CN214592070U - 一种人体感应全自动光伏led节能灯 - Google Patents

一种人体感应全自动光伏led节能灯 Download PDF

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Abstract

本实用新型是一种人体感应全自动光伏LED节能灯，包括电源模块、感光模块、人体感应模块、单片机控制模块、驱动模块和LED灯，所述电源模块为各模块供电，所述感光模块与单片机控制模块的输入接口相连接，用于检测光照强度并生成光照强度信号传输至单片机控制模块中，所述人体感应模块与单片机控制模块的输入接口相连接，用于检测周围是否有人并生成人体感应信号传输至单片机控制模块中，所述单片机控制模块的输出接口通过D/A转换模块和驱动模块连接并驱动LED灯，用于根据光照强度信号和人体感应信号生成控制信号控制LED灯的工作功率。本实用新型由光伏独立供电，无需市电供电，且该照明灯工作时根据周围情况全自动工作，无需人工操作。

Description

一种人体感应全自动光伏LED节能灯
技术领域
本实用新型涉及光伏照明和检测技术领域，具体涉及一种人体感应全自动光伏LED节能灯。
背景技术
公园或庭院里的照明灯目前多由市电供电，不仅消耗电能，而且需要供电线路；公园或庭院里的照明灯开关工作往往要人工操作，使用不方便；公园或庭院里的照明灯无论灯周围有人还是无人时都以高亮度工作，会造成一定的能源浪费。
针对上述问题，本实用新型提供一种人体感应全自动的光伏LED节能灯。该照明灯由光伏独立供电，无需市电供电，且该照明灯工作时全自动工作，无需人工进行任何操作。白天周围光照好时LED灯不点亮，光伏电池给蓄电池充电；晚上光照差且灯周围无人时LED灯工作于额定功率以下，比如半功率工作降低亮度以节能，光照差且灯周围有人时LED灯工作在额定状态下，高亮度照明。
实用新型内容
本实用新型的目的在于克服现有技术存在的问题，提供一种人体感应全自动光伏LED节能灯。
为实现上述技术目的，达到上述技术效果，本实用新型通过以下技术方案实现：
一种人体感应全自动光伏LED节能灯，包括电源模块、感光模块、人体感应模块、单片机控制模块、驱动模块和LED灯，所述电源模块为各模块供电，所述感光模块与单片机控制模块的输入接口相连接，用于检测光照强度并生成光照强度信号传输至单片机控制模块中，所述人体感应模块与单片机控制模块的输入接口相连接，用于检测周围是否有人并生成人体感应信号传输至单片机控制模块中，所述单片机控制模块的输出接口通过D/A转换模块和驱动模块连接并驱动LED灯，用于根据光照强度信号和人体感应信号生成控制信号控制LED灯的工作功率。
进一步的，所述驱动模块为压控恒流源，在所述单片机控制模块与压控恒流源之间设有D/A转换模块，用于将来自单片机控制模块的数字控制信号转变为对应的模拟电压信号控制压控恒流源，以驱动LED灯。
进一步的，所述电源模块包括光伏电池、充电电路、蓄电池和辅助电源，所述光伏电池通过充电电路连接并为蓄电池充电，所述蓄电池通过辅助电源分别电连接感光模块、人体感应模块、单片机控制模块和D/A转换模块，进行间接供电，所述蓄电池直接电连接压控恒流源，进行直接供电。
进一步的，所述单片机控制模块采用STC12C5A60S2单片机及相应的单片机最小系统，所述STC12C5A60S2单片机以P2.0引脚连接并接收感光模块的光照强度信号，STC12C5A60S2单片机以P2.1引脚连接并接收人体感应模块的人体感应信号，STC12C5A60S2单片机通过I2C通讯方式给D/A转换模块发出相应的数字控制信号。
进一步的，所述感光模块包括：
由+5V电源端、可调电位器RP1、光敏电阻Rg和地端GND依次串联构成的第一闭合回路；
以及由+5V电源端、第一电阻R1、第一NPN三极管Q1的集电极和射极、地端GND依次串联构成的第二闭合回路；
