太阳能路灯控制器设计.docx
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太阳能路灯控制器设计
学科分类号：
______
湖南人文科技学院
本科生毕业设计
题目：
太阳能路灯控制器的设计
学生姓名：
学号
系部：
物理与电子信息系
专业年级：
电子信息工程2010级
指导教师：
职称：
副教授
湖南人文科技学院教务处制
湖南人文科技学院本科毕业设计诚信声明
本人郑重声明：
所呈交的本科毕业设计，是本人在指导老师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果，成果不存在知识产权争议，除文中已经注明引用的内容外，本设计不含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。
对本文的研究做出重要贡献的个人和集体均已在文中以明确方式标明。
本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。
作者签名：
二○年月日
太阳能路灯控制器的设计
中文摘要
本文介绍了一种基于单片机的太阳能路灯控制器，系统使用低功耗、高性能的AT89C51单片机作为控制电路的芯片。
此系统由太阳能电池模块，蓄电池，充放电电路，电压采集电路，单片机控制电路组成。
设计使用PWM（脉宽调制）控制技术来控制蓄电池充放电，通过继电器开启和关闭达到控制电池充放电的目的。
实验结果表明，该控制器性能稳定，可以监视太阳能电池和蓄电池电池状态，实现控制蓄电池最优充放电，对蓄电池起到良好的保护作用。
关键词：
太阳能，蓄电池充放电，控制器，AT89C51单片机
ABSTRACT
ThispaperhasintroduceasolarcontrollerwhichisbaseonaMCU,whichisusedalow-powerandhigh-performanceMCUwhichiscalledAT89C51asthecoredevicesofcontrolcircuit.Thissystemiscomposedofasolarpanelsmodule,battery,chargeanddischargecircuit,Voltageandcurrentacquisitioncircuit,MCUcontrolcircuit,Optocouplerdrivecircuit.ItusesthePWM（PulseWidthModulation）technologytocontrolthesolarpanelsrechargetobattery,bycontrollingtheopeningandturn-offofMOSFETintheanalogcontrolcircuit.Theexperimentalresultsshowthatthetheperformanceofthecontrollerisreliable.canbeoverseethestatusofsolarpanelsandbattery.Itcanbringouttheoptimizationoftheabattery,andextendsthelifeofbattery.
Keywords:
Solar,Batterychargeanddischarge,Controller,MCU
第一章绪论
1.1概述
自哥本哈根气候峰会召开以来，环保节能为当今世界热点话题，节能减排，已不仅是政府的一个行动目标，而且还能给企业带来经营上的收入，让城市居民能获得一个较好的生存环境。
节能减排更是一个人类解决环境问题的必经之路。
我国节电潜力仍很大。
在工业领域，通过电力电子技术的开发和应用及对风机水泵等电力拖动系统进行优化，可取得显著的节电效果；在建筑物用电方面，全面实施建筑物的能效标准，特别是改进空调制冷和取暖技术和系统的能效，将有巨大的节电效果。
