摘 要

　　隨著(zhù)半導體制造技術(shù)的發(fā)展，出現了用于可穿戴電子設備的有機自發(fā)光二極管 （Organic Light Emitting Diode,OLED） 顯示面板。生產(chǎn)過(guò)程中每片顯示面板會(huì )被噴上唯一的產(chǎn)品識別，在出售時(shí)這些識別碼會(huì )被生產(chǎn)商記錄下來(lái)，以便解決潛在的客戶(hù)投訴。目前國內的顯示面板的識別碼大多是人工錄入的。人工錄入雖然很簡(jiǎn)單靈活，但是顯示面板的廢品率較高且操作員會(huì )給生產(chǎn)線(xiàn)帶來(lái)不可控的風(fēng)險。為了解決這個(gè)問(wèn)題，本文提出了一種基于單片機與可編程邏輯控制器（Programmable Logic Controller,PLC）的視覺(jué)讀碼（Visual Code Read,VCR）自動(dòng)錄入系統。該系統可以一次性錄入放在給定托盤(pán)中的多個(gè)顯示面板，相比人工系統逐個(gè)錄入的效率大大提高。自動(dòng)錄入系統還可以消除從托盤(pán)中取放顯示面板時(shí)可能存在的磕碰，進(jìn)而降低了產(chǎn)品廢品率。該系統具有可視化的人機交互（Human Machine Interface,HMI）界面，操作者可以很方便用它修改錄入系統的工藝參數。實(shí)驗測試表明該系統具有良好的安全性、穩定性和準確性。

　　本文首先分析了 VCR 手動(dòng)錄入系統的技術(shù)方案和技術(shù)參數，在此基礎上確定了 VCR 自動(dòng)錄入系統的功能和性能指標。然后利用模塊化設計的思想，將系統的總需求拆分成了軟件部分和硬件部分。硬件部分主要包含工作臺、供電電路和控制電路。軟件部分就是運行在單片機和 PLC 的程序。在確定了軟件部分和硬件部分的結構和方案后，完成了硬件元件的設計和軟件程序的開(kāi)發(fā)。最終完成了樣機的制作與實(shí)驗測試。

　　關(guān)鍵詞：顯示面板；VCR 錄入系統；單片機；PLC

ABSTRACT

　　With the development of semiconductor manufacturing technology, organic light emitting diode （OLED） display panels for wearable electronic devices have emerged. Each display panel is marked with a unique production identification number, and the identification number is recorded by the manufacturer for the convenience of handling potential complaints from the customers. The identification number of domestic display panels are mainly record by manually. Manual recording is a simple and flexible way, but the reject rate of the display panel is high and the operator brings uncontrollable production risks to the production line. Aiming to solve this problem, an automatic visual code read （VCR） record system is developed based on a singlechip microcomputer and a programmable logic controller （PLC）。 The proposed system  can record the identification numbers of multiple display panels that lies in a certain tray at one time. Compared with the one by one method in the manual record, the proposed system shows higher efficiency. The developed system also eliminates possible bumps when picking and placing the display panel from the tray, thereby reducing the product rejection rate. The developed system has a visual Human Machine Interface （HMI） interface with which the operator can easily modify the process parameters of the recording process. Experiments show that the system has good safety, stability and accuracy.

　　At the first, the technical scheme and technical parameters of the manual VCR record system are studied in this thesis. The functions and performance indicators of the target automatic VCR record system are concretized. Secondly, the total demands of the automatic system are split into the hardware parts and the software parts, inspired by the idea of modular design. The hardware part mainly includes the workbench, the power supply circuit and the control circuit. The software part is exactly the programsthat run on the one-chip computer and PLC. The detail design of the hardware components and the development of the software program are performed, after drawing the structure and scheme of the software part and the hardware part. Finally, a prototype is fabricated and tested with experiments.