所述第一NPN三极管Q1的基极与可调电位器RP1和光敏电阻Rg的共同连接端相连接，所述可调电位器RP1的可调端与可调电位器RP1和光敏电阻Rg的共同连接端相连接；
所述第一电阻R1和第一NPN三极管Q1的集电极的共同连接端作为输出端连接单片机控制模块的P2.0引脚。
进一步的，所述人体感应模块包括人体红外感应模块HC-SR501，所述人体红外感应模块HC-SR501的电源输入正端接+5V电源端，电源输入负端接地端GND，输出端经第二电阻R2与第二NPN型三极管Q2的基极相连接，所述第二NPN型三极管Q2的集电极经第三电阻R3连接至+5V电源端，发射极接地端GND，所述第三电阻R3和第二NPN型三极管Q2的集电极的共同连接端作为输出端连接单片机控制模块的P2.1引脚。
进一步的，所述D/A转换模块包括D/A转换芯片PCF8591、可调精密稳压器件TL431、第四电阻R4和第一电容C1，所述D/A转换芯片PCF8591的第1引脚至第4引脚、第5引脚至第8引脚、第12引脚和第13引脚均接地端GND，第16引脚接+5V电源端，并且在第16引脚与地端GND之间连接有第一电容C1，第14引脚与可调精密稳压器件TL431的阴极端子K、基准端子R相连在一起，以获得精准的参考电压，所述可调精密稳压器件TL431的阴极端子K经第四电阻R4连接+5V电源端，阳极极端子A接地端GND，基准端子R与阴极端子K相连接，所述D/A转换芯片PCF8591的第9引脚和第10引脚分别连接单片机控制模块的P1.1引脚和P1.0引脚，用于以I2C通讯方式与单片机控制模块通讯，第15引脚作为输出引脚与压控恒流源相连接，作为其控制电压。
进一步的，所述压控恒流源包括集成运算放大器LM358和第一功率MOS管Q3，所述集成运算放大器LM358的第3脚作为正相输入端连接D/A转换芯片PCF8591的第15引脚，第2脚作为反相输入端连接第一功率MOS管Q3的源极，第8脚连接蓄电池的+12V电源端，第4脚接地端GND，第1脚作为输出端连接第一功率MOS管Q3的栅极，所述蓄电池的+12V电源端、LED灯和第一功率MOS管Q3漏极依次连接，所述第一功率MOS管Q3的源极经电流检测电阻RS1接地端GND。
进一步的，所述充电电路包括电感L、二极管D和第二功率MOS管Q4，所述光伏电池的正极端、电感L、二极管D的阳极和阴极、蓄电池的正极端和负极端、光伏电池的负极端依次串接形成回路，所述第二功率MOS管Q4的漏极与电感L和二极管D的阳极共同连接在一起，源极与蓄电池的负极端和光伏电池的负极端共同连接在一起。
本实用新型的有益效果是:
本实用新型可由光伏电池独立供电，无需市电供电，节能环保，可适用于市电供线电路不能到达的地方；配有光敏电阻和人体感应器件，安装完成后全自动工作，无需任何人工操作，使用方便；节能效果明显，系统容量相对小，装置成本相对较低：白天周围光照好时LED灯不点亮，光伏电池给蓄电池充电，光照差且灯周围无人时LED灯工作于额定功率以下，如半功率工作降低亮度以节能，光照差且灯周围有人时LED灯工作在额定状态下，高亮度照明；供电和用电器件都是直流电，易于匹配；点亮LED时均为恒流驱动，LED发光特性好。
附图说明
图1为本实用新型的整体结构框图；
图2为本实用新型的感光模块电路图；
图3为本实用新型的人体感应模块电路图；
图4为本实用新型的D/A转换模块电路图；
图5为本实用新型的驱动模块电路图；
图6为本实用新型的充电电路图；
图7为本实用新型的单片机控制模块最小系统图。
图中标号说明：1、电源模块，11、光伏电池，12、充电电路，13、蓄电池，14、辅助电源，2、感光模块，3、人体感应模块，4、单片机控制模块，5、驱动模块，6、LED灯，7、D/A转换模块。
具体实施方式
下面将参考附图并结合实施例，来详细说明本实用新型。
