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卫生间自动换气冲刷电路设计
前言
随着国民经济的日益发展,人民生活水平、生活质量的不断提高,公寓式客房、高级住宅小区越来越多,人们对卫生间环境要求也越来越高。
卫生间自动换气系统能够检测室内异味浓度及湿度,当异味气体浓度及湿度让人感觉不愉快时能自动地进行换气直至使人感觉舒服时才停止换气,这样人不论何时进入卫生间都感觉很干净、干爽。
此次设计的题目是卫生间自动换气系统,主要应用于宾馆、家庭中的卫生间。
本设计应用的主要器件是气敏、湿敏半导体传感器,该传感器的灵敏度高,因此可以检测异味浓度及湿度。
该系统是由电源电路、传感器电路、控制电路、换气电路等组成。
关键词:
异味湿度传感器换气电路
报告类型:
设计报告
目录
前言1
第一章绪论4
1.1设计方案4
1.2论文主要设计内容4
第二章异味气体及湿度传感器4
2.1半导体气敏传感器5
2.2湿敏传感器7
2.2.1半导体陶瓷湿敏电阻8
2.3传感器通常由三部分组成10
2.4气体传感器的发展方向11
第三章卫生间自动换气电路的设计11
3.2控制、载波发生电路13
3.2.1控制、载波发生电路的组成及其工作原理13
3.2.4气体检测、载波发射总电路(简称发射机)16
3.3载波接收,换气电路16
3.3.1译码电路LM56716
3.3.4电源电路20
3.3.37812型号三端稳压器基本概述23
3.3.5载波接收报警总电路(简称接收机)24
结束语26
参考文献27
第一章绪论
随着社会科学技术的发展,现代化的科技产品已迅速而普遍的进入人们的日常生活。
而卫生间的空间很狭小、人们入厕后会在这狭小的环境里留下难闻的异味,同时人们也常在这狭小的环境里洗澡、洗衣服,使环境中的湿度很大若换气条件不好,常常使人一进入卫生间就会感觉很不舒服。
卫生间自动换气电路正是在这样的背景下应运而生的一种新型产品,它能及时的检测异味、湿气迅速地换气直到使人们感觉舒服为止,是一个具有实际应用价值的产品。
1.1设计方案
图1-1卫生间自动换气电路设计方案框图
1.2论文主要设计内容
1.气体检测、载波发射电路
以QM—N10型气敏元件为核心与TWH8778集成开关,NE555构成气体检测载波发射电路,向外发射载波信号。
2.载波接收控制电路
译码部分电路由LM567组成。
3.换气电路设计
第二章异味气体及湿度传感器
卫生间里的地漏及坐便器散发出的气体,主要成分是硫化氢、氨气等,气敏传感器是用来测量气体的类别、浓度和成分的传感器。
由于气体种类繁多,性质各不相同,不可能用一种传感器检测所有类别的气体,因此,能实现气一电转换的传感器种类很多。
气敏传感器按其构成材料不同,可分为半导体和非半导体两大类。
目前,实际使用最多的是半导体气敏传感器。
2.1半导体气敏传感器
按照半导体与气体的相互作用是在其表面还是在其内部,可分为表面电阻控制型和体控制型两类;按照半导体变化的物理性质,又可分为电阻型和非电阻型两种。
半导体气敏元器件的详细分类可参见表2-1。
电阻型半导体气敏元器件是利用半导体材料接触气体时,其阻值发生改变来检测气体的成分或浓度;非电阻型半导体气敏元器件根据其对气体的吸附和反应,使其某些有关特性变化而对气体进行直接或间接检测。
类型
主要物理特性
类型
气敏元器件
检测气体
电阻型
电阻
表面控制型
Sn02和ZnO等的烧结体、薄膜、厚膜
可燃性气体
体控制型
T-Fe203,氧化钛(烧结体)
氧化镁,Sn02
酒精
可燃性气体
氧气
非电阻型
二极管整流特性
表面控制型
硫化镉、铂一氧化钛(金属一半导体结型二极管)
氢气、一氧化碳
酒精
晶体管特性
铂栅、钯栅MOS场效应晶体管
氢气、硫化氢
表2-1半导体气敏元器件分类
