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1、中图分类号：基于单片机控制的电子时钟设计基于单片机控制的电子时钟设计专专业业名名 称：称：应用电子技术应用电子技术学生姓名：学生姓名：王明宗王明宗导师姓名：导师姓名：王春霞王春霞 职职 称称：讲讲 师师焦作大学机电工程学院焦作大学机电工程学院20122012 年年 1212 月月毕业设计中图分类号：中图分类号： 密级：密级：UDC： 单位代码：单位代码：基于单片机控制的电子时钟设计基于单片机控制的电子时钟设计Based on single-chip microcomputer control the design of the electronic clock焦作大学机电工程学院焦作大学机电工
2、程学院姓姓 名名王明宗王明宗学学 制制3 3 年年专专 业业应用电子技术应用电子技术研究方向研究方向电子技术电子技术导导 师师王春霞王春霞职职 称称讲讲 师师论文提交日期论文提交日期2012.12.202012.12.20论文答辩日期论文答辩日期2012.12.312012.12.31摘要摘要现代生活的人们越来越重视起了时间观念，可以说是时间和金钱划上了等号。对于那些对时间把握非常严格和准确的人或事来说，时间的不准确会带来非常大的麻烦，所以以数码管为显示器的时钟比指针式的时钟表现出了很大的优势。数码管显示的时间简单明了而且读数快、时间准确显示到秒。所以数字电子钟的精度、稳定度远远超过老式机械钟
3、。而机械式的依赖于晶体震荡器，可能会导致误差。在这次设计中，我们采用 LED 数码管显示时、分、秒，以 24 小时计时方式，根据数码管动态显示原理来进行显示，以 AT89S51 芯片为核心，辅以必要的电路，设计了一个简易的电子时钟，它由 4.5V 直流电源供电，通过数码管能够准确显示时间，调整时间，并在数码管上显示相应的时间。关键词：关键词：单片机 AT89S51 电子时钟ABSTRACTModern life people pay more and more attention to up the concept of time, can say time and money off the
4、 equal sign. For those who grasp of time is very strict and accurate person or thing, it is not accurate time will bring very big trouble, so to digital tube for display clock than pointer clock showed a lot of advantages. Digital tube display time simple and fast reading, time accurate display to s
5、econds. So the digital clock accuracy, stability is far more than the old mechanical clock. And mechanical dependent on the crystal oscillators, may lead to error. In this design, we adopt LED digital tube display, points, SEC to 24 hours time way, according to the principle of dynamic display of di
6、gital tube to show that AT89S51 chip as the core, with the necessary circuit, design a simple electronic clock, it consists of 4.5 V dc power supply, through the digital tube can accurately display the time, adjusting time, and in the digital tube display the corresponding time. Key word: : SCM AT89