高效照明和提高家庭、办公用电器的能效也有巨大的节电潜力。
采取多种措施，推动节能节电不仅可取得好的经济效果，还可节约电力建设投资，减小电力建设风险。
如果在产业产品结构调整方面加强引导，使我国的经济结构尽快向低能源强度方向转变，同时加强节能，全面提高能效，我国可能以低得多的电力消费增长，达到GDP翻两番的经济增长目标，同时带来环保、经济效益、能源安全等一系列的效果。
电力系统要全面开展以节电和负荷管理为目的的需求侧管理。
太阳能不仅拥有良好的经济前景，且随其产业化的发展，将提供越来越多的就业机会。
因此太阳能光伏发电市场发展前景相当广阔，已经引起了世界发达国家的高度重视。
与发达国家相比，中国的光伏发电产业发展缓慢，各种光伏材料的发展也相对落后。
现有的路灯大多都是市电供电，以太阳能作为能源的路灯应用不够广泛。
基于这一背景，设计了一款太阳能路灯红外控制自动感应照明智能控制系统，作为一种应用电子类的智能化方案，期望为高校、政府部门、街市等各个公共场所路灯照明设备的智能化管理和能源节约提供方便或帮助。
1.2太阳能路灯的优势
太阳能路灯以太阳光为能源，不需要铺设复杂的管线，安全节能无污染。
基于单片机的太阳能控制系统很好的把太阳能光伏发电技术与单片机智能控制技术结合了起来。
而且具有电路结构简单、工作稳定可靠、实用性强等优点。
综上，太阳能路灯较传统路灯的优势有如下几点：
（1）节能环保：
据统计，所有路灯改为太阳能路灯可以节省一个三峡水电站的发电量。
不仅如此，太阳能是一种清洁的可再生能源，它不仅节约了电能，而且减少了二氧化碳的排放量。
有关数据表明太阳能路灯每年可以减少7740万吨二氧化碳就相当于节省了310亿美元的二氧化碳减量成本！
（2）可靠耐用：
太阳能路灯在恶劣的环境和气候条件下，光伏发电系统很少发生故障；目前绝大多数太阳能电池组件的生产技术都足以保证10年以上性能不下降，太阳能电池组件可以发电25年或更长的时间。
（3）成本低廉：
就产品本身价格和首次投入费用而言，太阳能路灯比普通路灯造价要高。
若按使用寿命15年把运行费用和路灯维护费用考虑进去的话，太阳能路灯在寿命周期内所发生的总费用要比普通路灯的总费用要低。
且规模越大，普通路灯安装的相关费用越高，如把电力增容费用、架设电力变压器、光源的功率因数补偿耗能、电力电缆、远距离线路功率损耗及路灯开启控制系统和管理人员工资等相关费用考虑进去的话实际费用要远大于预计费用。
（4）安全稳定：
运行维护费用低，普通路灯明显高于太阳能路灯，而且会随着使用时间的增长而越来越高（电费、人工等）。
太阳能路灯免维护，绝对安全，不会发生触电事故且可通过改变控制方式来增强其稳定性。
（5）自主供电：
离网运行的太阳能路灯具有供电的自主性、灵活性。
但是太阳能LED路灯的优势远远不只这些。
一般认为，节能灯可节能4/5是伟大的创举，但LED比节能灯还节能1/4，这是固体光源伟大的革新。
除此之外，LED还具有光线质量高，基本上无辐射，可靠耐用，维护费用极为低廉等优势，属于典型的绿色照明光源。
超高亮LED的研制成功，大大地降低了太阳能灯具使用成本，使之达到或接近工频交流电照明系统初装的成本报价，并且具有保护环境、安装简便、操作安全、经济节能等优点。
由于LED具有发光效率高，发热量低等优势，已经越来越多地应用在照明领域，并呈现出取代传统照明光源的趋势。
太阳能与LED相结合的技术运用在路灯领域完全符合“绿色，节能，低成本”的现代化设计理念。
而且针对现阶段太阳能LED路灯研究遭遇技术“瓶颈”而处于“花香”却难“满园绽放”的尴尬境地的情况，这个课题具有很大的研究价值，而从上面一系列的分析中也不难看出这个课题本身所具有的潜在价值更是无法估量的。
1.3太阳能路灯的应用现状
在国家可持续发展战略的推动下，太阳能产业从无到有、从小到大发展起来。
