数显磁力搅拌器的设计与制作

编号
毕业设计（论文）题目数显磁力搅拌器的设计与制作
二级学院应用技术学院
专业电气工程及其自动化（电力拖动方向）
班级112217402
学生姓名李中志学号11221740223
指导教师邱宇职称副教授
时间
目录
摘要 (I)
ABSTRACT (II)
1绪论 (1)
1.1课题背景 (1)
1.2开发背景 (1)
1.3选题意义 (2)
1.4本文的主要内容 (2)
2系统总体设计 (3)
2.1系统总方案讨论 (3)
2.1.1 控制系统方案选择 (3)
2.1.2搅拌子驱动方式选择 (5)
2.2主要芯片选型 (6)
2.2.1STC15W4K32S4的主要特性 (6)
2.2.2 选择STC15W4K32S4的原因 (7)
3硬件电路组成 (9)
3.1转速检测回路及方案论证 (9)
3.2温度检测回路 (11)
3.3按键电路 (11)
3.4显示电路 (13)
3.5单片机及电机供电电源设计 (13)
3.5.1 元器件的选型 (14)
4 硬件电路设计 (15)
4.2H桥原理 (16)
4.3系统的硬件电路的设计与分析 (16)
4.4H桥的驱动电路设计方案 (17)
4.5主电路设计 (19)
5机械结构设计 (20)
5.1机械结构部件组成 (20)
5.2机械结构总体装配图 (21)
6系统软件程序设计 (22)
6.1主程序及系统初始化模块 (22)
6.2变量定义 (23)
6.3按键控制部分 (23)
6.4温度检测部分 (24)
6.5显示控制部分 (25)
6.6定时器部分 (25)
6.7PWM部分 (25)
7系统调试 (27)
7.1显示电路 (27)
7.2电机部分 (28)
7.3A/D部分 (28)
7.4按键部分 (29)
7.5温度部分 (29)
7.6PWM部分 (30)
7.7转速部分 (30)
9 致谢 (33)
参考文献 (34)
附录1实物样机 (36)
附录2 程序清单 (38)
摘要
数显磁力搅拌器是用于液体混合的实验室仪器，其主要用于搅拌或同时加热搅拌低粘稠度的液体或固液混合物。

磁力搅拌器的工作原理遵循磁的库仑定律，即两个相隔一定距离的磁体,由于磁磁场的感应效应，它们不需要任何传统机械构件,通过磁体的耦合力，就能把功率从一个磁体传递到另外一个磁体，构成一个非接触传递扭矩机构。

因此，本设计对数显磁力搅拌器进行了研究。

直流电机作为外部旋转磁场的动力来源，也是目前最常用的手段和方法。

对电机的启动、停止和速度调节控制是实现良好搅拌的关键，本设计采用脉宽调制控制电机电枢电压的通断时间来调节电机的转速，并通过光电门传感器检测电机的转速。

STC15W4K32S4是本次设计的控制核心，DS18B20温度传感器是本次设计液体检测工具。

LCD12864显示屏作为本次设计的显示核心，它能够将搅拌器的实时工作状态进行快速有效的反馈给操作者。

关键词：磁力搅拌器；直流电机；H桥；PWM脉宽调制；DS18B20温度传感器
Abstract
Digital magnetic stirrer is used for liquid mixture of laboratory equipment, mainly used for mixing or heating and mixing of low viscosity liquid or solid-liquid mixture. The working principle of magnetic stirrer follow magnetic coulomb's law, namely two magnets at intervals, due to the induction effect of magnetic field, they do not need any traditional mechanical components, through the bonding force of magnets, can make the power transmitted from a magnet to another magnet, constitute a non-contact transmission torque mechanism. Based on this, the design of digital magnetic stirrer were studied.
DC motor as the power source of the external rotating magnetic field, but also the most commonly used means and methods. Of motor start, stop and speed control is the key to the realization of the well stirred, this design adopts the pulse width modulation control on-off time of the motor armature voltage to adjust the motor speed, and through the photoelectric door sensor measuring motor speed. STC15W4K32S4 is the design of the control core. DS18B20 temperature sensor is the design of the liquid testing tool. LCD12864 display as the core of this design, it can be the blender of the real-time operating status of fast and effective feedback to theoperator.
Key words: Magnetic stirrer；DC motor；H-bridge；PWM pulse width modulation；
DS18B20 temperature sensor
1绪论
1.1课题背景
磁力搅拌器是用于液体混合的实验室仪器，主要用于搅拌或同时加热搅拌低粘稠度的液体或固液混合物。