7、S51 electronic clock 目 录第一章 引言.1 1.1 数字电子钟的背景.1 1.2 数字电子钟的意义.1 1.3 数字电子钟的应用.1 第二章 设计方案.3 2.1 数字时钟方案.3 2.2 数码管显示方案.3 第三章 系统设计.4 3.1 总体设计.4 3.2 单片机外围控制电路.4 3.2.1 单片机的选择.4 3.2.2 控制电路.6 3.2.3 电源部分.7 3.2.4 复位电路.8 3.2.5 程序下载接口.8 3.2.6 位选部分.9 3.2.7 数码管的连接电路.9 第四章 软件设计.114.1 程序流程图.11 4.2 源程序.13 第五章 使用调试.20
8、第六章 设计总结.21 参考文献.22 附录.23 致谢.24第一章第一章 引言引言1.11.1 数字电子钟的背景数字电子钟的背景 20 世纪末，电子技术获得了飞速的发展，在其推动下，现代电子产品几乎渗透了社会的各个领域，有力地推动了社会生产力的发展和社会信息化程度的提高，同时也使现代电子产品性能进一步提高，产品更新换代的节奏也越来越快。 时间对人们来说总是那么宝贵，工作的忙碌性和繁杂性容易使人忘记当前的时间。忘记了要做的事情，当事情不是很重要的时候，这种遗忘无伤大雅。但是，一旦重要事情，一时的耽误可能酿成大祸。而单片机模块中最常见的就是数字电子钟，数字钟是一种用数字电路技术实现时、分、秒计时
9、的装置，与机械式时钟相比具有更高的准确性和直观性，且无机械装置，具有更更长的使用寿命，因此得到了广泛的使用。目前，单片机正朝着高性能和多品种方向发展趋势将是进一步向着 CMOS 化、低功耗、小体积、大容量、高性能、低价格和外围电路内装化等几个方面发展。下面是单片机的主要发展趋势。单片机应用的重要意义还在于，它从根本上改变了传统的控制系统设计思想和设计方法。从前必须由模拟电路或数字电路实现的大部分功能，现在已能用单片机通过软件方法来实现了。这种软件代替硬件的控制技术也称为微控制技术，是传统控制技术的一次革命。1.21.2 数字电子钟的意义数字电子钟的意义数字钟是采用数字电路实现对时、分、秒数字显
10、示的计时装置,广泛用于个人家庭、车站、码头办公室等公共场所,成为人们日常生活中不可少的必需品,由于数字集成电路的发展和石英晶体振荡器的广泛应用,使得数字钟的精度,远远超过老式钟表, 钟表的数字化给人们生产生活带来了极大的方便，而且大大地扩展了钟表原先的报时功能。诸如定时自动报警、按时自动打铃、时间程序自动控制、定时广播、自动起闭路灯、定时开关烘箱、通断动力设备、甚至各种定时电气的自动启用等，所有这些，都是以钟表数字化为基础的。因此，研究数字钟及扩大其应用，有着非常现实的意义。1.31.3 数字电子钟的应用数字电子钟的应用 数字钟已成为人们日常生活中：必不可少的必需品，广泛用于个人家庭以及车站、
11、码头、剧场、办公室等公共场所，给人们的生活、学习、工作、娱乐带来极大的方便。由于数字集成电路技术的发展和采用了先进的石英技术，使数字钟具有走时准确、性能稳定、携带方便等优点，它还用于计时、自动报时及自动控制等各个领域。现今，高精度的计时工具大多数都使用了石英晶体振荡器，由于电子钟，石英表，石英钟都采用了石英技术，因此走时精度高，稳定性好，使用方便，不需要经常调校，数字式电子钟用集成电路计时时，译码代替机械式传动，用 LED 显示器代替显示器代替指针显示进而显示时间，减小了计时误差，这种表具有时，分，秒显示时间的功能，还可以进行时和分的校对，片选的灵活性好。时钟电路在计算机系统中起着非常重要的作
12、用，是保证系统正常工作的基础。在一个单片机应用系统中，时钟有两方面的含义：一是指为保障系统正常工作的基准振荡定时信号，主要由晶振和外围电路组成，晶振频率的大小决定了单片机系统工作的快慢；二是指系统的标准定时时钟，即定时时间，它通常有两种实现方法：一是用软件实现，即用单片机内部的可编程定时/计数器来实现，但误差很大，主要用在对时间精度要求不高的场合；二是用专门的时钟芯片实现，在对时间精度要求很高的情况下，通常采用这种方法，典型的时钟芯片有：DS1302，DS12887，X1203等都可以满足高精度的要求。本文主要介绍用单片机内部的定时/计数器来实现电子时钟的方法，本设计由单片机 AT89S51