国内各大研究单位都对太阳能路灯作了详尽的研究，特别是近几年来，在“产业上规模、技术上水平、产品上档次和市场上规范”的产业发展思路引导下，太阳能产业得到了快速发展，如太阳能热水器、太阳能光伏电池技术日趋成熟，产品质量不断提高。
近年来，随着我国城市建设规模的不断扩大和建设水平的不断提高，我国城市的路灯总数以每年约20%的平均速度递增，全国数千万盏路灯的节电问题已引起政府部门的关注。
在能源日趋紧张、电力供应持续紧张的今天，低效、高耗的传统城市照明已成为节能降耗的重要领域。
为此，建设部和发改委明确提出城市道路照明要向“高效、节能、环保、健康”的“绿色照明”方向发展。
随着太阳能发电技术的不断发展，太阳能路灯以环保、节能等优势成为城市道路照明行业的新宠，市场潜力巨大。
我国太阳能路灯首先在沿海发达地区使用，上海市于2005年在崇明岛建成风光互补道路照明工程。
在我国西部，非主干道太阳能路灯、太阳能庭院灯渐成规模，太阳能资源相对丰富的青海省自2006年以来已在西宁等地安装太阳能路灯超过200套；在北京奥运会主要场馆及其相关场所，太阳能路灯得到普遍应用。
欧洲各国都在开辟通向持久能源的通道，影响他们决策的主要因素是环境保护、创造就业机会和能源供应的安全可靠，可再生能源技术在这些方面有着较大优势。
它对环境的影响最小、可替代部分常规能源、增加能源供应的安全性和可靠性。
它要求较大的设备投资、创造了更多的就业机会、有助于经济增长。
在欧洲大部分地区，环保的思路推动着替代能源技术的开发，太阳能被公认为是一种极好的替代能源。
它的利用有助于降低CO2的排放，因而达到保护环境，很多国家，如丹麦、芬兰、德国和瑞士，都认为气候变暖是推动太阳能研究开发、发展和销售活动的主要因素。
尽管受到常规能源的低价影响，在欧洲很多国家中，太阳能路灯市场仍然持续增长。
1.4本论文研究的主要内容
（1）太阳能路灯控制器两个主要功能设计，第一通过太阳能给蓄电池充电；第二由蓄电池向路灯供电提供能量。
在此需要根据检测到的太阳能电池与蓄电池的电压来控制蓄电池的充放电。
（2）蓄电池的充电控制主要有三个过程:
主充、均充和浮充，这三个自动阶段主要是实现了三方面的功能，第一个功能是能够实现从充电状态到放电状态的转换，第二个功能是能够实现充电程序判断，第三个功能是能够实现停充控制。
本论文研究的主要内容：
1.分析太阳能光伏发电技术和LED技术。
2.根据太阳能电池板输出特性和蓄电池的特性，设计蓄电池的充放电控制方法。
3.根据LED驱动原理设计LED驱动电路。
4.设计电源控制电路。
5.根据系统方案设计控制器外围电路。
6.编写单片机执行程序。
7.调试、实验硬件电路，实现既定功能。
第二章系统方案论证及选择
2.1方案比较与论证
2.1.1太阳能电池板的选择
太阳能电池板是太阳能路灯中的核心部分，也是太阳能路灯中价值最高的部分。
其作用是将太阳的辐射能转换为电能，或送至蓄电池中存储起来。
在众多太阳光电池中比较普遍且较实用的有单晶硅太阳能电池、多晶硅太阳能电池及非晶硅太阳能电池等三种。
（1）单晶硅太阳能电池性能参数比较稳定，适合在阴雨天比较多、阳光相对不是很充足的南方地区使用；
（2）多晶硅太阳能电池生产工艺相对简单，价格比单晶硅低，适合在太阳光充足、日照好的东西部地区使用；
（3）非晶硅太阳能电池对太阳光照条件要求比较低，适合在室外阳光不足的地区使用。
太阳能电池的工作电压约为蓄电池电压的1.5倍，才能保证给蓄电池正常充电。
如6V蓄电池充电需要用8~9V太阳能电池，给12V蓄电池充电需要用15~18V太阳能电池。
2.1.2蓄电池的选择
由于太阳能光伏发电系统的输入能量极不稳定，所以一般需要配置蓄电池系统才能工作。
一般有铅酸蓄电池、Ni-Cd蓄电池、Ni-H蓄电池。
铅酸蓄电池有多种充电形式，主要为：
恒流充电、恒压充电和3阶段最优形式充电。
一般来讲，这种蓄电池充电时，应外接直流电源（充电极或整流器），使正、负极板在放电后生成的物质恢复成原来的活性物质，并把外界的电能转变为化学能储存起来。