　　KEYWORDS: Display panel; VCR record system; Single-chip microcomputer; PLC

目 錄

　　第一章 緒論

　　1.1 選題背景和意義

　　電路集成度對于實(shí)現小尺寸功能電路至關(guān)重要，而薄膜晶體管（Thin Film Transistor,TFT）現在發(fā)展成為集成電路主流技術(shù)。TFT 主要通過(guò)光刻方式將微小電路刻蝕到玻璃基板上，形成顯示面板的驅動(dòng)電路。

　　隨著(zhù)光刻技術(shù)的不斷進(jìn)步，TFT 的最小尺寸已經(jīng)達到微納級別，這使顯示面板的分辨力不斷提高。近年來(lái)有機電致發(fā)光材料也不斷優(yōu)化更新，顯示面板所需三原色中紅色、綠色、藍色發(fā)光材料的發(fā)光效率可以達到 40cd /A、88cd/A 和 5cd/A.有機發(fā)光材料技術(shù)和薄膜晶體管技術(shù)促使顯示行業(yè)迎來(lái)有機發(fā)光二級管（Organic Light Emitting Diode,OLED）顯示時(shí)代[1].

　　OLED 顯示技術(shù)因其具有功耗低、響應快、色域寬、色彩飽和度高等特點(diǎn)受到了終端消費者的青睞，更受到了顯示器生產(chǎn)廠(chǎng)商的重視。

　　早在 2014 年國外 Samsung Display 與 LG Display 就已經(jīng)推出搭載 OLED 顯示器的手機與電視等顯示產(chǎn)品，隨后 OLED 技術(shù)迎來(lái)了井噴式發(fā)展。隨著(zhù)消費電子領(lǐng)域可穿戴智能設備的飛速發(fā)展，柔性 OLED 顯示技術(shù)得到了長(cháng)足發(fā)展。目前 Samsung Display 和京東方已經(jīng)推出了可折疊的柔性 OLED 顯示產(chǎn)品，華星光電、天馬微電子等其它顯示企業(yè)雖然尚未推出商用柔性顯示產(chǎn)品，但他們在此領(lǐng)域取得了很多成就[2].

　　目前主流的 OLED 技術(shù)是有機發(fā)光二極體面板（Active Matrix Organic Light Emitting Diode,AMOLED）技術(shù)。AMOLED 顯示面板的結構如圖 1-1 所示，包括上層玻璃蓋板、下層玻璃基板、有機像素發(fā)光層和像素電路層。像素電路采用光刻的方式將薄膜電路刻蝕到下層玻璃基板上，像素電路厚度約為 700nm.有機像素發(fā)光層蒸鍍在像素電路上，發(fā)光層薄膜厚度約為1400nm.由于有機像素層和像素電路層很薄且具有良好的透光性，所以 AMOLED 面板可以彎曲且整體透光率較高。AMOLED 面板制作的生產(chǎn)流程包括 Array 工藝、OLED 蒸鍍工藝和檢測工藝。其中 Array 工藝用來(lái)制作像素電路面板；OLED 蒸鍍工藝用來(lái)將發(fā)光材料依次蒸鍍到對應像素的陽(yáng)極上；檢測工藝則是對面板進(jìn)行光學(xué)、電學(xué)和外觀(guān)檢測。

　　檢測工藝流程如圖1-2 所示，檢測工藝是顯示面板供給下游客戶(hù)前的最后一道生產(chǎn)流程，也是確保面板品質(zhì)滿(mǎn)足技術(shù)指標的核心環(huán)節。為了掌握每個(gè)面板生產(chǎn)過(guò)程中的關(guān)鍵工藝信息，方便分析下游客戶(hù)對產(chǎn)品異常的投訴，檢測工藝還需要將每個(gè)顯示面板的生產(chǎn)信息與出貨信息綁定在一起。這種綁定是通過(guò)給每個(gè)產(chǎn)品賦予一個(gè)唯一的產(chǎn)品識別碼（Identification code,ID code）完成的。在檢測工藝開(kāi)始時(shí)，自動(dòng)噴墨機會(huì )給每個(gè)面板噴上一個(gè)包含產(chǎn)品生產(chǎn)信息的識別碼。經(jīng)過(guò)光學(xué)、電學(xué)和外觀(guān)檢驗不合格的產(chǎn)品會(huì )被直接剔除，而合格產(chǎn)品在出廠(chǎng)前還需要錄入它們的識別碼并與出貨信息相綁定。這樣每個(gè)識別碼都與顯示面板的實(shí)物直接綁定在一起，每當接到客戶(hù)的投訴時(shí)，只需拿到相應的產(chǎn)品實(shí)物，便可以追溯該產(chǎn)品的生產(chǎn)信息并有針對性地分析生產(chǎn)工藝中潛在的隱患。