13、芯片和 LED 数码管为核心，辅以必要的电路，构成了一个单片机电子时钟。第二章第二章 设计方案设计方案2.1 数字时钟方案数字时钟方案数字时钟是本设计的最主要的部分。根据需要，可利用两种方案实现。方案一：本方案采用 Dallas 公司的专用时钟芯片 DS12887A。该芯片内部采用石英晶体振荡器，其芯片精度不大于 10ms/年，且具有完备的时钟闹钟功能，因此，可直接对其以用于显示或设置，使得软件编程相对简单。为保证时钟在电网电压不足或突然掉电等突发情况下仍能正常工作，芯片内部包含锂电池。当电网电压不足或突然掉电时，系统自动转换到内部锂电池供电系统。而且即使系统不上电，程序不执行时，锂电池也能保
14、证芯片的正常运行，以备随时提供正确的时间。方案二：本方案完全用软件实现数字时钟。原理为：在单片机内部存储器设三个字节分别存放时钟的时、分、秒信息。利用定时器与软件结合实现 1 秒定时中断，每产生一次中断，存储器内相应的秒值加 1；若秒值达到 60，则将其清零，并将相应的分字节值加 1；若分值达到 60，则清零分字节，并将时字节值加 1；若时值达到24，则将十字节清零。该方案具有硬件电路简单的特点。但由于每次执行程序时，定时器都要重新赋初值，所以该时钟精度不高。而且，由于是软件实现，当单片机不上电，程序不执行时，时钟将不工作。基于硬件电路的考虑，本设计采用方案二完成数字时钟的功能。2.2 数码管
15、显示方案数码管显示方案方案一：静态显示。所谓静态显示，就是当显示器显示某一字符时，相应的发光二极管恒定的导通或截止。该方式每一位都需要一个 8 位输出口控制。静态显示时较小的电流能获得较高的亮度，且字符不闪烁。但当所显示的位数较多时，静态显示所需的 I/O 口太多，造成了资源的浪费。方案二：动态显示。所谓动态显示就是一位一位的轮流点亮各个位，对于显示器的每一位来说，每隔一段时间点亮一次。利用人的视觉暂留功能可以看到整个显示，但必须保证扫描速度足够快，字符才不闪烁。显示器的亮度既与导通电流有关，也于点亮时间与间隔时间的比例有关。调整参数可以实现较高稳定度的显示。动态显示节省了 I/O 口，降低了
16、能耗。从节省 I/O 口和降低能耗出发，本设计采用方案二。第三章第三章 系统设计系统设计3.1 总体设计总体设计利用单片机（AT89S51）制作简易电子时钟，由六个 LED 数码管分别显示小时十位、小时个位、分钟十位、分钟个位、秒钟十位、秒钟个位。6 个 PNP 管（9012）分别控制六个数码管的亮灭，其中一个按键（S1）用于系统复位,另一个按键（S2）用于时间调整。显示部分控制部分单片机（AT89S51）按键 S2复位电路电源部分直流电源 4.5V6 个七段共阴极数码管显示秒，分钟及小时位位选部分6 个 PNP 三极管（9012）图 3-1 系统框图Figure 3-1 system blo
17、ck diagram 3.23.2 单片机单片机外围控制电路外围控制电路 3.2.13.2.1 单片机的选择单片机的选择单片机微型计算机是微型计算机的一个重要分支，也是颇具生命力的机种。单片机微型计算机简称单片机，特别适用于控制领域，故又称为微控制器。通常，单片机由单块集成电路芯片构成，内部包含有计算机的基本功能部件：中央处理器、存储器和 I/O 接口电路等。因此，单片机只需要和适当的软件及外部设备相结合，便可成为一个单片机控制系统。单片机经过 1、2、3、3 代的发展，正朝着多功能、高性能、低电压、低功耗、低价格、大存储容量、强 I/O 功能及较好的结构兼容性方向发展。其发展趋势不外乎以下几
18、个方面：1、多功能 单片机中尽可能地把所需要的存储器和 I/O 口都集成在一块芯片上，使得单片机可以实现更多的功能。比如 A/D、PWM、PCA（可编程计数器阵列）、WDT（监视定时器-看家狗）、高速 I/O 口及计数器的捕获/比较逻辑等。有的单片机针对某一个应用领域，集成了相关的控制设备，以减少应用系统的芯片数量。例如，有的芯片以 51 内核为核心，集成了 USB 控制器、SMART CARD 接口、MP3 解码器、CAN 或者 I*I*C 总线控制器等，LED、LCD 或 VFD 显示驱动器也开始集成在 8 位单片机中。2、高效率和高性能为了提高执行速度和执行效率，单片机开始使用 RISC