其过充电时间与充电速率有关，实际工作中可以根据电解液比重的变化来判断铅酸蓄电池的充电程度。
镍镉（Ni-Cd）蓄电池的正极为氧化镍，其负极为海绵状金属镉，电解液多为氢氧化钾，氢氧化钠碱性水溶液。
小型密封镍镉电池的结构紧凑，坚固，耐冲击，震动，成品电池自放电小，在使用上适合大电流放电，使用温度范围广，零下40度到零上60度。
镍氢（Ni-H）蓄电池镍氢电池的设计源于镍镉电池，但在改善镍镉电池的记忆效应上，有极大的发展。
其主要的改变，在于以储氢合金取代负极原来使用的镉，因此镍氢电池可以说是材料革新的典型代表。
镍氢电池所造成的污染，会比含有镉的镍镉电池小很多。
蓄电池是太阳能灯具的核心部件，它储存、并释放电能，功能等同于电能仓库。
蓄电池容量的选择一般遵循以下原则：
首先在能满足夜晚照明的前提下，把白天太阳能电池组件吸收的能量尽量存储下来，同时还要能够存储满足连续阴雨天夜晚照明需要的电能。
蓄电池容量过小不能够满足夜晚照明的需要，容量过大，一方面蓄电池始终处在亏电状态，影响蓄电池寿命，同时造成浪费。
蓄电池应与太阳能电池、用电负荷（路灯）相匹配。
可用一种简单方法确定它们之间的关系。
太阳能电池功率必须比负载功率高出4倍以上，系统才能正常工作。
太阳能电池的电压要超过蓄电池的工作电压20~30%，才能保证给蓄电池正常供电。
蓄电池容量必须比负载日耗量高6倍以上为宜。
蓄电池结构分为：
板栅（正极板栅、负极板栅）、隔板、电解质及其它部件（外壳、电气盖等）。
目前市场上蓄电池因酸液不同分为铅酸蓄电池和胶体蓄电池（固体蓄电池）。
铅酸蓄电池因其维护复杂（酸液因为析氢的损耗，需要补充酸液），使用寿命短（3年左右），自恢复能力差等因素，正逐渐被胶体蓄电池所替代。
胶体蓄电池的特点：
1.深度放电后回充电性能强，甚至在放电后未及时补充电的情况下容量也能100％得到回充；
2.循环使用寿命长达8～10年，适合每天使用；
3.适合用于较长时间的放电使用；
4.工作环境温度更高；
5.优越的耐低温性能；
6.适合在电力干线不稳定的环境下使用；
7.无流动的胶体电解液使电解液在电池内部不产生分层现象；
8.自放电小，很小均衡充电；
9.内阻低，充电接受能力强；
10.与普通铅酸蓄电池相比较，电池内部水分损耗小。
综上对比，以及客观条件的要求可得，太阳能灯具优先采用胶体蓄电池。
2.1.3照明灯具的选择
太阳能路灯采用何种光源，是判断太阳能灯具能否正常使用的重要指标，一般太阳能灯具采用低压节能灯、低压钠灯、无极灯、LED光源。
1.低压节能灯：
功率小，光效较高，但使用寿命在2000小时左右，电压低，灯管发黑，一般适合太阳能草坪灯、庭院灯。
2.低压钠灯：
低压钠灯光效高（可达200Lm/w），但需逆变器，低压钠灯价格贵，整个系统造价高，采用较少。
3.无极灯：
功率小，光效较高。
该灯在220V（纯正弦波，频率50赫兹）普通市电条件下使用，寿命可以达到5万小时，但在太阳能灯具上使用寿命大大减少，与普通节能灯差不多（因为太阳能灯具都是方波逆变器，太阳能电源220V输出频率、相位、电压都是不能和普通市电相比的）。
4.LED：
LED灯光源，寿命长，可达100000小时，工作电压低，不需要逆变器，光效较高，国产50Lm/w，进口80Lm/w。
随着技术进步，LED的性能将进一步提高。
笔者认为LED作为太阳能路灯的光源将是一种趋势。
因此，为达到最佳性能要求，选择LED灯具作为光源。
2.1.4控制器芯片的选择
智能化控制芯片中，单片机凭其体积小、封装形式简单、易于焊接、功能齐全、功耗较小等优点不失为最佳选择。
利用单片机完全可以实现路灯亮度的自动调节并能达到节省能源的目的，并且一旦开机就可以智能地持续工作，减少了工作人员的维护量。
在光伏发电系统中，充电器的基本作用是为蓄电池提供最佳的充电电流和电压，能快速、平稳高效的为蓄电池充电，同时保护蓄电池，避免过充现象的发生，并在充电过程中减少损耗，尽量延长蓄电池的使用寿命。