　　如圖 1-3 所示，由于 AMOLED 面板具有很高的透光率，在 AMOLED 面板的底面（底層玻璃基板）上噴涂二維碼后，在頂面（下層玻璃基板）逆著(zhù)強光觀(guān)察時(shí)，二維碼印跡清晰可見(jiàn)。利用這一特性結合電荷耦合器件（Charge-coupled device,CCD）鏡頭，便可以錄入印有二維碼的顯示面板的識別碼。

　　如圖 1-4 所示，目前生產(chǎn)中產(chǎn)品的二維碼大多是手動(dòng)錄入的，錄入步驟如下：1）將印有二維碼的產(chǎn)品從托盤(pán)內取出；2）將產(chǎn)品放到對位平臺上（放到下圖右側的塑料對位平臺上）； 3）視覺(jué)讀碼器（Visual Code Read,VCR）讀取二維碼，連同包裝出貨信息寫(xiě)入數據庫；4）取下產(chǎn)品再放回托盤(pán)中。

　　在手動(dòng)錄入二維碼過(guò)程中，取放產(chǎn)品和手動(dòng)對位對產(chǎn)品質(zhì)量的威脅最大。由于顯示面板的主要材料是玻璃，手工操作時(shí)對產(chǎn)品的磕碰會(huì )引發(fā)裂紋。即便是微小的裂紋在后期裝配時(shí)都會(huì )導致產(chǎn)品報廢，所以在實(shí)際生產(chǎn)中會(huì )極力避免小的裂紋或者磕碰。通常要求操作員謹慎操作，但是這也限制了生產(chǎn)線(xiàn)的運行效率。即便是經(jīng)驗豐富的操作員也無(wú)法完全避免磕碰顯示面板，因此產(chǎn)品的破損率居高不下。另外，產(chǎn)品信息錄入工序是在外觀(guān)檢測之后執行的。

　　因此，產(chǎn)品信息錄入工序導致的外觀(guān)異常在后續工序無(wú)法檢測出來(lái)，這就導致該工序生產(chǎn)風(fēng)險相對隱蔽，甚至處于不可控狀態(tài)。采用產(chǎn)品識別碼自動(dòng)錄入設備可以有效避免上述生產(chǎn)風(fēng)險。但是由于面向顯示面板行業(yè)的產(chǎn)品識別碼自動(dòng)錄入設備屬于非標設備，設備采購價(jià)格極高。本課題的目的是研制一種低成本產(chǎn)品識別碼自動(dòng)錄入系統。

　　1.2 顯示面板產(chǎn)品識別碼自動(dòng)錄入系統的研究現狀

　　產(chǎn)品識別碼錄入系統是產(chǎn)品信息追溯系統一部分，在生產(chǎn)中該系統被安裝到各設備流入口（上料口），實(shí)現生產(chǎn)線(xiàn)信息流與產(chǎn)品流一一對應。目前應用范圍較廣的是基于視覺(jué)讀碼器（Visual Code Read,VCR）的產(chǎn)品識別碼錄入系統，因此該系統也被稱(chēng)作 VCR 錄入系統。

　　目前韓國 Samsung Display 的 AMOLED 技術(shù)在整個(gè)顯示面板行業(yè)占據領(lǐng)先地位，所以韓國顯示面板的產(chǎn)業(yè)鏈最為齊全。韓國 WinforSys 公司提供 VCR 解決方案，但其解決方案只涉及到 VCR 讀取與解碼，不涉及 VCR 自動(dòng)化系統解決方案。韓國的 YoungwooDSP 公司提供VCR 自動(dòng)錄入系統的解決方案，但其開(kāi)發(fā)周期長(cháng)，價(jià)格昂貴。另外產(chǎn)品信息中通常包含顯示面板的全流程工藝信息，VCR 系統外包給其它企業(yè)存在泄露商業(yè)秘密的風(fēng)險。此外中國和韓國在顯示面板行業(yè)的競爭激勵，VCR 系統外包給韓國公司會(huì )危及我國在該領(lǐng)域的經(jīng)濟利益。