磁力搅拌器的工作原理遵循同名磁极相互排斥、异名磁极相互吸引的原理，即两个相隔一定距离的磁体，由于磁场的感应效应，它们不需要任何传统机械结构连接，仅通过磁体的耦合力，就能把功率从一个磁体传递到另外一个磁体，构成一个非接触传递扭矩机构[1]。

工作时通过直流电机带动外部永久磁体进行转动，同时通过磁场耦合原理驱动液体容器内的带磁性的搅拌子进行旋转运动，从而实现将外部旋转动力传递到液体容器内部里的搅拌子，继而实现对高压容器中的液体进行搅拌。

因而在工程应用中可实现静密封、耐高压、无泄漏搅拌的目的。

配合加热温度控制系统，可以实现不同实验的加热要求并控制搅拌液体的温度，维持实验条件所需的温度条件，从而保证液体混合达到实验需求。

电机作为外部旋转磁场的动力来源，对电机的启动、停止和速度调节控制是实现良好搅拌的关键。

在小型磁力搅拌器中，通常采用直流电机带动外部磁体旋转形成旋转磁场。

随着电力电子技术的发展，对磁力搅拌器的调速逐步从模拟电路实现转变成数字电路，尤其是近几年来单片机技术的成熟及普及，使得磁力搅拌器功能更加多样化，控制技术更加智能化，操作使用更加人性化。

1.2开发背景
随着各行各业加工工艺的要求提高，传统的桨式搅拌器不能满足现代工艺的要求，必须采用更加先进的磁力搅拌方式。

磁力搅拌器依靠同名磁极相互排斥，异名磁极相互吸引的原理，让放在容器里的搅拌子实现无轴旋转，从而带动容器里的液体转动实现搅拌的目的。

由于它采用无轴驱动，在许多场合下都能将需要搅拌的液体做到密封，使之不发生泄漏或溢出。

所以它能够适应搅拌要求非常苛刻的环境，如搅拌有毒，易燃，易爆等化学物质。

如果采用传统搅拌器搅拌以上物质，由于受传动装置的限制不能将搅拌液体做到密封，很有可能会造成有毒、有强腐蚀性的液体溢出，还有可能会将机械传动装置给腐蚀掉，造成实验器材的损坏。

因此，本设计在不改变搅拌器驱动电机的电压下采用脉宽调制（PWM）控制电
机电枢电压通断的时间来控制电机的转速，从而通过磁力耦合原理控制搅拌子旋转达到调速的目的。

1.3选题意义
在磁力搅拌器使用上，磁力搅拌技术对各个领域发挥着不可或缺的作用，随着科学技术的发展和改进，更使磁力搅拌器的使用范围得到进一步的扩展，特别是在搅拌有强腐蚀性等常规搅拌器无法搅拌的物质上更能体现出非常可观的优势；在控制系统上，由于需要直流电机旋转带动永久磁铁从而驱动放在液体里面的搅拌子，所以对电机的控制是磁力搅拌器最实质的东西，这个课题的核心问题最终归结于PWM脉宽调制上，PWM脉宽调制在多个领域都有运用，比如灯光的亮度调节，交直流电机的调速等；在市场需求上，由于传统搅拌器不能满足现代加工工艺的需求，从而触发了人们开拓使用磁力搅拌器或者研究更加智能化搅拌器的市场。

为了进一步探讨及解决这些问题，我选择了数显磁力搅拌器这个课题。

1.4本文的主要内容
本次设计通过改变加有电压的滑动变阻器阻值,从而通过单片机自带的A/D端口将其实时电压值读回并存储于单片机内部相应的寄存器中，在输出PWM波时将其调用并与电压最大值进行相除得出PWM的占空比,然后通过单片机的PWM端口输出任意占空比的PWM波,从而控制电枢电压在一定时间范围内的平均值大小以达到数显磁力搅拌器的平稳调速。