19、、流水线和 DSP 的设计技术，使单片机的性能有了明显的提高，表现为：单片机的时钟频率得到提高；同样频率的单片机运行效率也有了很大的提升；由于集成度的提高，单片机的寻址能力、片内 ROM（FLASH）和 RAM 的容量都突破了以往的数量和限制。由于系统资源和系统复杂程度的增加，开始使用高级语言（如 C 语言）来开发单片机的程序。使用高级语言可以降低开发 难度，缩短开发周期，增强软件的可读性和可移植性，便于改进和扩充功能。3、低电压和低功耗单片机的嵌入式应用决定了低电压和低功耗的特性十分重要。由于 CMOS 等工艺的大量采用，很多单片机可以在更低的电压下工作（1.2V 或 0.9V），功耗已经降
20、低到 uA 级。这些特性使得单片机系统可以在更小电源的支持下工作更长的时间。4、低价格单片机应用面广，使用数量大，带来的直接好处就是成本的降低。目前世界各大公司为了提高竞争力，在提高单片机性能的同时，十分注意降低其产品的价格。目前，我国生产很多型号的单片机，在此，我们采用型号为 AT89C51 的单片机。因为：AT89C51 的时钟频率可以为零，即具备可用软件设置的睡眠省电功能，系统的唤醒方式有 RAM、定时/计数器、串行口和外中断口，系统唤醒后即进入继续工作状态。省电模式中，片内 RAM 将被冻结，时钟停止振荡，所有功能停止工作，直至系统被硬件复位方可继续运行。3.2.23.2.2 控制电路
21、控制电路图 3-2 控制电路 Figure 3-2 control circuit AT89S51 是美国 ATMEL 公司生产的低功耗，高性能 CMOS 8 位单片机，片内含 4K bytes 的可系统编程的 Flash 只读程序存储器，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 8051 指令系统及引脚。AT89S51 提供以下标准功能：4K 字节 Flash 闪速存储器，128 字节内部 RAM，32I/O 口线，看门狗（WDT） ，两个数据指针，两个 16 位定时/计数器，一个 5 向量两级中断结构，一个全双工串行通信口，片内振荡器及时钟电路。如图 3-2 所示
22、，AT89S51 有 40 引脚，双列直插（DIP）封装，所用引脚功能如下：1. VCC 运行时加4.5V2. GND 接地3. XTAL1 振荡器反相放大器及内部时钟发生器的输入端4. XTAL2 振荡器反相放大器的输出端5. RST 复位输入，高电平有效，在晶振工作时，在 RST 引脚上作用 2个机器周期以上的高电平，将使单片机复位。WDT 溢出将使该引脚输出高电平，设置 SFT AUXR 的 DISRTO 位（地址 8EH）可打开或关闭该功能。DISRTO位缺省为 RESET 输出高电平打开状态。6. EA/VPP 片外程序存储器访问允许信号。欲使 CPU 仅访问外部程序存储器（地址为
23、0000H-FFFFH） ，EA 端必须保持低电平（接地） ，如果 EA 端为高电平（接 Vcc 端） ，CPU 则执行内部程序存储器中的指令。7. P1 口,P2 口P1，P2 是一组带内部上拉电阻的 8 位双向 I/O 口。运行时通过 P1 口控制驱动电路的工作，将数据送到数码管，显示相应的段码，为了达到减少功耗或满足端口对最大电流的限制，应加上一限流电阻。P2.0P2.5 口控制数码管的位选，使六个数码管轮流显示数据，等于 1 时位选三极管导通，等于 0 时位选三极管截止。 8.无自锁开关（S2P3.7）开关接相应引脚 P3.7，当开关按下时，相应引脚为低电平 0，断开时引脚为高电平 1
24、。3.2.33.2.3 电源部分电源部分图 3-3 电源电路 Figure 3-3 power supply circuit 如图 3-3 所示，从外部引入 4.5V 的直流电，为单片机、复位电路提供电源。3.2.43.2.4 复位电路复位电路图 3-4 复位电路 Figure 3-4 reset circuit 如图 3-4 所示，复位电路主要由型号为 1N4148 的二极管，型号为 10UF/16V 的 电解电容，型号为 104 的瓷片电容，10K 的电阻以及按键 S1 构成，S1 接芯片的相应 引脚 RST，当开关按下时引脚 RST 为高电平 1，断开时引脚为低电平 0。3.2.53.2