　　國內一些企業(yè)可以提供自動(dòng)化解決方案，但設計復雜，研發(fā)周期長(cháng)，費用高昂。昆山精訊電子提供自動(dòng) VCR 設備解決方案，該方案采用 YMAHA 機械手代替人手搬運產(chǎn)品。相較于人工搬運產(chǎn)品，磕碰明顯減少，但機械手末端的吸盤(pán)在取放產(chǎn)品時(shí)磕碰風(fēng)險依然存在。成都俊輝電子提供的解決方案，該方案同樣用機械手代替人手避免搬運時(shí)的磕碰。為了避免產(chǎn)品取放時(shí)產(chǎn)品受到?jīng)_擊力的影響，機械手先將產(chǎn)品放到一種特制機臺上，機臺吸附產(chǎn)品運動(dòng)到指定位置后讀取產(chǎn)品二維碼。該解決方案只適合于單件流的生產(chǎn)線(xiàn)，不適合批件流的生產(chǎn)線(xiàn)，因為它無(wú)法同時(shí)操作多個(gè)呈矩陣分布的產(chǎn)品陣列。顯示面板生產(chǎn)企業(yè)亟待自主研發(fā) VCR自動(dòng)錄入系統。

　　國際上可編程邏輯控制器（Programmable Logic Controller,PLC）與 Arduino 單片機控制器技術(shù)方案已經(jīng)成熟。韓國的鄭智薰（音譯，原名？？？）等使用 Arduino 單片機在 Arduino 開(kāi)發(fā)平臺上開(kāi)發(fā)出基于 Arduino 單片機的智能花盆，可以通過(guò)遠程控制給綠植澆水[3].印度Rajesh Singh 等工程師提出了許多基于 Arduino 單片機和樹(shù)莓派面向物聯(lián)網(wǎng)應用場(chǎng)景的案例[4].

　　國內也涌現出眾多基于 PLC 與觸摸屏的非標自動(dòng)化系統設計案例。重慶工業(yè)機器人應用服務(wù)技術(shù)研究中心的張郭等人研制了基于臺達 PLC、觸摸屏和三菱機器人的點(diǎn)膠系統。該系統采用 PLC 程序控制機械手代替人工操作，系統的點(diǎn)膠參數可以通過(guò)組態(tài)軟件設置[5].青島大學(xué)的寧國濤等人研制了一種可以在三維空間內連續加工管線(xiàn)材彎曲設備，該設備使用三菱PLC 控制步進(jìn)電機完成加工過(guò)程，同時(shí)在三菱 F94GOT 觸摸屏上實(shí)現參數設置與 I/O 口監控[6].華南理工大學(xué)的李基有等人使用三菱 PLC 與光電傳感等傳感技術(shù)研制了一種基于 PLC 控制的多傳感物料自動(dòng)分揀系統，該系統采用模塊化設計，PLC 控制程序完成工藝過(guò)程，變頻器控制輸送帶運行，各類(lèi)傳感器實(shí)現材質(zhì)和顏色的檢測、工件姿勢的判別，最后通過(guò)機械手將物料轉移到指定位置[7].

　　上海交通大學(xué)的張媛等開(kāi)發(fā)了嵌入式軟 PLC 系統，該系統以 Cortex-M3 單片機為總控制器，負責 PLC 與其它設備的通信，三菱 PLC 作為系統運行的直接控制器。他們把這套嵌入式軟 PLC 系統應用于移動(dòng)式保溫餐車(chē)和金屬帶鋸床。應用結果表明，嵌入式軟 PLC 系統設計靈活，能夠根據不同的使用需求實(shí)現不同的控制方案，硬件實(shí)時(shí)響應快、可靠性良好[20].

　　2019 年在液晶制造領(lǐng)域出現了 PCL 和 Pro-face 觸摸屏聯(lián)合應用的案例，上海普洛菲斯國際貿易有限公司提出了 Pro-face HMI 解決方案，用來(lái)搭建液晶制造智能監控系統（FMS） [33].