选择控制器的关键取决于芯片的不同和电路的不同，以下从三个方面进行对比论证。
首先是简易并联调节的控制器，其近似可以看作是恒流源对蓄电池充电。
因此，当在蓄电池达到浮充电压点时，蓄电池并没有充满，切断电源后，蓄电池电压会有很大的降落。
如果将浮充电电压点值设定得太高，欲使蓄电池尽量充满，这样又会导致蓄电池的过早损坏。
其充放电曲线不是很好，因此只适用于小功率的用户和要求不高的场合，特别适用于12V和24V输入的220W以下的用户系统。
其次是PIC1F6716，众所周知的PIC系列单片机具有的特点有，哈佛总线结构，精简指令集技术，寻址方式简单、寻址空间独立，代码压缩率高、程序保密性强，功耗低，驱动力强，拥有两种串行总线端口，外接电路简洁，开发方便，运用C语言编程，程序存储器版本齐全等。
具有性能完善，功能强大，学习容易，开发应用方便等优点。
最后，对于芯片AT89C51的单片机。
AT89C51单片机是美国ATMEL公司生产的低电压，高性能CMOS8位单片机，片内含4Kbytes的可反复擦写的Flash只读程序存储器和128bytes的随机数据存储器（RAM），器件采用ATMEL公司的高密度，非易失性存储技术生产，兼容标准MCS-51指令系统。
功能强大的AT89C51单片机可为用户提供许多高性价比的应用场合，可灵活应用于各种控制领域。
AT89C51的芯片管脚图，如：
图2-1
其主要特性为：
·与MCS-51兼容
·4K字节可编程闪烁存储器
·寿命：
1000写/擦循环
·数据保留时间：
10年
·全静态工作：
0Hz-24Hz
·三级程序存储器锁定
·128×8位内部RAM
·32可编程I/O线
·两个16位定时器/计数器图2-1AT89C51单片机管脚图
·5个中断源
·可编程串行通道
·片内振荡器和时钟电路
鉴于对AT89C51比较熟悉，而且对于应用大型功率无人看守的光伏发电系统，直接关系到运行、维修的成本及系统的可靠性因此选择此款芯片。
2.2方案的配置与计算
在众多太阳能路灯实际应用中，很多地方的太阳能路灯不能满足正常照明需要，尤其在阴雨天的情况下更为突出，除使用了质量较差的相关组件外，另一个主要的原因就是一味的降低组件成本，不按需求设计配置，减小电池板和蓄电池的使用标准，所以导致在阴雨天路灯无法提供照明。
2.2.1路灯设计所需的数据
太阳能路灯使用地的经度与纬度。
通过地理位置可以了解并掌握设备使用地的气象资源，比如月（年）的平均太阳能辐照情况、平均气温、大气质量等，根据这些条件可以确定当地的太阳能标准峰值时数（h）和太阳能电池组件的倾斜脚与方位角。
2.路灯所选用光源的功率。
光源功率大小直接影响整个系统的参数。
3.太阳能路灯每天晚上工作时间（H）。
这是决定系统组件大小的核心参数，通过确定工作时间，可以初步计算负载每天的功耗和与之对应的太阳能电池组件的充电电流。
4.太阳能路灯需要保持的连续阴雨天数（d）。
此参数决定了蓄电池容量大小及阴雨天过后恢复电池容量所需要的太阳能电池组件功率。
5.确定两个连续阴雨天之间的间隔天数（D）。
这是决定系统在一个连续阴雨天过后充满蓄电池所需要的电池组件功率。
2.2.3路灯设计参数的确定
以某市为例，安装一批太阳能路灯，光源功率8W，要求路灯每天工作11小时，保证连续7个阴雨天能正常工作。
当地东经114度，北纬23度，年平均日太阳辐射为3.82KW.h/m2，年平均月气温为20.5度，两个连续的阴雨天间隔时长25天。
根据以上资料，计算出光伏组件倾斜角26度，标准峰值时数约4小时。
2.3方案的选择
由单片机根据采集到的控制器的充放电电压电流参数，发出各种控制信号。
实现充放电控制，是使充放电系统能稳定有效地运行。
更好的保护了锂电池。
延长整个太阳能路灯系统的使用年限。
太阳能路灯控制器的电路框图2-1所示。
太阳能电池板接收光照并把太阳能转化为电能，通过充放电控制器为锂蓄电池充电。
