作 while(TrainWord(COMMAND_RIGHT_ID,S_ACT4) != 0) ; //训练第 4 个动作 } //============================================================= // 语法格式: void StoreSD(); // 实现功能: 存储语音模型函数 // 参数: 无 // 返回值: 无 //============================================================= void StoreSD() { unsigned int ulAddr,i,commandID,g_Ret; F_FlashWrite1Word(0xef00,0xaaaa); F_FlashErase(0xe000); F_FlashErase(0xe100); F_FlashErase(0xe200); ulAddr=0xe000;//******** for(commandID=0x100;commandID<0x105;commandID++) { g_Ret=BSR_ExportSDWord(commandID); while(g_Ret!=0) //模型导出成功? g_Ret=BSR_ExportSDWord(commandID); for(i=0;i<100;i++) // 保 存 语 音 模 SD1(0xe000---0xe063) { F_FlashWrite1Word(ulAddr,BSR_SDModel[i]); ulAddr+=1; } } } //============================================================= // 语法格式: void StoreSD(); // 实现功能: 装载语音模型函数 // 参数: 无 // 返回值: 无 //============================================================= void LoadSD() { unsigned int *p,k,jk,Ret,g_Ret; p=(int *)0xe000;



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for(jk=0;jk<5;jk++) { for(k=0;k<100;k++) { Ret=*p; BSR_SDModel[k]=Ret; p+=1; } g_Ret=BSR_ImportSDWord(); while(g_Ret!=0) g_Ret=BSR_ImportSDWord(); } }

//装载语音模型

//模型装载成功?

//============================================================= // 语法格式: void GoAhead(); // 实现功能: 前进子函数 // 参数: 无 // 返回值: 无 //============================================================= void GoAhead() //前进 { PlaySnd(S_ACT1,3); //提示 *P_IOB_Data=0x0100; //前进 *P_INT_Mask |= 0x0004; //以下为中断定时操作 __asm("int fiq,irq"); uiTimecont = 0; } //============================================================= // 语法格式: void BackUp(); // 实现功能: 后退子函数 // 参数: 无 // 返回值: 无 //============================================================= void BackUp() //倒退 { PlaySnd(S_DCZY,3); //提示 *P_IOB_Data=0x0200; //倒退 *P_INT_Mask |= 0x0004; //以下为中断定时操作 __asm("int fiq,irq"); uiTimecont = 0; } //=============================================================
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// 语法格式: void TurnLeft(); // 实现功能: 左转子函数 // 参数: 无 // 返回值: 无 //============================================================= void TurnLeft() //左转 { PlaySnd(S_GJG,3); *P_IOB_Data=0x0900; //右转 Delay(); //延时 *P_IOB_Data=0x0500; //左转 *P_INT_Mask |= 0x0004; //以下为中断定时操作 __asm("int fiq,irq"); uiTimecont = 0; } //============================================================= // 语法格式: void TurnRight(); // 实现功能: 右转子函数 // 参数: 无 // 返回值: 无 //============================================================= void TurnRight() //右转 { PlaySnd(S_GJG,3); //语音提示 *P_IOB_Data=0x0500; //左转 Delay(); //延时 *P_IOB_Data=0x0900; //右转 *P_INT_Mask |= 0x0004; //以下为中断定时操作 __asm("int fiq,irq"); uiTimecont = 0; } //============================================================= // 语法格式: void Stop(); // 实现功能: 停车子函数 // 参数: 无 // 返回值: 无 //============================================================= void Stop() //停车 { *P_IOB_Data=0x0000; //停车 PlaySnd(S_RDY,3); //语音提示 }

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//============================================================= // 语法格式: void BSR(void); // 实现功能: 辨识子函数 // 参数: 无 // 返回值: 无 //============================================================= void BSR(void) { int Result; //辨识结果寄存 Result = BSR_GetResult(); //获得识别结果 if(Result>0) { *P_IOB_Data=0x0000; switch(Result) { case NAME_ID: Stop(); break; case COMMAND_GO_ID: GoAhead(); break; case COMMAND_BACK_ID: BackUp(); break; case COMMAND_LEFT_ID: TurnLeft(); break; case COMMAND_RIGHT_ID: TurnRight(); break; default: break; } } //有语音触发? //临时停车