　　綜上所述，一方面，當前顯示面板 VCR 手動(dòng)錄入系統存在損壞面板的風(fēng)險，限制了面板良品率的提高，面向顯示面板生產(chǎn)的 VCR 自動(dòng)錄入系統亟待開(kāi)發(fā)。另一方面，基于單片機、PLC 和觸摸顯示器等硬件設備結合現代傳感技術(shù)研制的非標自動(dòng)化系統已經(jīng)被證明可以切實(shí)解決生產(chǎn)工藝問(wèn)題。因此設計一種 VCR 自動(dòng)錄入系統對于提高顯示面板行業(yè)檢測工藝水平具有重要意義。

　　1.3 主要內容及章節安排

　　為改變本公司人工錄入產(chǎn)能不足與破損率較高的現狀，本文提出一種低成本的 VCR 自動(dòng)錄入系統。

　　本文一共包括六章，具體內容如下：

　　第一章 緒論，首先簡(jiǎn)要介紹了論文選題的背景和意義，以及面板顯示行業(yè) VCR 錄入系統研究現狀，最后簡(jiǎn)述論文的主要研究?jì)热菁罢鹿澃才拧?/p>

　　第二章 系統總體設計，確定自動(dòng) VCR 設備的功能要求與性能指標，提出系統總體設計方案。系統總體設計從硬件設計方案與軟件設計方案兩個(gè)方面展開(kāi)論述。

　　第三章 硬件設計，主要闡述系統各個(gè)單元的硬件實(shí)現方案。

　　第四章 軟件設計，主要闡述實(shí)現預定的功能要求與性能指標所需要的程序邏輯。分別從單片機程序邏輯和 PLC 程序邏輯兩個(gè)方面進(jìn)行論述。

　　第五章 系統測試及調試，主要論述系統實(shí)物研制完成后開(kāi)展的系統安全性、穩定性、準確性測試。用實(shí)驗的方法檢驗系統能否實(shí)現預定功能。

　　第六章 總結與討論，總結本文取得的成果并展望后續的研究工作。

　　第二章 系統總體設計

　　2.1 功能要求及性能指標

　　2.2 總體設計方案

　　2.3 硬件方案

　　2.3.1 作業(yè)臺方案

　　2.3.2 供電設方案

　　2.3.3 VCR 信息處理單元方案設計

　　2.3.4 運動(dòng)控制單元方案

　　2.4 軟件設計方案

　　2.4.1 軟件編程環(huán)境選擇

　　2.4.2 方案設計

　　2.5 本章小結

　　第三章 硬件設計

　　3.1 作業(yè)臺

　　3.2 供電電路

　　3.3 控制電路

　　3.3.1 控制電路總體設計

　　3.3.2 單片機電路設計

　　3.3.3 PLC 電路設計

　　3.3.4 伺服放大電路設計

　　3.4 本章小結

　　第四章 軟件設計

　　4.1 VCR 信息處理單元程序設計

　　4.2 PLC 程序設計

　　4.2.1 軟元件及寄存器資源分配

　　4.2.2 人機交互界面設定

　　4.2.3 PLC 主程序設計

　　4.2.4 回原程序設計

　　4.2.5 二維碼矩陣參數與電機速度設定

　　4.2.5 手動(dòng)作業(yè)程序設計

　　4.2.6 中斷程序設計

　　4.3 本章小結

　　第五章 系統測試

　　5.1 電參數與安全性能測試

　　5.2 系統穩定性與準確性測試

　　5.3 本章小結

第六章 總結

　　針對顯示面板出貨前手動(dòng)錄入識別碼時(shí)存在的產(chǎn)品磕碰問(wèn)題和潛在的不可控風(fēng)險，本課題研制了一套產(chǎn)品識別碼自動(dòng)錄入系統。該系統以視覺(jué)讀碼器（Visual Code Read,VCR）為產(chǎn)品識別碼（二維碼）識別元件，因此也被稱(chēng)為 VCR 自動(dòng)錄入系統。為了徹底消除從托盤(pán)里取放面板時(shí)的磕碰，本文提出了一種新的 VCR 自動(dòng)錄入方案。該方案將一個(gè) VCR 固定在一個(gè)二維移動(dòng)工作臺的執行末端上，VCR 隨著(zhù)兩個(gè)電機的轉動(dòng)在平面內移動(dòng)，這樣無(wú)需從托盤(pán)中取出產(chǎn)品，便可讀取并記錄盤(pán)中產(chǎn)品陣列的二維碼。基于此，本文展開(kāi)了 VCR 自動(dòng)錄入系統的設計與研制。首先基于模塊化設計思想將系統的功能拆分若干功能模塊，并給出了其實(shí)現方案。然后針對每個(gè)模塊展開(kāi)硬件設計和軟件設計，完成了所需硬件的選型、電路的設計和程序的編寫(xiě)。單片機主要功能判別二維碼是否符合預設規則，對接收到字符串后判斷字符串長(cháng)度，接收到符合規則的字符串輸出脈沖信號給 PLC.PLC 主要作用是使控制電機運動(dòng)以及執行安全中斷。PLC 根據輸入信號狀態(tài)，驅動(dòng) X 軸、Y 軸電機完成 VCR 鏡頭按照預設的運動(dòng)軌跡完成二維平面的運動(dòng)。PLC 在電機執行前檢測各安全傳感器狀態(tài)，并根據傳感器狀態(tài)執行不同的中斷。