Sn02(氧化锡)敏感材料是目前应用最多的一种气敏材料,它已被广泛地应用于工矿企业、民用住宅和宾馆饭店等对可燃和有害气体的检测。
因此,本节将以较多的篇幅介绍Sn02气敏材料的气敏传感器。
1.电阻型半导体气敏传感器的结构:
气敏传感器通常由气敏元器件、加热器和封装体等三部分组成。
(1)气敏元器件按照制造工艺分类:
可分为烧结型、薄膜型和厚膜型三类,典型结构如图2-1所示。
1)烧结型气敏器件。
如图2-1a所示,这类器件以Sn02半导体材料为基体,将铂电极和加热丝埋人Sn02材料中,用加热、加压和温度为700~900℃的制陶工艺烧结成形,因此被称为半导体导瓷,简称半导瓷。
半导瓷内的晶粒直径约为lμm,晶粒的大小对电阻有一定影响,但对气体检测灵敏度则无很大的影响。
烧结型器件制作方法简单、器件寿命长,但由于烧结不充分,器件机械强度不高,电极材料较贵重,电性能一致性也较差,应用受到一定的限制。
2)薄膜型气敏元器件。
如图2-1b所示,这类器件采用蒸发或溅射工艺,在石英基片上形成氧化物半导体薄膜(其厚度小于10-7m),制作方法简单。
实验证明,Sn02半导体薄膜的气敏特性最好,但这种半导体薄膜为物理性附着,器件间性能差异较大。
a烧结型气敏元器件
b薄膜型气敏元器件
图2-1半导体传感器的器件结构
加热器的作用是将附着在敏感元件表面上的尘埃和油雾等烧掉,加速气体的吸附,提高敏感元件的灵敏度和响应速度。
加热器的温度一般控制在200~400℃。
(2)气敏器件按照加热方式分类:
加热方式一般有直热式和旁热式两种,因而形成了直热式和旁热式气敏元器件。
1)直热式是将加热丝直接埋入Sn02和ZnO粉末中烧结而成,因此,直热式常用于烧结型气敏结构。
直热式结构如图5—23a、b所示。
直热式结构的气敏传感器的优点是制造工艺简单、成本低、功耗小,可以在高电压回路中使用;它的缺点是热容量小,易受环境气流的影响,测量回路和加热回路间没有隔离而相K影响,国产QN型和日本费加罗TGSl09型气敏传感器均属此类结构。
a)直热式结构b)直热式符号c)旁热式结构
图2-2气敏元器件结构与符号
2)旁热式是将加热丝和敏感元件同置于一个陶瓷管内,管外涂梳状金电极作测量极,住金电极外再涂上Sn02等材料,其结构如图2-2c所示。
旁热式结构的气敏传感器克服了直热式结构的缺点,使测量极和加热极分离,而且加热丝不与气敏材料接触,避免了测量回路和加热回路的相互影响;器件热容量大,降低了环境温度对器件加热温度的影响,所以这类结构器件的稳定性和可靠性比直热式的好。
国产QM—N5型和日本费加罗TGS812和TGS813等型气敏传感器都采用这种结构。
2.气敏元器件的分类与应用
分类
检测对象气体
应用场所
爆炸性气体
液化石油气、城市用煤气
甲烷
可燃性煤气
家庭
煤矿
办事处
有毒气体
一氧化碳(不完全燃烧的煤气)
硫化氯、含硫的有机化合物
卤素、卤化物、氨气等
煤气灶
特殊场所
特殊场所
环境气体
氧气(防IE缺氧)
二氧化碳(防止缺氧)
水蒸气(调节温度、防止结露)
大气污染(sox、N0x等)
家庭、办公室
家庭、办公室
电子设备、汽车
温室
工业气体
氧气(控制燃烧、调节空气燃料比)
一氧化碳(防止不完全燃烧)
水蒸气(食品加工)
发电机、锅炉
发电机、锅炉
电炊灶
其他
呼出气体中的酒精和烟等
表2-2半导体气敏元器件分类与应用汇总表
2.2湿敏传感器
湿度是指大气中的水蒸气含量,通常采用绝对湿度和相对湿度两种表示方法。
绝对湿度是指在一定温度和压力条件下,每单位体积的混合气体中所含水蒸气的质量,单位为g/m3一般用符号AH表示;相对湿度是指气体的绝对湿度与同一温度下达到饱和状态的绝对湿度之比,一般用符号RH表示。
相对湿度给出大气的潮湿程度,它是一个无量纲的量,在实际使用中多使用相对湿度这一概念。
湿敏传感器是能够感受外界湿度变化,并通过器件材料的物理或化学性质变化,将湿度转化成有用信号的器件。