如图1所示，一种人体感应全自动光伏LED节能灯，包括电源模块1、感光模块2、人体感应模块3、单片机控制模块4、驱动模块5和LED灯6，所述电源模块1为各模块供电，所述感光模块2与单片机控制模块4的输入接口相连接，用于检测光照强度并生成光照强度信号传输至单片机控制模块4中，所述人体感应模块3与单片机控制模块4的输入接口相连接，用于检测周围是否有人并生成人体感应信号传输至单片机控制模块4中，所述单片机控制模块4的输出接口通过D/A转换模块7和驱动模块5连接并驱动LED灯6，用于根据光照强度信号和人体感应信号生成控制信号控制LED灯6的工作功率。
所述驱动模块5为压控恒流源，在所述单片机控制模块4与压控恒流源之间设有D/A转换模块7，用于将来自单片机控制模块4的数字控制信号转变为对应的模拟电压信号控制压控恒流源，以驱动LED灯6。
所述电源模块1包括光伏电池11、充电电路12、蓄电池13和辅助电源14，所述光伏电池11通过充电电路12连接并为蓄电池13充电，所述蓄电池13通过辅助电源14分别电连接感光模块2、人体感应模块3、单片机控制模块4和D/A转换模块7，进行间接供电，所述蓄电池13直接电连接压控恒流源，进行直接供电。
如图7所示，所述单片机控制模块4采用STC12C5A60S2单片机及相应的单片机最小系统，所述STC12C5A60S2单片机以P2.0引脚连接并接收感光模块2的光照强度信号，STC12C5A60S2单片机以P2.1引脚连接并接收人体感应模块3的人体感应信号，STC12C5A60S2单片机通过I2C通讯方式给D/A转换模块7发出相应的数字控制信号。
如图2所示，所述感光模块2包括：
由+5V电源端、可调电位器RP1、光敏电阻Rg和地端GND依次串联构成的第一闭合回路，在本实施例中，+5V电源端由辅助电源14提供；
以及由+5V电源端、第一电阻R1、第一NPN三极管Q1的集电极和射极、地端GND依次串联构成的第二闭合回路；
所述第一NPN三极管Q1的基极与可调电位器RP1和光敏电阻Rg的共同连接端相连接，所述可调电位器RP1的可调端与可调电位器RP1和光敏电阻Rg的共同连接端相连接；
所述第一电阻R1和第一NPN三极管Q1的集电极的共同连接端作为输出端连接单片机控制模块4的P2.0引脚。
在光线好时，光敏电阻Rg阻值小，第一NPN三极管Q1截止，送给STC12C5A60S2单片机的P2.0引脚高电平信号；光线差时，光敏电阻Rg阻值大，第一NPN三极管Q1导通，送给STC12C5A60S2单片机的P2.0引脚低电平信号；调节可调电位器RP1可控制电路在某一光照强度以下时P2.0引脚上得到低电平信号，该光照强度以上时P2.0引脚上得到高电平信号，使得环境光线在某一光照强度下时点亮LED灯6，即环境光线较差时在何种光照强度下点亮LED灯6由可调电位器RP1具体设定。在本实施例中光敏电阻Rg取型号为GL5606的光敏电阻，该光敏电阻亮电阻4KΩ--7kΩ，暗电阻500kΩ，在实际设计安装中可根据需要选取不同的光敏电阻RP1和可调电位器RP1的组合。
如图3所示，所述人体感应模块3包括人体红外感应模块HC-SR501，所述人体红外感应模块HC-SR501的电源输入正端接+5V电源端，电源输入负端接地端GND，输出端经第二电阻R2与第二NPN型三极管Q2的基极相连接，所述第二NPN型三极管Q2的集电极经第三电阻R3连接至+5V电源端，发射极接地端GND，所述第三电阻R3和第二NPN型三极管Q2的集电极的共同连接端作为输出端连接单片机控制模块4的P2.1引脚。
人体红外感应模块HC-SR501在人进入其感应范围输出高电平，人离开感应范围则自动延时关闭高电平，输出低电平。所以，人进入其感应范围时人体红外感应模块HC-SR501通过第二NPN型三极管Q2送给STC12C5A60S2单片机的P2.1引脚低电平信号，人离开感应范围送给STC12C5A60S2单片机的P2.1引脚低电平信号自动延时后变高电平信号。