按键控制搅拌器的正转和反转，温度传感器传回搅拌液体温度，并通过液晶显示屏进行实时显示搅拌器的工作状态。

本文主要从控制系统方案的选择，机械结构的设计，硬件的设计，软件设计及调试等几个方面阐述了数显磁力搅拌器，着重论述了调试过程中在硬件及软件上遇到的各种问题并提出了相应的解决方案。

2系统总体设计
2.1系统总方案讨论
2.1.1 控制系统方案选择
方案一：模拟式脉宽调制调速[2]。

通过555定时器的无稳态模式产生脉宽可调的PWM波，其波形占空比通过调整滑动变阻器而改变。

再将其调制完成的PWM 波通过驱动电路及功放电路最后调节电机一端的电位，通过改变加在电机两端的电压来对其电机调速。

其原理图如下：
图2.1方案一系统结构
随着单片机控制技术的发展，对电机的调速控制一般采用单片机作为控制器的数字电路已成为主流，目前运用单片机输出PWM波对直流电机进行调速的方案有以下两种方式：
方案二：数字式脉宽调制型非线性DC/DC开关变换[3]。

该方案由单片机产生PWM波通过DC/DC转换器将其电压幅度成倍的转换成搅拌器的额定工作电压，其占空比没有发生任何改变，所以此方案也常被人们采用。

其系统结构如下图：
图2.2方案二系统结构
方案三：基于电机驱动和STC15W4K32S4单片机数字式脉宽调制型[4]。

以STC15W 系列单片机为控制器来产生PWM 脉冲,并通过光耦再将信号传递给电机驱动电路，这里使用光耦的原因是实现电机驱动电路与单片机控制电路的强弱电隔离，避免出现损坏单片机I/O 端口。

采用4个场效应管构成电机H 桥驱动电路,实现对电机正反转的控制，PWM 波的占空比控制电机的转速,利用安装在从动齿轮上的叶片和红外传感器构成的计数装置对电机的转速的进行测量，再通过外部旋钮调整电机的转速，按键控制电机启停和正反转。

此方案不仅造价便宜，而且有很高的实用价值。

其系统框图如下所示：
单片机电源板
(AC-DC)
电机
驱动
电路显示电路外部旋钮M
测速电路5V
电机额定电压
PWM 输出AD 转换按键
测温
模块
图2.3方案三系统结构
方案一通过改变电机电枢电压来实现调速，虽然能够实现对电机的调速，但是
它不能实现搅拌器的正反转，且没有显示功能和测速模块。

并且这种方案硬件部分复杂，功能单一，不能反应搅拌器的实时工作状况，操作者需要凭经验来判断当前的搅拌速度等情况，此方案操作性差且不安全。

方案二可以实现设计目的，但是从经济方面要求的元器件都比较贵重，所以放弃了这个方案。

方案三中可以使用外部旋钮调节电机转速，调速方式直观可靠方便。

通过AC220V/双DC6V功率为20W的变压器对电压进行变压整流之后，分控制电源和电机驱动电源两个部分，电路中电机驱动电源部分电压为8.5V直接给到电机驱动器，而控制电源部分则通过7805稳压得到安全且稳定的5V直流电源。

鉴于以上对三种方案的分析，此次系统设计总方案我采用方案三。

2.1.2搅拌子驱动方式选择
方案一:其结构如下图所示，它采用的驱动方式是直流电机，通过直流电机的转动带动固定在电机上的辅助齿轮，再由辅助齿轮上的永久磁铁通过磁力耦合作用使搅拌子旋转。