湿度检测较之其他物理量的检测显得困难,这首先是因为空气中水蒸气含量要比空气少得多;另外,液态水会使一些高分子材料和电解质材料溶解,一部分水分子电离后与溶入水中的空气中的杂质结合成酸或碱,使湿敏材料不同程度地受到腐蚀和老化,从而丧失其原有的性质;再者,湿信息的传递必须靠水对湿敏器件直接接触来完成,因此湿敏器件只能直接暴露于待测环境中,不能密封。
通常,对湿敏器件有下列要求:
在各种气体环境下稳定性好、响应时间短、寿命长、有互换性、耐污染和受温度影响小等。
微型化、集成化及廉价是湿敏器件的发展方向。
湿度的检测已广泛应用于:
工业、农业、国防、科技和生活等各个领域,湿度不仅与工业产品质量有关,而且是环境条件的重要指标。
本设计采用现已发展比较成熟的半导体陶瓷湿敏传感器。
2.2.1半导体陶瓷湿敏电阻
通常,用两种以上的金属氧化物半导体材料混合烧结而成为多孔陶瓷。
这些材料有ZnO-LiO2-V205系、Si-Na20-V205系、Ti02-MgO-Cr203系等,前三种材料的电阻率随湿度增加而下降,故称为负特性湿敏半导体陶瓷,最后一种材料的电阻率随湿度增加而增大,故称为正特性湿敏半导体陶瓷(以下简称半导瓷)。
1.负特性湿敏半导瓷的导电原理,由于水分子中的氢原子具有很强的正电场,当水在半导瓷表面吸附时,就有可能从半导瓷表面俘获电子,使半导瓷表面带负电。
如果该半导瓷是P型半导体,则由于水分子吸附使表面电动势下降,将吸引更多的空穴到达其表面,于是,其表面层的电阻下降。
若该半导瓷为N型,则由于水分子的附着使表面电动势下降,如果表面电动势下降较多,不仅使表面层的电子耗尽,同时吸引更多的空穴达到表面层,有可能使到达表面层的空穴浓度大于电子浓度,出现所谓表面反型层,这些空穴称为反型载流子。
它们同样可以在表面迁移而表现出电导特性。
因此,由于水分子的吸附,使N型半导瓷材料的表面电阻下降。
由此可见,不论是N型还是P型半导
图2-3氯化锂湿度---电阻特性曲线
瓷,其电阻率都随湿度的增加而下降。
图2-4表示了几种负特性半导瓷阻值与湿度的关系。
2.正特性湿敏半导瓷的导电原理正特性材料的结构、电子能量状态与负特性材料有所不同。
当水分子附着在半导瓷的表面使电动势变负时,导致其表面层电子浓度下降,但这还不足以使表面层的空穴浓度增加到出现反型程度,此时仍以电子导电为主。
于是,表面电阻将由于电子浓度下降而加大,这类半导瓷材料的表面电阻将随湿度的增加而加大。
如果对某一种半导瓷,它的晶粒间的电阻并不比晶粒内电阻大很多,那么表面层电阻的加大对总电阻并不起多大作用。
不过,通常湿敏半导瓷材料都是多孔的,表面电导占比例很大,故表面层电阻的升高必将引起总电阻值的明显升高。
但是,由于晶体内部低阻支路仍然存在,正特性半导瓷的总电阻值的升高没有负特性材料的阻值下降那么明显。
图5-36给出了Fe304正特性半导瓷湿敏电阻阻值与湿度的关系曲线。
从图2-4和图2-5可以看出,当相对湿度从0%RH变化到100%RH时,负特性材料的阻值均下降3个数量级,而正特性材料的阻值只增大了约一倍。
3.典型半导瓷湿敏元件
(1)MgCr204一Ti02湿敏元件:
氧化镁复合氧化物二氧化钛湿敏材料通常制成多孔陶瓷型“湿-电”转换器件,它是负特性半导瓷,MgCr204为P型半导体,它的电阻率低,电阻一湿度特性好,在MgCr204一Ti02陶瓷片的两面涂覆有多孔金电极,金电极与引出线烧结在一起。
为了减少测最误差,在陶瓷片外设置由镍铬丝制成的加热线圈,以便对器件加热清洗,排除恶劣气氛对器件的污染。
整个器件安装在陶瓷基片上,电极引线一般采用铂一铱合金。
图2-4几种半导瓷湿敏负特性
l—Zn0-Li02-V205
2—Si-Na20-V205
3—Ti02-MgO-Cr203
图2—5Fe304半导瓷的正湿敏特性