　　研制的樣機經(jīng)安裝和調試后投入實(shí)際生產(chǎn)測試，該樣機解決了 VCR 手動(dòng)錄入效率低、破損率高的問(wèn)題，有效提高了生產(chǎn)線(xiàn)效率與產(chǎn)品良率。未來(lái)該系統的性能可以從以下三個(gè)方面入手繼續提高。

　　（1）產(chǎn)品托盤(pán)定位需要手動(dòng)粘貼定位治具，后續需加入帶刻度的可移動(dòng)定位治具，這樣可以減小產(chǎn)線(xiàn)更換模型時(shí)間，并且提高對位精度。

　　（2）系統的底光源面板亮度衰減率直接影響二維碼讀取效果，后續需加入控制單元來(lái)調節底光源面板亮度。

　　（3）研制樣機可推廣到其他產(chǎn)品線(xiàn)，在其他生產(chǎn)線(xiàn)應用時(shí)，運行環(huán)境惡化測試必不可少。

　　在后續需測試溫度，濕度，粉塵等極限環(huán)境下樣機運行情況。

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　　[34]張駿。 PLC 和 Pro-face 觸摸屏及信號采集板在冷氣機組中的應用。 [J] 工業(yè)控制計算機，2005.01.25（01）：66~68

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　　[36]Cushion Emily J;Warmenhoven John;North Jamie S;Cleather Daniel J. Task Demand Changes Motor Control Strategies in Vertical Jumping. [J] Journal of motor behavior,2020.08.02:11~12

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　　[39]GX Works2 入門(mén)指南[S]: 1~350

　　[40]FX3GA 系列微型可編程控制器-硬件手冊[S]: 1~365

　　[41]三菱微型可編程控制器用戶(hù)手冊[硬件篇] [S]:1~420

　　[42]FX3S·FX3G·FX3GC·FX3U·FX3UC 系列微型可編程控制器 編程手冊 基本·應用指令說(shuō)明書(shū)[S]:1~703

　　[43]FX3S·FX3G·FX3GC·FX3U·FX3UC 系列微型可編程控制器 用戶(hù)手冊 定位控制篇[S]:1~325

　　[44]Pro-Face 操作應用基礎[S]:1~262

　　[45]TB6600HG 使用說(shuō)明書(shū)[S]:1~152

致謝

　　時(shí)光匆匆，轉眼之間在職碩士已經(jīng)讀了三年；回首過(guò)往，這些年的學(xué)習生涯讓我逐漸成長(cháng)，學(xué)到了很多知識。

　　首先，由衷的感謝我的導師戴呼合老師，在學(xué)術(shù)、科研中，老師治學(xué)嚴謹，追求精益求精，做事認真負責的態(tài)度值得我們每個(gè)人學(xué)習。 在論文寫(xiě)作過(guò)程中。老師不厭其煩的教導讓我受益匪淺。

　　同時(shí)，感謝學(xué)校及學(xué)院在這三年里對我的栽培，特別感謝電子信息工程學(xué)院自動(dòng)化系所有的老師對我的諄諄教誨，老師們的人格魅力及特有的授課方式讓我銘記于心，而且受益終身。還要感謝學(xué)院領(lǐng)導們，一直以來(lái)對我的關(guān)心和幫助。

　　再次，感謝老師們及同事們在我論文完成過(guò)程中給予我的支持與幫助。

　　最后，衷心的感謝審閱論文的諸位專(zhuān)家學(xué)者，謝謝您們的寶貴意見(jiàn)，讓我可以彌補論文中存在的不足.

（如您需要查看本篇畢業(yè)設計全文，請您聯(lián)系客服索取）