图2.4 磁力搅拌系统结构图
方案二:采用线圈代替永久磁铁，通过改变电流流入和电流流出方向实现磁极的变换。

为了旋转速度平滑，线圈数量最好成对使用。

图2.5 磁力搅拌器螺旋线圈放置图图2.6电流流过螺旋线圈产生磁场
方案一机械结构笨重，需要齿轮传动机构，噪音比较大，分别还需要一个电机和一个电机驱动。

由于电机采用垂直安装，制作出来的搅拌器显得比较厚重，这使搅拌器的美观性设计大打折扣。

方案二至少需要4组线圈，其线圈控制逻辑跟控制步进电机旋转[7]类似，按线圈1，2，3，4依次通电后断电可实现正转，反之反转。

其转动速度由通断电的频率决定，单位时间内通电次数越多转子转速就越快。

其机械结构相比方案一简单了许多，由于省去了电机及齿轮传动机构大大降低了噪音和厚度，用于实验室也比较适合。

但由于4组线圈都需要驱动电路，且线圈也都价格比较昂贵。

所以我只有放弃方案二，转而选择采用方案一。

2.2主要芯片选型
2.2.1STC15W4K32S4的主要特性
STC15W4K32S4片内RAM 数据存储器可达4K ；高速，1个时钟/机器周期速度比传统8051快7~12倍；供电电源宽电压（2.5V~5.5V ）；具有低功耗设计；不需要外部复位电路和外部晶振电路，内置高可靠复位电路和高精度R/C 时钟；I/O 口可通过内部寄存器设置成4种模式：弱上拉，强上拉，高阻，开漏；比较器和串口等。

STC15W4K32S4系列的单片机内部集成了一组（各自独立6路）增强型带死区控制PWM 波形发生器和8路10位A/D 转换器端口。

PWM 波形发生器内部有一个15位的PWM 计数器供6路PWM 使用，用户可以设置每路PWM
的初始电平。

此
外PWM波形发生器为每路PWM又设计了两个用于控制波形翻转的计数器T1/T2，可以非常灵活的每路PWM的高低电平宽度，从而达到对PWM的占空比以及PWM 的输出延迟进行控制的目的。

由于6路PWM是各自独立的，且每路PWM的初始状态可以进行设定，所以用户可以将其中的任意两路配合起来使用，即可实现互补对称输出以及死区控制等特殊应用。

STC15W4K32S4各个端口可通过寄存器PxM1和PxM0设置成相应的模式，具体设置参数如下表：
增强型的PWM波形发生器还设计了对外部异常事件（包括外部端口P2.4的电平异常、比较器比较结果异常）进行监控的功能，可用于紧急关闭PWM输出。

PWM 波形发生器还可在15位的PWM计数器归零时出发外部事件（ADC转换）。

2.2.2 选择STC15W4K32S4的原因
STC15W4K32S4内部集成了A/D转换器模块和PWM发生器模块，这使用户可以直接运用STC15W4K32S4的内部资源，因为不需要T0、T1定时器生成PWM波，从而大大节约了单片机的内部资源，提高了程序的运行效率。

图2.7STC15W4K32S4引脚标注图
图2.8 STC15W4K32S4实物图
3硬件电路组成
3.1 转速检测回路及方案论证
本次设计中选用的直流电机型号为RS550PH-9V，该电机是10齿，由于电机需要带动永久磁铁旋转，所以需要增加一个辅助齿轮，便于安装永久磁铁。

我选用的辅助齿轮为70齿，直径50mm。

方案一：采用红外对射光电传感器进行转速测量[5]。

顾名思义它采用红外线对障碍物进行检测，当障碍物经过一次就由光电脉冲转换电路发出一个高电平，再由脉冲整形电路将波形尽可能整形为方波，再通过单片机计数器对脉冲的个数进行计数并通过LCD进行显示。

其原理图如下：
3.1直流电机红外线对射测转速原理图
方案二：采用开关型霍尔传感器进行转速测量[6]。

首先霍尔传感器是通过霍尔效应原理制作而成的一种磁场检测传感器。

它通过对磁场强度的检测，当磁场强度大于某值时，传感器输出高电平，当磁场强度低于某值时传感器输出低电平。

如下图UGN3040型霍尔传感器，传感器将磁场信号转换成电信号并通过放大电路进行信号放大后,再经脉冲转换电路和脉冲整形电路处理输出脉冲,最后由单片机对脉冲个数进行计数并显示。

图3.2霍尔传感器测速结构及原理
方案三：采用光电门传感器进行转速测量[7]。

它采用LED发射光源，光敏二极管对发光源进行检测，当光敏二极管导通时，OUT端为低电平；当光敏二极管截止时，OUT端为高平。

电机带动码盘切割LED光源时，光敏二极管由导通变为截止，OUT端由低电平便为高电平，且因光敏二极管对光感应非常敏感，当码盘遮住光源时，OUT端能够讯速的进行电平的转换，再由单片机
对其进行计数从而实现对电机速度的测量。