如图4所示，所述D/A转换模块7包括D/A转换芯片PCF8591、可调精密稳压器件TL431、第四电阻R4和第一电容C1，所述D/A转换芯片PCF8591的第1引脚至第4引脚、第5引脚至第8引脚、第12引脚和第13引脚均接地端GND，第16引脚接+5V电源端，并且在第16引脚与地端GND之间连接有第一电容C1，第14引脚与可调精密稳压器件TL431的阴极端子K、基准端子R相连在一起，以获得精准的参考电压，所述可调精密稳压器件TL431的阴极端子K经第四电阻R4连接+5V电源端，阳极极端子A接地端GND，基准端子R与阴极端子K相连接，所述D/A转换芯片PCF8591的第9引脚和第10引脚分别连接单片机控制模块4的P1.1引脚和P1.0引脚，用于以I2C通讯方式与单片机控制模块4通讯，第15引脚作为输出引脚与压控恒流源相连接，作为其控制电压。
如图5所示，所述压控恒流源包括集成运算放大器LM358和第一功率MOS管Q3，所述集成运算放大器LM358的第3脚作为正相输入端连接D/A转换芯片PCF8591的第15引脚，第2脚作为反相输入端连接第一功率MOS管Q3的源极，第8脚连接蓄电池13的+12V电源端，第4脚接地端GND，第1脚作为输出端连接第一功率MOS管Q3的栅极，所述蓄电池13的+12V电源端、LED灯6和第一功率MOS管Q3漏极依次连接，所述第一功率MOS管Q3的源极经电流检测电阻RS1接地端GND。
在本实施例中，D/A转换芯片PCF8591的第14引脚获得的电压基准为2.50V；设STC12C5A60S2单片机给D/A转换芯片PCF8591的8位二进制数对应的十进制数为a,则D/A转换芯片PCF8591的第15引脚输出VAout电压为：
Figure 432369DEST_PATH_IMAGE002
，
再给出图5中压控恒流源给定的控制电压和输出电流的关系式，图5中，取电流检测电阻RS1=0.5Ω，设压控制恒流源给定的控制电压大小为VAout,第一功率MOS管Q3的漏极电流也即压控恒流源输出电流大小为Io,则有:
Figure 715583DEST_PATH_IMAGE004
，
输出电流Io=1A时，给定的控制电压VAout为0.5V，输出电流Io=2A时，给定的控制电压VAout为1V，依次类推。
如图6所示，所述充电电路12包括电感L、二极管D和第二功率MOS管Q4，所述光伏电池11的正极端、电感L、二极管D的阳极和阴极、蓄电池13的正极端和负极端、光伏电池11的负极端依次串接形成回路，所述第二功率MOS管Q4的漏极与电感L和二极管D的阳极共同连接在一起，源极与蓄电池13的负极端和光伏电池11的负极端共同连接在一起。
硬件电路完成后，可通过程序修改压控恒流源输出电流的大小。
压控恒流源驱动点亮LED灯6时，要让MOS管工作于可调电阻区或尽可能接近可调电阻区。本实施例中采用的MOS管型号为IRF3205 N沟道MOS管，该MOS管在可调电阻区工作时通态电阻Ron=8mΩ；LED灯珠总功率多少根据照明需求选择，在本实施例中，选用同规格参数一致的1W的LED灯珠，4个串联构成一串，共3串，然后3串再并联。串并联的LED灯珠规格参数一致。蓄电池13电压选取原则是每串所有LED灯珠额定电压之和接近于蓄电池供电电压；每串LED灯珠额定电压之和高于供电压时，LED灯珠不能发挥最大效力，亮度偏低；每串LED灯珠额定电压之和比供电电压小很多时，则LED灯6工作在额定电流时,压控恒流源中第一功率MOS管Q3压降会较大，功率浪费很多。蓄电池13的容量同样根据需求来定，选用的LED灯6满载工作时的总功率为13W左右，每天照明10小时，假设其中灯周围有人4小时，则4小时LED灯6满载运行，另6个小时LED灯6以半功率工作，一天的功耗约为13V*7Ah（13V*4Ah+13V*（6/2)Ah）,蓄电池13充满电需要确保一天以上照明则选用12V/10Ah的蓄电池，需确保保两天以上照明选用12V/20Ah的蓄电池。本实施例选用12V/10Ah的蓄电池，光伏电池11选择光照好时一天可以充满蓄电池13的光伏电池，也可根据需要求选取充电时间更长或更短的光伏电池。按一天光照8小时，可选择16W的光伏电池。充电电路12选用Boost电路，所以所选的光伏电池最大工作点电压要低于蓄电池电压，同时不能低太多，太低Boot电路升压困难，本实施例中选取最大工作点电压为10.8V的光伏电池。