锂蓄电池放电同样通过通过控制器来控制LED照明电路。
图2-2太阳能路灯控制器框图
第三章理论基础及单元电路设计
3.1系统设计的理论基础
3.11控制器的理论基础
太阳能路灯控制器是太阳能路灯系统中最为重要的部件，也是各种路灯系统最大的区别所在。
可以说，光伏路灯系统的不同，其实质就是控制器的不同。
其设计的好坏，决定了一个太阳能光伏发电系统运行情况的优劣。
所以设计功能完备，结构简单的智能光伏路灯控制器是非常重要的。
太阳能灯具中,一个性能良好的充电放电控制器是必不可少的。
为了延长蓄电池的使用寿命,必须对它的充电放电条件加以限制,防止蓄电池过充电及深度充电。
在温差较大的地方,合格的控制器还应具备温度补偿功能。
同时太阳能控制器应兼有路灯控制功能,具有光控、时控的功能,并应具备夜间自动切断负载功能,便于阴雨天延长路灯工作时间。
控制模块的基本思想是检测太阳能电池板电压，若白天到，封锁控制电路，LED灯关闭；夜晚，太阳能电池板电压较低，开启控制电路，LED灯点亮。
同时检测蓄电池端电压，判断其充电方式、以及对负载LED的供电方式。
控制器结构电路主要由充电电路、放电电路、单片机外围电路和LED驱动电路等几部分组成。
太阳能控制器功能：
1.电池组件防反充保护；
2.蓄电池过充保护；
3.蓄电池的过放保护；
4.电池组件、蓄电池的反接保护；
5.负载过压保护；
6.智能充电：
增加浮充功能，即恒压控制。
3.1.2太阳能光伏发电的理论
为什么半导体PN结经由太阳光一照就有电呢?
科学家们将这种光照生电的现象叫做“光生伏打效应”，简称“光伏效应”。
光伏效应的核心原理就是PN结的“空穴导电”。
空穴代表着正电荷，正电荷的移动就形成了电流，这个电流就叫“光生电流”，它与光电池板的面积、光照度、光电池板表面温度等因素有关。
实验证明，光生电流的大小，受光电池板安装角度偏差的影响也是非常大的而且变化迅速，在相同实验条件下，光伏电压对安装角度的偏差变化则反应迟钝，受其影响很小。
电池的驱动能力的大小也即电动势的大小与电流是直接相关的，虽然电动势是以“伏特”为单位来表示的，但其“实力”是由内部电流的强弱决定的，实践中我们经常能遇到这样的情况，一节（块）电池的电压还很高，但是电流特别小，电压再高也是虚的。
那什么是电流呢？
电流就是电子的定向移动。
回路中电流的方向永远与电子流动的方向相反。
对太阳能电池来说，光生电流的方向就是“空穴”移动的方向，也就是电子流的反方向。
光生电流决定了太阳能电池的发电效率，因此光电产品和光伏发电工程特别要注意光电池组件板的安装角度。
角度偏差一点，光生电流都会下降很多。
光生电流的产生，表面上看是“空穴导电”形成的，但实质上还是电子的“定向填充空穴”形成的。
那么“空穴移动”和电子“填充空穴”又是怎么回事呢？
先看看太阳能电池的制作材料单晶硅的内部结构。
单晶硅内部的分子结构是四价电子结晶形态。
硅原子靠这四价电子相互间形成强劲有力的离子键从而即相互吸引、又相互排斥，所有的硅原子都形成有规则的排列，竖看成列，纵看成行，美丽而神奇。
原子间的空格也叫晶格，是自由电子活动的空间。
P型半导体就是在美丽的四价单晶硅中掺杂了三价的硼原子，结果，某一个硼原子取代了硅原子，混在晶格中，但因为硼原子周围只有三个电子，必定有一对离子键因失配而呈现“空缺”（缺少单价电子相配），这就存在了一种不稳定或者说不平衡的趋势，“空穴”的形象化比喻由此而来，“空穴”时时表现出使晶格趋于稳定的态势。
这就是P型半导体的特性。
再说N型半导体。
与P型半导体相类似，单晶硅在高温高压下形成结晶态之前，在纯硅当中掺杂了五价的磷原子，结晶形成后，某一个磷原子占据了硅原子的位置混在晶格中，结果必定有一价电子找不到配对、无家可归因而成为不安定因素。
N型半导体就形成了。
现在要做一件好事，就是把P型半导体与
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