(a)光电门传感器测速结构
（b）光电门传感器原理图
图3.3光电门传感器测速结构（a）及原理图（b）
对于器件成本而言，光电测速元件和霍尔测速元件成本都较低，且市面上很容易买到；对于安装难易而言，方案一和方案三机械结构安装都比较简单，只需在转轴上安装一对或多对叶片即可。

而方案二一般需要设计专用的附件，需要在叶片上安装小磁铁，且安装复杂，综合成本较高。

就本设计而言，搅拌子需要通过永久磁铁耦合才能实现转动，霍尔传感器用在本设计会被外部永久磁铁干扰导致转速测量有很大的误差，以致于不得不采用其它方案。

由于我选用的9V直流有刷电机RS550，它的额定转速每秒300转，再通过1:7的减速齿轮后测量的速度就更低，方案一和方案三完全能够胜任测速的要求。

但是方案一安装调试比较麻烦。

基于以上分析，我选用光电门传感器做为本次设计的转速测量器件。

3.2温度检测回路
为了使搅拌溶液温度测量准确，且便于数据传输和转换。

本设计我采用
DS18B20数字式温度传感器[9]做为本次的温度检测元件，它采用一线式数据总线传输，不但使电路进一步得到简化，而且在实际电路应用中能做到分布式检测。

其接线原理图如下：
图3. 4温度传感器
3.3按键电路
本次设计键盘电路由4个按键组成，分别实现搅拌器的启动、停止、正转和反转。

针对键盘电路我先后做了两个方案，首先采用方案一做调试，但是最后发现会出现按键延迟和按下无反应等情况，所以最终制作出了方案二。

方案一：采用STC15W4K32S4单片机的P3端的4个普通I/O口，方案如下图：
图3.5 方案一键盘电路
方案二：采用STC15W4K32S4单片机的P1端的一个A/D端口扩展为键盘输入[10]，方案如下图所示：
图3.6 方案二键盘电路
方案一组成电路比较简单，只需要4个按键即可，需要用到I/O口4个；方案二组成电路相对方案一比较复杂，需要10K电阻4个，1K电阻1个，按键4个，大于47pF无极电容一个，但在I/O口上只需要一个A/D转换输入端口。

两套方案按原理都可实现对搅拌器的启停，正反转控制，但是，我在做程序调试的时候，使用方案一会有按下按键有延迟和没有反应等现象。

对于这种现象首先对程序精简优化，但是最后发现，是因为DS18B20温度传感
器、A/D转换模块、LCD12864显示和PWM模块占用程序时间过多，导致对按键信息扫描响应不过来的情况。

最后多次思考决定，采用方案二作为按键电路，采用方案二不仅仅可以实现其按键功能，而且在编写程序是只需调用A/D转换程序，这大大节约程序空间，将电路焊接完毕并通过调试后，按键延时响应和没有反应等现象消失。

3.4显示电路
由于搅拌器需要显示的信息比较多，包含了当前温度、转速、旋转方向、PWM 占空比等信息，LCD1602很难胜任，更不用说使用七段数码管，所以最后决定使用带中文字库的LCD12864[11]。

原因很简单，能够直观的分辨出显示的内容且有足够的位数。

各端口与单片机接线如下图：
图3.7 LCD12864显示电路
3.5单片机及电机供电电源设计
电源部分是整个系统的重点，能否设计出稳定性好、安全性高、可靠性强的电源是保证整个数显搅拌器系统正常运行的关键。

本设计由直流5V做控制器、显示器等的电源，直流8.5V做电机的驱动电源。

它们相互独立，互不干扰。

具体电路设计如下图：
图3.8电源电路
3.5.1 元器件的选型
对于变压器容量、电容、三端稳压器的最大输出电流等器件的选型是通过单片机、LCD12864、外部滑动变阻器、按键电路、光电测速电路、DS18B20温度传感器、电机驱动电路以及电机等消耗的功耗大小所确定。

通过模拟式万用表对整个电路回路的测量得出：流过整个控制回路（不包括电机驱动电路及电机）的电流大小为150mA左右，电压大小为5V。

采用三端稳压器78L05显然不合适，因其驱动最大电流仅为100mA。

所以，综合考虑此次控制电路三端稳压器采用78M05，它的最大输出电流500mA。

再次通过模拟式万用表对电机驱动回路的电流测量发现：流过电机驱动的电流为1.58A左右，电压为8.5V，其功率为13.6W左右。

加上控制回路所消耗的功率为15W左右。

故变压器我采用220V转双6V容量为20V A的变压器。

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4 硬件电路设计
单片机硬件电路设计[12]应遵循抗干扰能力强，可靠性高等基本原则。