25、.5 程序下载接口程序下载接口图 3-5 程序下载接口模块 Figure 3-5 program download interface module 如图 3-5 所示，由 AT89S ISP 构成的两排十针下载口，板图上有一个小方框，为 1 号引角；下载线的凸口为正方向，凸口的右侧边的第一个插孔为 1 号引角。3.2.63.2.6 位选部分位选部分图 3-6 位选电路 Figure 3-6 choose circuit 图 3-6 为位选电路，三极管的集电极接数码管的公共端，当 P2 口对应的引脚输出高电平时三极管导通，对应的数码管显示数据。这样，在同一时刻，6 位 LED 中只有选通的那
26、1 位显示出字符，而其他 5 位则是熄灭的。同样，在下一时刻，只让下一位的位选线处于选通状态，而其他个位的位选线处于关闭状态，在段码线上输出将要显示字符的段码，则同一时刻，只有选通位显示出相应的字符，而其他各位则是熄灭的。如此循环下去，就可以使各位显示出将要显示的字符。虽然这些字符是在不同时刻出现的，而在同一时刻，只有一位显示，其他各位熄灭，但由于 LED 的余辉和人眼的视觉暂留作用，只要每位显示间隔足够短，则可以造成多位同时亮的假象，达到同时显示的效果。3.2.73.2.7 数码管的连接电路数码管的连接电路由于系统要显示的内容较简单，显示量不多，所以选用数码管既方便又经济。图 3-7 数码管
27、的连接电路 Figure 3-7 digital tube connection circuit 图 3-7 为数码管的引脚图，每位的段码线（a,b,c,d,e,f,g,dp）分别与 1 个 8 位的锁存器输出相连，由 AT89S51 控制组合 09 十个数据，如令其显示 1 则 b,c 引脚（即 2，3 引脚）送高电平，此时数码管显示 1。由于各位的段码线并联，8 位 I/O口输出段码对各个显示位来说都是相同的。第第 4 章章 软件设计软件设计4.14.1 程序流程图程序流程图主程序开主程序开始始设定定时器常数， 开中断显示时间到 1 秒？T0 中断现场保护重装定时器初值满 20 次否？满
28、24 小时否？满 60 秒否？满 60 分否？恢复现场时值加 1时缓冲单元清零秒值加 1分缓冲单元清零秒缓冲单元清零分值加 1结束时钟调整程序关闭显示， 省电状态分钟闪烁，调时状态分值加 1按键 S2 时间 t1时值=24？按键 S2 时间 t0.5s）分钟位闪亮，此时按下 S2 键（t0.5s）时钟位闪亮，此时按下 S2 键（t0.5s） ，返回到正常显示状态。3.下载线和电源线插接说明：1.下载线插接说明：两排十针下载口，板图上都有一个小方框，为 1 号引角；下载线的凸口为正方向，凸口的右侧边的第一个插孔为 1 号引角，这一点一定要切记，不然的话程序下载不进去。2.电源线插接说明：电池盒的
29、红线为正，黑线为负。板子所留出来的电源插口用 VCC（表示电源正）和GND（表示电源负）标明。调试要点：首先确保各器件的完好性，其次检测各芯片的电源线和地线是否接触良好，然后焊接器件，接好电源用万用表检测各电源端、地端的状态是否正常。检查无误后插上 AT89S51 并烧写一简易的程序，观察电路是否能协同工作。最后烧写工作程序，根据显示现象调试程序直至成功。上电运行时，数码管开始显示00：00：00，时钟开始走时。本设计能够很准确的走时，并能够通过硬件对时钟进行时间调整。第六章第六章 设计总结设计总结通过这次课程设计我发现，只有理论水平提高了，才能够将课本知识与实践相整合，理论知识服务于教学实践
30、，以增强自己的动手能力。这个实验十分有意义 我获得很深刻的经验。通过这次课程设计，我们知道了理论和实际的距离，也知道了理论和实际想结合的重要性，也从中得知了很多书本上无法得知的知识，通过以实践相结合，理论问题即实践课题，解决问题即课程研究，通过自己的手来解决问题比用脑子解决问题更加深刻，加强我们的动手能力和解决问题的能力。在这次课程设计该电路缺少整点报时及闹钟功能，由于能力和时间问题只能到此为止，很是遗憾，但本设计能够很准确的走时。通过这次学习，让我对各种电路也都有了大概的了解，对于这些电路还是应该自己动手实际操作才会有深刻理解 总之，这次设计，虽然，设计方面有很多欠缺，需要去改进、去研究，也
31、还要学习。不过也知道了怎样去写论文、去采集哪方面的资料。我在这一次单片机最小系统的设计过程中，很是受益匪浅。它使我运用已有的专业基础知识，对其进行设计，分析和解决一个理论问题或实际问题，把知识转化为能力的实际训练，在次期间我要非常感谢我的导师王春霞老师，王老师帮我检查完善使得顺利完成。同时也要感谢帮助我的室友们，同时在协作过程中也增进了同学间的友谊。也为自己今后进一步深化学习，积累了一定宝贵的经验，培养了我运用所学知识解决实际问题的能力。参考文献参考文献1 靳孝峰，张艳.单片机原理与应用.航空航天大学出版社.2009-52 于海生微型计算机控制技术M 清华大学出版社1999-63 黄正谨综合电