在具体安装时，光伏电池11和光敏电阻Rg放在一起，朝向一天当中平均光照最好的方向安装。为防止光敏电阻Rg因意外被遮挡，可装两套感光模块2的电路，两套电路相同，只是输出端连接于STC12C5A60S2单片机的不同引脚，两套光敏电阻Rg处于不同的位置，两套电路中只要有一套检测到光照度好，则不点亮LED灯6；同样为了保证各个方向都能准确检测到灯的周围有人和扩大检测范围，可装多于1个的人体感应模块3，例如采用3个人体感应模块3时，可在灯柱同一平面上依次间隔120°安装。3个人体感应模块3电路一致，只是输出端连接于STC12C5A60S2单片机的不同引脚。
安装完成后，本实用新型装置即可全自动工作。
本实用新型工作过程及原理
感光模块2检测到环境光照强度足够好时，单片机控制模块4给D/A转换模块7输出零信号，D/A转换模块7的输出电压为零，压控恒流源中的第一功率MOS管Q3工作于截止区，压控恒流源输出的电流近乎为零，LED灯6完全不亮。
感光模块2检测到环境光照强度很小甚至无光照时，若人体感应模块3检测到LED灯6周围有人，单片机控制模块4通过D/A转换模块7控制压控恒流源，使LED灯6一直工作在额定电流，高亮度工作。
感光模块2检测到环境光照强度很小甚至无光照时，若人体感应模块3检测到LED灯6周围没有人时，单片机控制模块4通过D/A转换模块7控制压控恒流源周期性工作，一个周期内，单片机控制模块4控制压控恒流源让LED灯6一半时间工作在额定电流状态下，另一半时间的电流近乎为零，也即PWM控制占空比为50%。此时LED灯6工作周期必须小于0.02S，即工作频率50Hz以上，这样保证人眼不会感觉到闪烁，在本设计实例中取其工作频为100Hz。
此外，需要说明的是，除非特别说明或者指出，否则说明书中的术语“第一”、“第二”等描述仅仅用于区分说明书中的各个组件、元素、步骤等，而不是用于表示各个组件、元素、步骤之间的逻辑关系或者顺序关系等。
以上所述仅为本实用新型的优选实施例而已，并不用于限制本实用新型，对于本领域的技术人员来说，本实用新型可以有各种更改和变化。凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种人体感应全自动光伏LED节能灯，其特征在于，包括电源模块（1）、感光模块（2）、人体感应模块（3）、单片机控制模块（4）、驱动模块（5）、LED灯（6）和D/A转换模块（7），所述电源模块（1）为各模块供电，所述感光模块（2）与单片机控制模块（4）的输入接口相连接，用于检测光照强度并生成光照强度信号传输至单片机控制模块（4）中，所述人体感应模块（3）与单片机控制模块（4）的输入接口相连接，用于检测周围是否有人并生成人体感应信号传输至单片机控制模块（4）中，所述单片机控制模块（4）的输出接口通过D/A转换模块（7）和驱动模块（5）连接并驱动LED灯（6），用于根据光照强度信号和人体感应信号生成控制信号控制LED灯（6）的工作功率。
2.根据权利要求1所述的人体感应全自动光伏LED节能灯，其特征在于，所述驱动模块（5）为压控恒流源，在所述单片机控制模块（4）与压控恒流源之间设置D/A转换模块（7），用于将来自单片机控制模块（4）的数字控制信号转变为对应的模拟电压信号控制压控恒流源，以驱动LED灯（6）。
3.根据权利要求2所述的人体感应全自动光伏LED节能灯，其特征在于，所述电源模块（1）包括光伏电池（11）、充电电路（12）、蓄电池（13）和辅助电源（14），所述光伏电池（11）通过充电电路（12）连接并为蓄电池（13）充电，所述蓄电池（13）通过辅助电源（14）分别电连接感光模块（2）、人体感应模块（3）、单片机控制模块（4）和D/A转换模块（7），进行间接供电，所述蓄电池（13）直接电连接压控恒流源，进行直接供电。