本设计由 电源电路、直流电机驱动电路、转速检测电路、搅拌物温度检测电路、LCD12864 显示电路、按键电路组成，实现磁力搅拌器的启动、停止、正转、反转、调速。

通 过温度传感器、光电门传感器检测搅拌液体的实时温度和搅拌器的实时转速，并将 磁力搅拌器的工作状态信息显示在 12864 显示屏。

下面是整个系统的原理图：
图 4.1 电路总设计图 4.1PWM 控制原理 PWM 控制技术就是对脉冲的宽度进行调制使之获得所需形状和幅值的等效波 形。

就此次设计而言， 它是利用 STC15W4K32S4 单片机控制 PWM 模块输出可调脉 冲[13]特点，输出等幅度不同脉冲宽度的高频信号。

此次调制比较简单，容易获得， 只需将 5V 电源变为幅度为 5V 脉冲宽度随外接 10K 滑动变阻器阻值改变而改变的 波形即可。

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4.2H 桥原理 H 桥是一个典型的直流电机控制电路[14]，如下图所示，因其形状和“H”酷似， 故而称之为 H 桥电路。

从 H 桥的原理图可以看出，4 个场效应管相当于 4 个可控开 关，它们总是对角线导通，如果设定电流从电机左端流入右端流出为正转，如果左 对角线“\”的两个场效应管导通，电机正转。

如果右对角线“/”的两个场效应管 导通，电机反转。

图 4.2 H 桥原理图
4.3 系统的硬件电路的设计与分析 由图 4.2 H 桥电路发现：图中的二极管在电路中的作用是防止电机产生反向电 压时使场效应管烧毁，所以二极管在该电路中起到了一个放电作用，从而避免电源 和场效应管受到大电流而损坏。

但是不难发现图 4.2 单片机的输出端直接与 MOS 管的栅极连接， 这样做的结果 有可能导致单片机的 I/O 被烧毁。

还有，普通的功率 MOS 管，栅极的开启电压都比 较高，3.3V 甚至 5V 都达不到。

MOS 管不能完全开启，后果是源漏之间的电流不够 大， 带负载可能带不动。

而信号用 MOS 管虽然开启电压低， 但带负载能力又不强， 还是带不动负载。

所以需要在上图的基础上添加光电耦合模块，这使单片机的 I/O 端口和 MOS 管的栅极相互隔离，不会因为电压过高而烧毁单片机，具体电路如下 图：
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图 4.3 光耦隔离电路
4.4H 桥的驱动电路设计方案 对于电机驱动电路的设计方案比较多[15]，本设计就不再叙述。

下面列出了两种 电机驱动方案以供选择。

方案一：采用集成电机驱动模块 L298N[16]。

L298N 芯片内部集成了一个大功率 H 桥，它的工作电压最高可达 47V；输出电流最大可达 2A；输出功率可达 25W。

由下图 L298N 内部原理图可以看出 In1、In2 或 In3、In4 分别在接通与门时，同边 的其中一个在通过与门前接了一个非门，这样做的目的是为了防止同边导通从而致 使电源正直接与地短接而烧毁。

图 4.4 L298N 内部原理图
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采用 L298N 集成芯片构成的电机驱动电路如下图所示。

图 4.5 方案一电机驱动电路
方案二： 采用 MOS 开关器件搭建电机 H 桥驱动电路[17]。

此方案需要 N-MOSFET 和 P-MOSFET 各两对增强型场效应管即可完成对电机的控制。

图 4.6 方案二电机驱动电路
方案一采用集成芯片,有利于简化电路,有两个 H 桥,若在调试过程如果烧毁一 个还可利用另外一个做备用； 方案二采用分立元件组成,可靠性高,但没有 H 桥逻辑 电路,容易导致 H 桥同边导通,这样的后果是致使电源正极与电源负极直接导通， 如 果电源没有短路保护装置有可能直接导致电源被烧毁,如在此基础上加上逻辑电路
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