MgCr204-Ti02陶瓷湿度传感器的相对湿度与电阻值之问的关系如图2-6所示,传感器的电阻值既随所处环境的相对湿度的增加而减小,又随周围环境温度的变化而有所变化。
图2-6MgCr204一Ti02陶瓷湿度传感器的相对湿度与电阻关系
2.3传感器通常由三部分组成
1.敏感元件:
直接感受被测量,输出与被测量成确定关系。
2.转换元件:
敏感元件的输出就是转换元件的输入,它把输入转换成电量参量。
3.转换电路:
把转换元件输出的电量信号转换为便于处理、显示、记录或控制的有用的电信号的电路。
其组成如图2-7所示:
图2-7传感器的组成(组成实例)
气体传感器是一种把气体(多数为空气)中的特定成分检测出来,并将它转换为电信号的器件,以便提供有关待测气体的存在及浓度大小的信息。
2.4气体传感器的发展方向
目前,国内外对新的气敏材料和气体传感器的研究非常活跃,其主要研究和发展方向主要集中在以下几点:
首先,开发新的气敏材料。
主要措施是在传统的半导体气敏材料SnO,SnO2,Fe2O3中掺杂一些元素,目前有很多这方面的研究报道;其次是研制和开发复合型和混合型半导体气敏材料和高分子气敏材料,使这些材料对不同气体具有高灵敏度、高选择性、高稳定性。
另外,开发新的气体传感器,应用新材料、新工艺和新技术,对气体传感器的机理做进一步研究,使传感器更加微型化和多功能化,并具有性能稳定、使用方便、价格低廉等特点。
同时,进一步采用计算机技术实现气体传感器的智能化。
气体传感器和计算机技术相结合,出现了智能气体传感器--电子鼻。
国内外已成功开发了鉴别和检测食品、香料等的电子鼻。
研制开发新型仿生气体传感器-仿生电子鼻是未来气体传感器发展的主要方向。
第三章卫生间自动换气电路的设计
卫生间自动换气电路电路主要包括七部分:
异味气体检测、湿度检测、控制电路、载波发生器、接收电路、换气电路、电源电路等组成。
本机发射器与接收器采用同一个电源供电。
220V交流电经变压器B01变成15V左右的交流电,再经D04~D07C07,等组的整流滤波电路进行整流、滤波和IC03稳压后输出稳定的12V电压,向整个电路供电。
3.1异味气体检测电路
3.1.1气体检测电路的组成及其工作原理
如图3-1,当RQ01接触到异味时,其A、B两端电阻下降,a点电位升高;异味浓度越大,A、B两点电阻越小,a点电位越高。
a点电压经R02、D02向电容C01充电,使C01两端电位差随a点电位升高而上升。
当异味浓度超过一定限度时,a点电位将高于1.8V,电容C01两端电位差将超过1.6V,将会将检测出的信号发送给下级电路。
图3-1气体检测电路
3.1.2气体检测电路的具体元件参数及特性
1、特性
l)、对空气中硫化氢气体有很高的灵敏度。
2)、量程从0到100PPM
3)、精度可以到达1PPM
2、特性参数
l)、回路电压:
(Vc)5-24V
2)、取样电阻:
(RL)0.5-20KΩ
3)、加热电压:
(VH)5±0.1V
4)、加热功率:
(P)约750mW
5)、灵敏度:
R0(air)/RS(1000ppmC4H10)>5
6)、响应时间:
Tres<10秒
7)、恢复时间:
Trec<30秒
3、结构
1)、外形尺寸(mm)
2)、接线图
A-a内部短路为第一测量极
B-b内部短路为第二测量极
H-h加热极
4、基本测试电路和测试条件
l)、测试电路
2)、测试条件
回路电压:
VC=10V
加热电压:
VH=5V
负载电阻:
RL=2K
注:
供货器件中所给VRL值是指此测试下干净空气中的值。
图3-2气敏电阻与有害气体的特性曲线
3.2控制、载波发生电路
3.2.1控制、载波发生电路的组成及其工作原理
本电路主要由TWH8778集成开关当有气体检测电路有信号输送过来时开关集成电路IC01(TWH8778)将导通,IC01的②、③脚将输出供电电压到载波发生器,载波发生器进入工作状态,向外发送100kHz的载波信号。