4.根据权利要求3所述的人体感应全自动光伏LED节能灯，其特征在于，所述单片机控制模块（4）采用STC12C5A60S2单片机及相应的单片机最小系统，所述STC12C5A60S2单片机以P2.0引脚连接并接收感光模块（2）的光照强度信号，STC12C5A60S2单片机以P2.1引脚连接并接收人体感应模块（3）的人体感应信号，STC12C5A60S2单片机通过I2C通讯方式给D/A转换模块（7）发出相应的数字控制信号。
5.根据权利要求4所述的人体感应全自动光伏LED节能灯，其特征在于，所述感光模块（2）包括：
由+5V电源端、可调电位器RP1、光敏电阻Rg和地端GND依次串联构成的第一闭合回路；
以及由+5V电源端、第一电阻R1、第一NPN三极管Q1的集电极和射极、地端GND依次串联构成的第二闭合回路；
所述第一NPN三极管Q1的基极与可调电位器RP1和光敏电阻Rg的共同连接端相连接，所述可调电位器RP1的可调端与可调电位器RP1和光敏电阻Rg的共同连接端相连接；
所述第一电阻R1和第一NPN三极管Q1的集电极的共同连接端作为输出端连接单片机控制模块（4）的P2.0引脚。
6.根据权利要求5所述的人体感应全自动光伏LED节能灯，其特征在于，所述人体感应模块（3）包括人体红外感应模块HC-SR501，所述人体红外感应模块HC-SR501的电源输入正端接+5V电源端，电源输入负端接地端GND，输出端经第二电阻R2与第二NPN型三极管Q2的基极相连接，所述第二NPN型三极管Q2的集电极经第三电阻R3连接至+5V电源端，发射极接地端GND，所述第三电阻R3和第二NPN型三极管Q2的集电极的共同连接端作为输出端连接单片机控制模块（4）的P2.1引脚。
7.根据权利要求6所述的人体感应全自动光伏LED节能灯，其特征在于，所述D/A转换模块（7）包括D/A转换芯片PCF8591、可调精密稳压器件TL431、第四电阻R4和第一电容C1，所述D/A转换芯片PCF8591的第1引脚至第4引脚、第5引脚至第8引脚、第12引脚和第13引脚均接地端GND，第16引脚接+5V电源端，并且在第16引脚与地端GND之间连接有第一电容C1，第14引脚与可调精密稳压器件TL431的阴极端子K、基准端子R相连在一起，以获得精准的参考电压，所述可调精密稳压器件TL431的阴极端子K经第四电阻R4连接+5V电源端，阳极极端子A接地端GND，基准端子R与阴极端子K相连接，所述D/A转换芯片PCF8591的第9引脚和第10引脚分别连接单片机控制模块（4）的P1.1引脚和P1.0引脚，用于以I2C通讯方式与单片机控制模块（4）通讯，第15引脚作为输出引脚与压控恒流源相连接，作为其控制电压。
8.根据权利要求7所述的人体感应全自动光伏LED节能灯，其特征在于，所述压控恒流源包括集成运算放大器LM358和第一功率MOS管Q3，所述集成运算放大器LM358的第3脚作为正相输入端连接D/A转换芯片PCF8591的第15引脚，第2脚作为反相输入端连接第一功率MOS管Q3的源极，第8脚连接蓄电池（13）的+12V电源端，第4脚接地端GND，第1脚作为输出端连接第一功率MOS管Q3的栅极，所述蓄电池（13）的+12V电源端、LED灯（6）和第一功率MOS管Q3漏极依次连接，所述第一功率MOS管Q3的源极经电流检测电阻RS1接地端GND。
9.根据权利要求8所述的人体感应全自动光伏LED节能灯，其特征在于，所述充电电路（12）包括电感L、二极管D和第二功率MOS管Q4，所述光伏电池（11）的正极端、电感L、二极管D的阳极和阴极、蓄电池（13）的正极端和负极端、光伏电池（11）的负极端依次串接形成回路，所述第二功率MOS管Q4的漏极与电感L和二极管D的阳极共同连接在一起，源极与蓄电池（13）的负极端和光伏电池（11）的负极端共同连接在一起。
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