//识别出名称命令 //停车待命 //识别出第一条命令 //执行动作一:直走 //识别出第二条命令 //执行动作二:倒车 //识别出第三条命令 //执行动作三:左转 //识别出第四条命令 //执行动作四:右转

} //============================================================= // 语法格式: void IRQ5(void); // 实现功能: 中断服务子函数 // 参数: 无 // 返回值: 无 //============================================================= void IRQ5(void)__attribute__((ISR)); //运动定时控制 void IRQ5(void)
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{ if(uiTimecont++ == uiTimeset) { *P_IOB_Data = 0x0000; } *P_INT_Clear = 0x0004; } //============================================================= // 语法格式: int main(void); // 实现功能: 主函数 // 参数: 无 // 返回值: 无 //============================================================= int main(void) { unsigned int BS_Flag; //Train 标志位 *P_IOA_Dir=0xff00; *P_IOA_Attrib=0xff00; *P_IOA_Data=0x0000; *P_IOB_Dir=0x0f00; *P_IOB_Attrib=0x0f00; *P_IOB_Data=0x0000; BSR_DeleteSDGroup(0); BS_Flag=*(unsigned int *)0xe000; if(BS_Flag==0xffff) { TrainSD(); StoreSD(); } else { LoadSD(); } PlaySnd(S_START,3); BSR_InitRecognizer(BSR_MIC); while(1) { BSR(); if((*P_IOA_Data)&0x0004)
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//初始化 IOA,IOA0~7 下拉输入

//初始化 IOB,IOB8~11 同向输出

//初始化存储器 RAM //读存储单元 0xe000 //没有经过训练(0xe000 内容为 0xffff) //训练 //存储训练结果(语音模型) //经过训练(0xe000 内容为 0x0055) //语音模型载入识别器

//开始识别提示 //初始化识别器

//是否重新训练

{ F_FlashErase(0xe000); while(1); } } }

6.3 语音识别的原理简介
语音识别主要分为“训练”和“识别”两个阶段。在训练阶段,单片 机对采集到的语音样本进行分析处理,从中提取出语音特征信息,建立一

个特征模型;在识别阶段,单片机对采集到的语音样本也进行类似的分析 处理,提取出语音的特征信息,然后将这个特征信息模型与已有的特征模 型进行对比,如果二者达到了一定的匹配度,则输入的语音被识别。语音 识别的具体流程如下图所示:
图 8 语音识别流程图
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7、总结
本设计综合应用了 SPCE061A 丰富的软硬件资源,成功的实现了语音 控制功能。在硬件方面,有较高的执行速度、内置的硬件乘法器、ADC 和 DAC 功能、内置的 AGC 自动增益环节,这些为语音处理提供了强大基础。 在软件方面,标准的 C 语言编程,丰富的语音资源函数为编程提供了很大 的方便。该设计方案结构简单,以单芯片实现了语音播放与识别以及电机 控制功能,相当于“语音识别芯片+ 普通单片机”的功能。但是比“语音 识别芯片+普通单片机” 方案实现起来要简单很多, 而且成本也会降低很多。 该语音控制小车操作比较简单,训练和识别成功的几率也比较高,是一个 典型的语音识别应用方案。

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8、结束语
此次毕业论文(设计)撰写, 从选题到论文终稿完成历时二月有 余,在这段日子中,我翻阅了大量的参考文献,寻找设计依据,确定设计 方案,对硬件、软件进行了精心设计与调试。现在回忆起来感到确有不小 的收获。经过这次毕业设计,又学到了不少的新知识,比如说我们“机电 一体化”专业是以电方面的知识为主,很少涉及到机械方面的知识,而两 者之间结合方面更是少之又少,通过此次毕业设计,不但很好地复习了自 己的专业知识,也了解了单片机系统等新知识,真正明白了如何实现机电 一体化。 论文的撰写过程,得到老师精心指导和点评,基本完成了“基于 单片机技术的语音控制小车设计” 论文终稿。在此我衷心向老师您道一 声:老师您幸苦了,我诚挚感谢您! 祝福您身体健康、万事如意。谢谢!! !

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