C02为开关集成电路IC01的滤波电容,可以减少开关集成电路输出电阻对载波振荡器的影响。
本电路通过选择元件W02、C03的参数,使其工作频率为100kHz左右,调节W02可调整其发送载波的频率,由于NE555的输出电流足够大,因而不必再加放大电路,载波信号从IC02③脚输出后通过C05向载波传输线发送。
一般检测区离换气电路部分距离较远,中间的截波传输线容易出故障,本电路还设有一个监视电路,可监视整个系统包括传输线是否工作正常。
这部分电路由R03、L01等组成,当检测电路正常工作时,通过R03、L01向载波传输线输出一直流控制电压。
在接收部分用一电路检测这一直流电压的有无,即可知整个系统包括传输线是否工作正常,R03、L01的另一个作用是防止载波信号回送到TWH8778的输入端对整个电路造成影响。
图3-4控制载波发射电路
3.2.2THW8778
1、简介
TWH8778是一种大电流驱动开关集成电路。
它内部结构复杂但使用起来却十分方便。
只需在"控制"端上加一个数字信号,就能高速控制外接负载的通断。
TWH8778采用双极晶体管和场效应管混合工艺制造。
因此其有静态功耗低,输出电流大的优点。
图3-5TWH8778的外观图
2、TWH8778的特点:
1).输出电流大,24V时为1.0A;
2).电源输入级设有完善的自动过电压保护电路;
3).具有输出限流电路;
4).开关压降小,约0.5V/1A;
5).电路控制端可直接与TTL、CMOS电路连接;
6).具有热保护功能;
7).静态功耗小,当负载断开时仅5OμA;仅有效工作频率达15kHZ。
图3-6TWH8778的电路符号
图3-7TWH8778的控制电路
3、TWH8778的工作原理:
当EN脚(控制端)为数字高电平时,输入端IN至输出端OUT即接通,反之即断开。
当TWH8778集成开关当有气体检测电路有信号输送过来时开关集成电路IC01(TWH8778)将导通,IC01的②、③脚将输出供电电压到载波发生器,C02为开关集成电路IC01的滤波电容,可以减少开关集成电路输出电阻对载波振荡器的影响。
3.2.4气体检测、载波发射总电路(简称发射机)
本部分安装在需要检测异味的地方,主要完成异味浓度监测和载波信号的发送,图3-11为该部分原理图,这部分电路由检测、控制、载波发生器等单元电路组成。
图3-11气体、检测载波发射电路
工作原理:
当RQ01接触到异味时,其A、B两端电阻下降,a点电位升高;异味浓度越大,A、B两点电阻越小,a点电位越高。
a点电压经R02、D02向电容C01充电,使C01两端电位差随a点电位升高而上升。
当异味浓度超过一定限度时,a点电位将高于1.8V,电容C01两端电位差将超过1.6V,此时开关集成电路IC01(TWH8778)将导通,IC01的②、③脚将输出供电电压到载波发生器,载波发生器进入工作状态,向外发送100kHz的载波信号。
C02为开关集成电路IC01的滤波电容,可以减少开关集成电路输出电阻对载波振荡器的影响。
3.3载波接收,换气电路
3.3.1译码电路LM567
1、简介
集成锁相环路解码器LM567是美国国家半导体公司生产的56系列集成锁相环路中的一种,其同类产品还有美国Signetics公司的SE567/INE567等。
LM567是一个高稳定性的低频集成锁相环路解码器,由于其良好的噪声抑制能力和中心频率稳定性而被广泛应用于各种通讯设备中的解码以及AM、FM信号的解调电路中。
并且它内含锁相环,可以广泛用于BB机、频率信号源函数发生器监视器等各种电路中。
此音调解码块包含一个稳定的锁相环路和一个晶体管开关,当在此集成块的输入端加上所先定的音频时,即可产生一个接地方波。
此音调解码器可以解码各种频率信号源函数发生器的音调。