32、子设计与实践M 东南大学出版社2002-34 杨欣等电子设计从零开始M 清华大学出版社2005-105 谢嘉奎电子线路M 高等教育出版社2003-26 夏路易，石宗义电路原理图与电路设计教程 Protel 99SEM 北京希望电子出版社20027 王毓银数字电路逻辑设计M 高等教育出版社2004-28 王法能.单片机原理及应用.（简明修订版） 科学出版社出版发行, 2001 9 孙涵芳MCS-51 系列单片机原理及应用M 北京航空航天大学出版社1996-4附录附录电路原理图电路原理图注释：由于连接线较多，部分电路多采用标注方法连接。1234ABCD4321DCBA0作作作 作作作作 作作作 作
33、作作作 作作作0于 于于 于 于于 于 于于 于 于于 于 于16-Dec-201210:53:35 H:kankanBACKUP2.DDB - BACKUP2.SCHTitleSize:Number: Date: File:Revision: SheetofTime:A4P101 P112 P123 P134 P145 P156 P167 P178 RESET9 P3010 P3111 P3212 P3313 P3414 P3515 P3616 P3717 XTAL218VCC40 P0039 P0138 P0237 P0336 P0435 P0534 P0633 P0732 EA31 AL
34、E30 PSEN29 P2728 P2627 P2526 P2425 P2324 P2223 XTAL119 VSS20P2122 P2021U1AT89C51C330pFC430pFY112MHZVCCC2 104C1 10uF1 2 3 4J2D1 1N4148R6 4.7KR6 4.7KR5 4.7KR4 4.7KR3 4.7KR2 4.7KS21 2 3 4 5 6 7a b c d e f g8dpGNDabfcgdedpSEG6 1 2 3 4 5 6 7a b c d e f g8dpGNDabfcgdedpSEG5 1 2 3 4 5 6 7a b c d e f g8dpGN
35、DabfcgdedpSEG4 1 2 3 4 5 6 7a b c d e f g8dpGNDabfcgdedpSEG3 1 2 3 4 5 6 7a b c d e f g8dpGNDabfcgdedpSEG2 1 2 3 4 5 6 7a b c d e f g8dpGNDabfcgdedpSEG1 Q2 9012Q1 9012Q3 9012Q5 9012Q4 9012Q6 9012S1RESETVCCVCCR1 10KVCCVCC1 2J3VCC999999RSTP2012345678910J1AT89S ISPP21RSTP22P30P23P31P24P32P25P33 P34 P35
36、 P36P20P21P22P37P23P24P07P25P06P26P05P27P04P00P03P01 P02致谢致谢通过这次的设计使我认识到我对单片机方面的知识知道的太少了，对于书本上的 很多知识还不能灵活运用，有很多我们需要掌握的知识在等着我去学习，我会在以 后的学习生活中弥补我所缺少的知识。本次的设计使我从中学到了一些很重要的东 西，那就是如何从理论到实践的转化，怎样将我所学到的知识运用到我以后的工作 中去。经过一段时间的忙碌，本次毕业设计已经接近完成，作为一个大专生的毕业 设计，由于经验的匮乏，难免有许多考虑不周全的地方。在这里，首先我要感谢我的导师王春霞老师。王老师在我的设计草案的确定和修 改，后期的检查完善，等整个过程中都给予我指导。其次，我要感谢和我一起做毕 业设计们同学，然后，我还要感谢大学三年来所有的老师，为我们打下专业知识的 基础，最后，我要感谢焦作大学三年来对我的大力栽培。在大学的课堂的学习只是 在给我们灌输专业知识，而我们应把所学的用到我们现实的生活中去，此次的电子 时钟设计给我奠定了一个实践础，我会在以后的学习、生活中磨练自己，使自己适 应于以后的竞争。