例如检测电话的按键音等。
此音调解码器还可以用在BB机、频率信号源函数发生器监视器和控制器、精密振荡器和遥测解码器中。
主要用于振荡、调制、解调、和遥控编、译码电路。
如电力线载波通信,对讲机亚音频译码,遥控等。
2、内部结构及工作原理
图3-12LM567内部结构图
管脚号
作用
1
输出滤波
2
回路滤波
3
输入
4
V1
5
定时电阻
6
定时电容
7
地
8
输出
表3-4管脚介绍
LM567为8脚直插式封装,其内部结构、引脚定义如上图所示。
图3-13LM567译码电路
LM567内部包含了两个鉴相器PD1及PD2、放大器AMP、电压控制振荡器VCO等单元电路。
鉴相器PD1、PD2均采用双平衡模拟乘法器电路,在输入小信号情况下(约几十mV),其输出为正弦鉴相特性,而在输入大信号情况下(几百mV以上),其输出转变为线性(三角)鉴相特性。
锁相环路输出信号由电压控制振荡器VCO产生,电压控制振荡器的自由振荡频率(即无外加控制电压时的振荡频率)与外接定时元件RTCT的关系式为:
f0≈1/1.1RTCT
选用适当的定时元件,可使LM567的振荡频率在0.01Hz~500kHz范围内连续变化。
电路工作时,输入信号在鉴相器PD1中与VCO的输出信号鉴相,相差信号经滤波回路滤波后,成为与相差成一定比例的电压信号,用于控制VOC输出频率f0跟踪输入信号的相位变化。
若输入信号频率落在锁相环路的捕获带内,则环路锁定,在振荡器输出频率与输入频率相同时,二者之间只有一定相位差而无频率差。
环路用于FM信号解调时,脚2输出的经过滤波后的相差信号可作为FM解调信号的输出,而当环路用于单音解调时,电路则利用PD2输出的相差信号。
PD2的工作方式与PD1略有不同,它是利用压控振荡器输出的信号f0经90°移相后再与输入信号进行鉴相,是一正交鉴相器。
在环路锁定情况下,PD2的两个输入信号在相位上相差约为90°,因而PD2的输出电压达到其输出范围内的最大值,再经运算放大器AMP反相,在其输出端输出一个低电平。
AMP的输出端为OC输出方式,低电平输出时可吸收最大100mA的输出电流。
该端口的低电平输出信号除可由上拉电阻转换为电压信号以与TTL或CMOS接口电路相匹配外,还可直接驱动LED及小型继电器等较大负载。
值得一提的是,接在2脚的环路滤波电容C2与内部电阻一道构成锁相环路的RC积分滤波器,该滤波器时间常数的大小在很大程度上决定了锁相环路的环路带宽BW的大小。
当BW较大时,捕获范围大而稳定性差。
减小BW则正好相反,其稳定性较好而捕获范围变小。
LM567的环路带宽BW可由下式计算:
BW=1070(Vi/f0C2)1/2
式中,Vi为输入信号的幅值(rms)
C2为滤波电容的容量(单位为μF)
实际上,由上式计算得出的并不是环路带宽BW的实际值,而是环路带宽BW与环路中心频率f0的百分比,其值再乘上100%才是锁相环路的实际捕获带宽。
实际应用中调整C2的大小可使BW在0%~4%范围内变化。
BW宽度与f0C2乘积之间的关系如图2。
LM567在正常工作时的最小输入信号为20mV。
当用于单音解码时,其工作特性为:
当LM567信号输入端加入幅度为20mV以上的交流信号且频率落入f0±BW范围内时,输出端输出一个低电平的检测信号,这就是所谓的“频率继电器”特性。
利用这一特性,LM567可广泛应用于各种低频单一频率信号的解码。
3、使用要领
1)LM567输出部分与普通数字IC等有所不同,其内部是一个集电极开路的NPN型三极管,使用时,⑧脚与正电源间必须接一电阻或者其它负载,才能保证IC译码后输出低电平。
2)实验表明:
LM567接通电源瞬间,⑧脚会输出一低
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- 卫生间 自动 换气 冲刷 电路设计